矿井通风机不停风自动倒机智能监控系统设计.pdf

煤炭工程 2 0 1 3年第 5期 do i 1 0 ．1 1 7 9 9 ／ e e 2 01 3 05 0 4 4 矿井通风机不停风 自动倒机智能监控系统设计 徐善永，黄友锐，曲立国，龚大伟 安徽理工大学 电气与信息工程学院，安徽 淮南2 3 2 0 0 1 摘要 针对 目前通风机的倒机方式存在的弊端 ，设计以 s 7～3 0 0 P L C为控制核心的通风机 不停风 自动倒机智能监控 系统 。该 系统可以对通风机各项参数进行 实时监视，还可以由 P L C引 导 自动完成通风机倒机过程 ，提高了矿井通风的安全性。实际应用表明，该设计方案有效地解决 了通风机倒机时带来的瓦斯超限等安全隐患问题 。 关键词 智 能监控 ；矿 井通风机 ；P L C；O P C协议 中图分类号 T D 4 4 1 文献标识码 B 文章编号 1 6 7 1 0 9 5 9 2 0 1 3 0 5 - 0 1 3 2 - 0 3 De s i g n o n I n t e l l i g e n t M o ni t o r i ng a n d Co n t r o l S y s t e m o f Au t o ma tic Re v e r s i n g wi t h o u t S t o p pi n g Ve n til a tio n o f M i n e Ve n til a t o r X U S h a n y o n g ，H U A N G Y o u r u i ，Q U L i g u o ，G O N G D a w e i S c h o o l o f E l e c t ri c a n d I n f o r m a t i o n E n g i n e e ri n g ，A n h u i U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ，Hu a i n a n 2 3 2 0 0 1 ，C h i n a Ab s t r a c t Ac c o r d i n g t o t h e d i s a d v a n t a g e s e x i s t e d i n t h e r e v e r s i n g wa y o f t h e p r e s e n t v e n t i l a t o r ， a i n t e l l i g e nt mo n i t o r i n g a n d c o n t r o l s y s t e m o f a n a u t o ma t i c r e v e r s i n g w i t h o u t s t o p p i n g v e n t i l a t i o n o f t h e v e n t i l a t o r wa s d e s i g n e d wi t h s 73 0 0 P L C a s t h e c o n t r o l k e y ． T h e s y s t e m c o u l d h a v e a r e a l t i me mo n i t o r i n g o n e a c h p a r a me t e r o f t h e v e n t i l a t o r ． T h e P L C c o u l d b e a p p l i e d t o g u i d e t h e a u t o ma t i c c o mp l e t e d r e v e r s i n g p r o c e s s o f t h e v e n t i l a t o r a n d t h e mi n e v e n t i l a t i o n s a f e t y c o u l d b e i mp r o v e d ． T h e a c t u a l a p p l i c a t i o n s h o we d t h a t t h e d e s i g n p l a n c o u l d e f f e c t i v e l y s o l v e t h e g a s c o n t e n t o v e r l i mi t a n d o t h e r s afe t y d a n g e r s o c c u r r e d b y t h e r e v e r s i n g o f t h e v e n t i l a t o r ． Ke ywo r dsi n t e l l i g e nt mo ni t o r i n g a n d c on t r o l ；mi n e v e n t i l a t o r ； P LC； OPC p r o t o c o l 在煤矿开采 的过程 中，瓦 斯积 聚和瓦斯 超限是 煤矿安 全开采的重大隐患，矿井通风是防治瓦斯的重要措施。以 往的矿井通风机的倒机方式，存在短暂的停风状态 煤矿 安全规程规定在 1 0 m i n内备用通风机必须开动 。但即使 只有 2～ 3 m i n ，也可能 造成 井下 多处工 作 面 的瓦斯 浓度 超 限，给煤矿安全生产带来隐患。针对通风机的倒机方式存 在的弊端 ，本文提 出 了一 种基 于 s 7 3 0 0 P L C为控 制核 心 的通风机的不停风自动倒机智能控制系统。该系统采用热 备用方法 实现对通 风机 的不停风倒 机 ，对通 风机风 量、负 压、温度和电机电参数实时监测，并在设备异常时迅速输 出报警 ，运行 风机一 旦发生异 常 ，可 以由 P L C引导 自动完 成倒机过程，解决通风机倒机停风时带来的瓦斯超限等安 全隐患问题。 1 系统的设计方案 系统的结构框图如图 1所示 ，以 s 73 0 0 P L C为控制 核心，结合其它模拟量和数字量输入输 出模块 ，实现对通 风机风量、负压、温度和电机电参数的监测，并在设备异 常时迅速输出报警，以及对通风机的不停风 自动倒机智能 控制，采用 S T E P 7 一V 5 4 一S P 3 一C H来实现矿井通风机不停 风 自动倒机系统 的 P L C软件设计 ；上位 机采用 V C进 行界 面开发 ，使用 O P C协议实现 s 7 3 0 0 P L C与上位机的通信， 实现 了 P L C采集 的数据通 过工业 以太 网上传 至监 控 主机 ， 监控 主机也可通过组 态软件 画面查询 现场情 况及 时给予合 理方案 ，实现测量、监管和调度一体化。 2 系统的硬件设计 矿井通 风机 的不停 风 自动倒 机智 能监控 系统硬 件 由 1 个 P L C s 7 3 0 0 C P U 2 2 4模块 、1个 P S 3 0 5电源模块 、1 个 S M 3 2 1 数字 输 入模 块 、1个 S M 3 2 2数 字 输 出模 块 、1个 S M3 3 1型模拟量 I ／ O模块、6个 A 1 1 F V1 1型信号调理模块、 2个电量变送器模块 S 1 1 0 6 I 型电流转换模块和 S 1 1 0 6 V型 电压转换模块 、2个 C P 3 4 0型串行通信模块和若干个传感 器 风流压力传感器，温度传感器，风 门开闭状态传感器 收稿 日期 2 0 1 21 2 2 7 作者简介徐善永 1 9 8 3一 ，男 ，安徽蚌埠人，助理实验师，研究生，主要从事智能信号处理研究。 1 3 2 2 0 1 3年第 5期 煤炭工程 l 风 状态 _敛 字 『 电机状态 量 入 模 l 配 电 柜 状 态 模 謦 输 块 _一 块 入 数 蒺 J 风 控 制 字 量 电机控制 输 出 报警 信 息 模 凰 块 风机监控主机 图 1系统原理框 图 等 组成。主要功能是①对通风机各项参数进行实时检 测；②对通风机的不停风倒机进行控制。 2 ． 1 系统 的参数 测定 对矿井通风机 运行 时 的各 种数 据进行 实 时检测 ，可 以 有效的降低煤矿生产的安全隐患，是煤矿安全生产的重要 举措。该智能监控系统可以对通风机的风量、负压、温度 和电机的电压、电流进行 自动检测并上传至风机监控主机。 1 通风机负压的测定。通风机的负压是在矿井通风过 程中，通风机为克服风流途中的各种阻力而消耗 的压力， 包括静压和动压两部分。利用 G F 5 F A 型风流压力传感器 进行检测。G F 5 F A 型风流压力传感器的主要技术参数如 下 测量范 围为 一 5～ O k P a ；测 量误差为 ≤ 1 ％F ． S ；输 出 信号为2 0 01 0 0 O H z ；工作电压为 9～ 2 4 V D C。 2 通风机的风量的测定。 通风机的风量为单位时间内 通风机中空气 的流通量，即风速与通风机截面积的乘积。 利用 K G F 1 5型风速传感器测定通风机内的风速 ，即可测定 通风机的风量。K G F 1 5型风速传感器的主要技术参数如下 测量范围为0 ． 31 5 m ／ s ；基本误差为≤ 0 ． 3 ％ ；输出信号 为 2 0 0～l O 0 0 H z ；工作电压为 9～ 2 4 V D C 。 3 通风机电机温度的测定。利用 G WS 0 A 型温度传 感器进行检测 ，G W5 0 A 型温度传感器的主要技术参数如 下测量范围为05 0 ℃；基本误差为 0 ． 5 ℃；输出信号 为2 0 0～l O 0 0 H z ；工作电压为 9 2 4 V D C。 2 ． 2 不停风 倒机 的风 门 系统 该 系统的不停 风倒 机风 门系统 主要 由多个 功能 风 门组 成，如图2所示。在通风机倒机过程中，风压差较大，风 门受力大 ，运行不灵活，容易出现风门拉不到位或拉过等 问题。为解决倒机过程中出现的上述问题，该系统采用 自 闭式旋叶风门作为主通风机的调节风门。 自闭式旋叶风门 具有 自动化程度高、切换速度快和受力均匀、开闭灵活的 特点 ，可以有效的解决风门运行阻力大等问题。同时采用 百叶窗式对空风门，可以有效降低风门压力，保证倒机的 顺利完成 。 2 ． 3不停风倒 机 的流 程 该系统通风机的不停风 自动倒机通过热备用的方式分 为自动和手动两种方式 ，P L C控制模块根据风门开闭状态 图 2 不停风倒机的风门系统图 传感器、风流压力传感器实时采集数据，利用 P L C控制模 块控制电机实时运行，来实现 1 、2 通风机的不停风 自动 倒机 。 假定 1 风机正在运行 2 前导器开启到位 I 萎 H H H委 H l 前导器关闭到位 图 3 不停风 自动倒机流程 图 倒机的流程如图 3所示，假定 1 风机正在运行，首先 打开 2 对空风门 ，开启 2 前导器和 2 风机 ，此 时 2 风机处 于对空短路状态 ，实现开机前的热备用。等到2 风机完全 开启 时间约4 5 s ，打开 l 对空风门同时关闭 l 自闭式旋 叶风门，使 l 风机处于对空短路状态。然后打开 2 自闭式 旋叶风门，关闭2 对空风门，使 2 风机过渡到正常的井下 通风状态。最后 ，关 1 风机，关 1 前导器，关 1 对空风 门 ，倒 机 过 程 完 成 。 利 用 开 闭 状 态 传 感 器 型 号 G F K 4 0 T Z 检测风门是否打开到位，然后 P L C利用风流压力 传感器 型号G F 5 F A 型 ，控制开启风机前导器和 自闭 式旋叶风门 P L C通过检测风流压力的大小，来控制前导器 和自闭式旋叶风门的开启角度 ，来达到控制风量大小。 3 系统的软件设计 矿 井通 风 机 的不 停 风 自动 倒 机 智 能 监控 系统 软 件 由 s 7 3 0 0 P L C控制软件 和基于 O P C协议 的 H MI 系统上位监 控软件两部分构成。 3 ． 1 P L C控 制软件 该风机 的不停风 自动倒机 智能监 控系统 软件采 用 s T E P 7 一 V5 4 一 s P 3 一C H编程，由用户编写子程序模块，主 要完成对电机的起停控制、风门的开闭、报警信号输出等。 控制模式分为 自动和手动两种模式 ，自动模式是由监控计 算机发出控制指令，然后通过 P L C内部的逻辑程序来实现 对风机的控制，而手动控制模式则是在通过风机旁的控制 箱手动直接控制。控制模式转换由风机监控机柜上的转换 开关进行切换。 1 3 3 煤炭工程 2 0 1 3年第 5期 两种控制模式之间有互锁关系，当系统处于手动控制 模式时，P L C控制功能被封锁，监控主机将失去对风机的 控制。但报警输出没有互锁关系，系统运行时可以提供实 时报警输出。P L C软件设计流程图如图4所示，它显示一 个循环周期的程序执行情况。 图 4 P L C工作流程图 3 ． 2 基 于 O P C协议 的 H MI系统 该风机的不停风自动倒机智能监控系统利用可视化的、 面向对象和采用事件驱动方式的结构化高级程序设计语言， 即 V i s u a l C 简称 v c ，在基于 O P C传输协议的基础 上 了设计开发 了一 套界 面友好 、功 能全面 的风机监 控的上 位机软件系统，该监控管理软件系统原理框图如图5所示。 图 5 监控管理软件系统 原理框 图 该风机智能监控软件系统是以计算机 该系统中使用的 上接第 1 3 l页 信息资源共享，对煤炭企业的安全生产、文明生产、科学 生产具有重要的意义。 参考文献 [ 1 ] 王振平．矿井通风 、排水 及压风设备 [ M] ．徐州 中国矿 业大学 出版社 ，2 0 0 8 ． [ 2 ] 苏鹏声，王欢．电力系统设备状态监测与故 障诊断技术分 析 [ J ] ． 电力系统 自动化 ，2 0 0 3，2 7 1 6 1～ 6 5 - l 3 4 是研华的工控机 为基础的画面组态，通过监控软件风机操 作员可以对现场的风机系统的运行设备进行监测和控制， 以实现数据采集、设备控制、测量参数调节、报表生成、 趋势曲线生成、报警输出和不停风倒机等各项功能。在主 界面中，通过对风机智能监控系统的模拟动画显示，动态 显示一些关键工作部位的工作状态。 4结语 基于 s 7～ 3 0 0 P L C的矿井通风机的不停风自动倒机智 能监控系统 已经在 煤矿成 功应用 ，取得 了很好 的效果 。现 场应用表明，该系统能够准确地完成预定的倒机任务，通 风机 自动倒机过程 只需 4 5 s ，风量波动 的最低点可 以维持 正 常情况下的 3 5 ％ ，风量波动时间为4 0 s ，能够保证不停 风倒 机过程的安全运 行 ，解决 了风机倒 机过程 中停风所 造成 的 瓦斯超限等安全隐患问题。而且能够实时准确地实现数据 采集、设备控制、参数测量调节、报表生成、趋势曲线生 成、报警输出等功能，从而能够及时反馈工作面出现的问 题，使矿井通风系统安全性得到进一步提高。 参考文献 [ 1 ] 闵磊 ，陈燎原 ，王磊 ，等．P L C控制与组态技术在矿用 通风机监控系统 中的应 用【 j ] ．煤 矿机械 ，2 0 1 2 ，3 3 2 1 9 9 ～2 0 0 ． [ 2] 商景泰．通风机实用技术手册 [ M] ．北京 机械工业 出版 社 ，2 0 0 5 ． [ 3 ] 胡建．西门子 s 73 0 0 P L C应 用教程 [ M] ．北 京机械 工业 出版社 ，2 0 0 7 ． [ 4] 刘翔．煤矿风机工作状态监 控软件设 计 [ D] ．北 京 北 京交通大学 ，2 0 0 8 ． [ 5 ] 焦晓宇，马小平，邹孝付．基于 s 7 3 0 0 P L C的矿井通风机 不停风 自动倒机 系统设计 [ J ] ．工矿 自动化 ，2 0 1 1 ， 1 0 76～7 8． [ 6 ] 徐维维 ，胡亚非 ，李解．基于 s 73 0 0和 Wi n c c的矿井通 风机监 测监 控系 统 [ J ] ．煤 矿安 全，2 0 1 1 ，4 2 7 8 6 8 8 ． [ 7] 吴新忠 ，马小平 ，任子晖 ，等．基于热备用的煤矿通风机倒 机关键技术研 究 [ J ] ．仪器 仪表 学报 ，2 0 0 9 S 1 7 6 0～ 7 6 2 ． 责任编辑赵巧芝 [ 3 ] 刘晓华．基 于 G P R S无线 数据 采集及 短消息报 警 系统 设计 [ J ] ．重庆文理学院学报 ；自然科 学版 ，2 0 1 1 ，6 2 6 l一 6 7． [ 4 ] 吴锋 ，李成铁 ，等．基于 WE B技术 的远程 监测系统 的研 究 [ J ] ．仪器仪表报 ，2 0 0 5 ， 8 2 4 2 4 5 [ 5] 康 日霞 ，付胜 ，李海涛 ，等．矿用大型固定设备安全运行 远程监测系统开发 [ J ] ．矿山机械 ，2 0 0 7 ， 5 1 0～1 1 ． 责任编辑赵巧芝