济宁二号煤矿主通风机PLC控制系统的改造.pdf

2 0 1 5年第1期 煤矿机 电 1 1 5 济宁二号煤矿主通风机 P L C控制系统的改造 王宁， 于小伍 兖州煤业股份有限公司 济宁二号煤矿，山东 济宁 2 7 2 0 7 1 摘 要 济 宁 二号煤 矿 原 主通风 机 P L C控 制 系统采 用 欧姆 龙 C Q M1 H 可编 程 控制器 ， 由于 C Q M1 H可编程控制器 已停产多年， 备件供应 出现断供的现实问题 ， 故对主通风机 P L C控制系统进 行改造。采用 由德 国 S i e me n s 公 司 S 7 3 0 0系列 P L C处理器 C P U 3 1 3 C - 2 D P和通讯模板 C P 5 6 1 1卡， 与研华工控机 I P C 6 1 0 H构成 D C S控制系统， 可实现就地／ 远程／ 上位控制功能， 能 以最快 的方式启 动， 减少主通风机开机恢复时间， 大大降低事故概率。 关键词 主通风机 ；可编 程控制器 P L C ；s 7 3 0 0处理器 ；C P 5 6 1 1通信模 板；分布控 制系统 D C S 中图分类号 T P 3 3 6 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 1 0 8 7 4 2 0 1 5 0 l O l l 5 0 4 Re n o v a t i o n o f PL C Co n t r o l S y s t e m i n Ma i n Ve n t i l a t o r a t No． 2 J i n i n g Mi n e Wa n g V ，Y u Xi a o wu N o ． 2 J i n i n g Mi n e ， Y a n z h o u C o a l Mi n i n g C o m p a n y L i m i t e d ， J i n i n g 2 7 2 0 7 1 ，C h i n a Ab s t r a c t I n N o ． 2 J i n i n g m i n e ， t h e o l d P L C c o n t r o l s y s t e m o f m a i n v e n t i l a t o r u s e s t h e O mr o n C Q M1 H P L C ． B e c a u s e t h e O mr o n C Q M1 H P L C h a s b e e n d i s c o n t i n u e d f o r ma n y y e a r s ，t h e s u p p l y b r e a k o f s p a r e p a r t s i s a b i g i s s ue ．S o t h e t e c h n o l o g y r e n o v a t i o n ha s b e e n p r o c e s s e d f o r PLC c o nt r o l s y s t e m o f t h e ma i n v e n t i l a t o r ．Ad o p t s t h e S 7 ． 3 0 0 s e r i e s P L C C P U3 1 3 C ． 2 DPf r o m S i e me n s a n d t h e DC S d i s t r i b u t e d c o n t r o l s y s t e mc o n t r o l s y s t e m t h a t c o mbi n e d CP5 6 1 1 c o mmu n i c a t i o n mo d u l e a n d Ya n h ua i nd u s t r i a l c o mp u t e r I PC6 1 0H ．wh i c h r e a l i z e s t he o n s i t e ／ l o n g d i s t a n c e ／ up s i t e c o n t r o l f u n c t i o n，a n d s t a rts a s q ui c k l y a s p o s s i b l e，S O s h o r t e n t h e r e c o v e r y t i me whe n t h e ma i n v e n t i l a t o r s t a r t s a nd r e d u c e t he a c c i d e nt p r o ba b i l i t y g r e a t l y． K e y wo r d s m a i n v e n t i l a t o r ； p r o g r a mm a b l e l o g i c a l c o n t r o l l e r P L C ；S 7 3 0 0 p r o c e s s o r ； c o mm u n i c a t i o n m o d u l e C P 5 6 1 1 1 ；d i s t r i b u t e d e o n t r o l s y s t e m D C S 0 引言 主通风机是煤矿安全 生产的重要大型机 电设 备 ， 兖州煤业股份有限公 司济 宁二号煤矿通风系统 设有两台上海鼓风机厂生产 的 G A F 3 1 ． 6 1 5 ． 8 - 1轴 流式通风机 ， 一用 一备 ， 电动机功率 为 6 k V、 1 6 0 0 k w同步机拖动。原主通风机 P L C控制系统采用 欧 姆龙 C Q M1 H型 ， 该配件 P L C已停产多年 ， 而且原控 制 系统安装 时受技术和投资成本所 限 ， 控制结构 简 单 ， 全部外部信号采用电缆引入 ， 造成现场信号 电缆 庞杂 ， 数量众多 。矿井通风机是保障煤矿安全生产 的关键设备之一 ， 在安全生产方面 占有举 足轻重 的 地位 ， 若某一信号 电缆出现问题将直接造成 主通风 机停机。 基于上述原 因， 济宁二号煤矿技术人员经现场 考察并周密分析 ， 充分考虑了主通风机运行工况特 点 ， 提出对主通风机 P L C控制系统进行改造。经过 多方调研 以及矿方 P L C使用经验 ， 决定采用德 国西 门子 公 司的 s 7 3 0 0系列 P L C处理 器和通 讯模 块 C P 5 6 1 1 卡 ， 与研华 I P C 6 1 0 H工控机构成 D C S控制 系统 。 1 l 6 煤矿机 电 2 0 1 5年第1 期 1 系统方案设计原则 主通风机 P L C控制 系统 没汁方案充分利用 有资源和技术平俞 ， 本着节省投资 、 提高系统性能和 可靠性的设计 原则 ， 将主通J x l 机 c控制系统与风 机监测 系统融 为一 体， 即将主通』 x 【 机监测 系统 s 7 ． 2 0 0 P I C通过 P P I 通讯网络接入 O P C S e r v e r 。 根据主通风机控制任 务和一 r岂控制 求 ， 整体 结构采川德 同 S i e m e n s公 司 s 7 3 0 0系列 P 1 C处 器 C P U 3 1 3 C 一 2 D P 、 通讯模板 C P 5 6 1 l 卡 ， 与研华T控 机 I P C 6 1 0 H构成 D C S控制 系统 、整 个系统按 4层 结构和 3种 网络进行结构规划和系统配 ． 4层结 构 现场层 、 控制层 、 操作监控 层 、 生产管 层 ； 3种 网络 MP I 现场总线 、 P r o f i b u s D P现场总线 和工业 以 矿 调度 室 T C P ／ I P以太 网 太l 碉。 现场中央控制室J 二 位机作为操作员站兼T程师 站 O P C S e ne l ‘ ， 每俞主通风机设置一 P I Jc主站 采川 C P U 3 1 3 C ． 2 D P模块 ， 远 端 I ／ O 为 E F 2 0 0 M， 采 用 P r o f i b u s D P网络结构 ， 每 主通风机 没置一台 MT 6 l O 】 触摸 屏。操 作 员站 可提供 控 制 面流 程 图 、 设备控制的启停功能和系统重要参数记忆 ， 操作 界面及报警h 示 、 事故追忆 、 故 障诊断 、 报表打印等 功能 ， 为操作人员提供完善的 控手段。操作员站 兼做 r程师站， 并作 为 0 P C S e r v e r 通过 F C P ／ I P T 业以太网， 向， } 二 产管理系统主服 务器或授权客户端 实时提供主通风机控制系统和临测系统相关数据 济卞二号煤矿主通 机控制系统配置如 1 所示。 总 1 程师 企业信息 l l 心 l写 工程师 站 Il M o d b u s R T U 巍 S7 20 0 MP I 网络 主通风机性自 b I 、 i， i b u s ’ l 、一 目 络 I现 藤 变 送 器 嗍 络 I现 场 盛 送 器 盆 图 1 济宁二号煤矿主通风机 监控 系统 配置图 2 P L C控制系统组成与特点 主通风机 P L C控制系统采』 } J 德 同 S i e me n s 公司 的 P r o fi b u s 现场总线组建控制网络． ．主站 P I c选川 J 3 1 3 C 。 2 D P模块 ， D P分站采用 E q 2 0 0 M 主站控制柜 控制任务和对象分配包括高压 联 锁控制 、 劝磁桠 联锁控制 、 制动器控制 一次控制 同路 、 电动机 轴承温度 、 定子温度报警 与控制 等。通风机 P L C控 制系统 F } 1 主站控制柜 、 分站控制 、 通讯电缆和系统 控制软件组成。 主站 控 制 柜 面板 采用 M T 6 0 0 0触 摸 驿 ， 通 过 MP I 接 口与主站 P I c通 ， 作为系统画 面和设 备控 制 、 系统保护报警等。在主站控制柜面板 f 没置柯 监 测 主通风机启停按钮 、 急停按钮 和高压柜 分闸、 合闸 、 储 能 指示 灯 。 分站控制怔控制任务和对象分配主通风机稀油 站控制 、 实验』 x l 门控制 、 启闭风 门控制 、 喘振保护 、 主 通风机油位保护 、 主通 风机轴承温度报警与控制等 等 稀油泵站和实验风门一次控制 同路安设在分站 控制柜内。肩闭风 门一次同路使用现有控制 ， 系统 预留未来启闭风门变频控制扩展接 口。济宁二号煤 矿主通风机 P I C控制系统配置冈如同 2所示。 3 软件设计与编程说明 系统应用软件和程序仵系统安装前必须进行仿 真实验 ， 确保系统逻辑充分和设 备互锁功能完善， 尽 2 0 1 5年第 1 期 煤矿机 电 1 l 7 M P S 7 3 0 0 主站 触摸屏 图 2 主通风机 P L C控 制系统配置图 可能减少系统联机统调的时问和次数 ， 降低系统调 试J x l 险。具体编程设 汁说明如下 1 只有住主通风机 主电动机处于断电停机状 态下， 启闭风门 、 制动器等方可投入运行 启闭风门 和实验风 门具备正反转互锁功能 ， 当要改变运转方 向， 必须先将其停止运行后 ， 方可进行改变过程 ； 制 动器 “ 二 r 作” 状 态下， 按 下“ 紧急停机” 按钮 ， 主通 』 x 【 机断电后延时 3 I l l i n程序将 自动实施抱 闸制动。 2只有红 主通风机运行状态下稀油泵站 1 号 泵或 2号泵具有备I 1 J 功能 ， 转换开关处于备用位置 时， 稀油泵站 具有远 控功能 系统 工作 压 力 0 ． 3 5 MP a ， 系统T作压力m安全阀蒯节， 在运行 中南供油 L I J 力变送器控制 ， 保证系统的正常T作 ； 系统 丁作 时， 最高压 力0 ． 6 MP a ， 最低压力 0 ． 2 MP a ， 压力低于 0 ． 1 2 MP a时 ， 备用泵 自动投 入T作， 当供油压 力达 到0 ． 3 5 MP a时， 原备川泵 自动停车 ； 油站在启动前 ， 浦站油温低 于 2 5℃ ， 先开动加热器 ， 油温到 3 0℃ 时 ， 自动停止电加热器， 启动{ I { j 泵， 在主通风机正常 运行巾， 供油f I 5 口油温上升至 5 0℃时， 人T打开油 冷却器进水 阀门 ， 供油 出u温度降到 3 5 c C时 ， 人一 关闭冷却水阀 ； 当油泵启动后 ， 应使润滑油在供油系 统巾循环 3～ 5 m i n ， 再提供给主轴承润滑 ， 主通风机 停机后 ， 供油系统的延续 时间可根据主通风机 的运 动特性及现场情况决定 ； 油站双筒网式过滤器 ， 一筒 T作 ． 一筒备片 j ， 南压差发讯器控制 ， 当 差为 0 ． 1 MP a时报警 ， 不停机 由手动切换阀更换T作简 ； 油箱 油位发讯器在油位低时发出报警讯号 ， 廊及时人丁 加油 ， 油位过低时发f 故障报警信号 ， 强迫主通风机 停止运行 ； 稀油泵站T作时 ， 加热器方可投入运行。 通风机稀油站 验风 门 闭风 门 振保护 通风机油位保护 3 当主通风机房动逻辑条件充分时方可启动； “ 风门” 、 “ 实验” 方式下 ， 主通J x I 机电动机上 电启动 联锁条件 见表 l 。 表 1 启动联锁条件表 4 主通风机保护故障时， 电铃报警且信号指示 等变为黄色并闪烁 ， 报警消除后指示灯停止闪烁 ， 只 有该故障排除后故障指示灯 自动熄灭 ； 若在该故障 未排除之前义出现新故障， 此时电铃报警 ， 所有术排 除故障指示灯 闪烁 。主通风 机轴 承超温报警 ≥8 0 ℃， 电铃报警 ； 轴承超温跳 闸≥9 0 q C， 电铃报警 ， 主 通风机跳闸停机 只有在“ 提风 ” 状态下 ， 喘振保护 投入 ， 喘振故障 l叶 I 现时， 在规定时间 3 6 s内故障木 消除 ， 电铃报警 ， 主通风机跳闸停机 ； 为 自检系统 外 同故障， 系统控制设备均设有运行返 回检测 ， 在规定 时问内系统未接受到设备运行返同信号 ， 电铃报警 ； P C上电时， 稀油泵站油站油压低指示灯亮 黄色 ， 该情况为非故障， 只有稀油泵站 处于运行状态下． 油 站油压低故障时指示灯闪烁。 下转第 1 1 9页 2 0 1 5年第1 期 煤矿机电 1 1 9 立即抱闸停车， 避免事故扩大， 确保了安全。 一 ’．注 5 搿 ＼ ．J J 亩 } 、 ，壤 凝 一 矿 井 提 升 机 尾 绳自 动 报 警 停 车 装 置 结 构 简 单， 鲎 } 国 l 问 ． 投 资 成 本 小 ，硬 件 部 分 可 利 用 现 有 尾 绳 保 护 装 置 隔 日 黼 分绳木 布置 ， 软件及二次接线直接与原有提升信 。 号系统的急停信号并接 ， 不需重新敷设井筒控制电 l l 4 ／ 缆 。 该 保 护 装 置 在 芦 岭 煤 矿 新 副 井 安 装 使 用 ， ‘n ,Tfi f 一 效 地 避 免 因 尾 绳 缠 绕 、杂物绞绳等引起的重大故障， ” 。 。。 。 。 。。 。} 嚣 眦f 日J J J Ar -／ I ， J、 L u 工l 上， J ； 广平世，J ～～ ～～ 。 ～ 且 ， 市 目正 午 士 如信立、 生r佟 坦， 卜 上接第 1 1 7页 5 矿井主通风机设置为一用一备 ， 备用机必须 时刻处于热备状态 。在 系统安装过程 中无法热备 ， 必须采用非常规技术措施确保备用机适时保证启动 运行 。为保证上述要求 ， 系统软件设计根据安装进 度分阶段设计主站程序 、 分站程序。 1 安装初级阶段系统程序仅对设备实施启停 控制 ， 剔除系统保护和主通风机启动联锁功能 ； 主站 程序和分站程序分别编程 ， 分站加装 C U P模块 。 2 安装 中级阶段系统程序仅对设备实施启停 控制 ， 剔除系统保护和主通风机启动联锁功能 ； 分站 与主站形成 P r o fi b u s D P网络。 3 安装收尾阶段 下装联机统调系统程序 。 4新系统控制柜效果分析 1 主通风机 P L C控制柜采用西门子 s 7 3 0 0的 3 1 3 C 一 2 D P模块作 为控制 C P U单元 ， 主站控 制柜与 分站控制柜采用 P r o fi b u s D P控制 网络 ； 建立 主通风 机控制层控制 网络 ， 为未来 系统升级 、 扩展提供 便 利。 2 现场采用 的西门子 s 7 ． 3 0 0模块能与矿井其 它系统 如提 升系统 ， 压风系统 ， 运输 系统 互 为备 用模块 ， 确保 了安全生产以及设备配件的完整性 ， 也 节省了煤矿控制系统备件的开支 。 3 改造设计 中还增加触摸屏远程网络控制功 能， 可实现就地／ 远程／ 上位控制功能 ， 成为分布式控 制 D C S系统 ， 使 系统能 以最快 方式启动 ， 减少 主 通风机停机开机恢复时间 ， 大大降低了事故概率。 5结语 济宁二号煤矿主通风机 P L C控制系统的改造， 使得主通风机采用 D C S分布控制系统 ， 可以采用上 位控制 、 就地控制以及远程控制多种控制方式 ， 实现 了主通风机系统相关设备程序化控制 ， 远程操控采 用触摸屏或上位控制 ， 使系统操作更加快捷迅速 ； 系 统还具备启动联锁 、 保护联锁 、 系统保护 、 故障声光 报警等功能 ， 大大提高了主通风机安全性 ； 主通风机 P L C单元和温度巡检仪接人了主通风机 O P C S e r v e r 信息化平 台 ， 实现 了数据实时上传 ， 信息 的同步 化 。 参 考文献 [ 1 ] 宋超 ， 申飞 ， 沈春山．基于 s 7 3 0 0 P L C与 Wi n C C的 D C S控制实 验系统设计 [ J ] ．自动化与仪器仪 表， 2 0 0 9 4 l 】 - 1 4 ． [ 2 ] 席英杰 ， 刘文丽．简述西 门子 s 7 3 0 0 ／ 4 0 0的通讯功 能及 T业 应用[ J ] ．自动化与仪表 ， 2 0 0 7 1 3 7 - 4 0 ． [ 3 ] 马健 ， 韩晓华 ， 黄绪平 ， 等 ．P c上位机与 7 - 3 0 0系列 P L C进行 通讯 的研究 [ J ] ．制造技术与机 床， 2 0 1 1 3 1 6 9 1 7 2 ． [ 4] 孙淑惠 ， 王辰．s 7 - 3 0 0 P L C模拟量 模块 编程与应用 [ J ] ．机 床 电器 ， 2 0 1 1 2 3 O - 3 2， 3 4 ． [ 5] 赵阳．西门子 s 7 3 0 0 P L C及工控组 态软件 Win C C的应用 [ J ] ． 可编程控制器 与工厂 自动化 ， 2 0 0 6 1 0 4 6 - 4 8 ． [ 6 ] 马文惠 ， 范永泰 ， 陈会 明．基 于 P L C 7 - 3 0 0的煤 矿风机实 时监 控系统开发 [ J ] ．煤炭技术 ， 2 0 1 3 2 2 3 - 2 5 ． [ 7 ] 姬 剑波 ．基于 S 7 - 3 0 0 P L C的主扇 风机 分布 式 自动 监控 系统 『 J ] ．煤矿机械 ， 2 0 1 3 2 2 1 7 - 2 1 9 ． 作者简介 王亍 1 9 8 6 一 ， 男， 助理工程师。2 0 0 9年毕业于青岛农 业大 学， 现在煤矿从事技术工作。 收稿 13期 2 0 1 40 9 0 3 ； 责任编辑 姚克