矿井通风机的DCS监控系统设计(1).pdf

第 3 4卷 第 6期 Vo1 ． 34 NO．6 新 乡学院学报 J o u r n a l o f Xi n x i a n g Un i v e r s i t y 2 0l 7年 6月 J u n ． 2 01 7 矿井通风机的 D C S监控系统设计 王愈凌 新 乡职业技术学院 机电工程 系， 河南 新 乡 4 5 3 0 0 6 摘要 矿井通风机的 D C S二级监控 系统 由P L C 、 变频器、 触摸屏 、 风量传感器、 工控机等组成。P L C作为现场控制器， 根 据触摸屏 中的风量给定与风量传感器的反馈 ． 经 P I D运算调节变频 器的转速 ， 实现风机的恒风量 自动控制。工控机作为 上 位机 ， 与 P L C构 成 DC S二 级监 控 系统 ， 实现 远 程监 控 。 关键词 D C S ； P L C； 高压变频器； 监控 系统 中图分类号 T P 3 9 1 文献标识码 A 文章编号 2 0 9 5 7 7 2 6 2 0 1 7 0 6 0 0 6 4 - 0 4 当矿井风 阻发生 变化时 ，通风机输 出风量会 随之 发生变化 ，为了满足恒风量控制的要求 ，传统的方法 是 用改变档板开度调节 风量 ， 或通过改变风机 叶片安 装角度调节风量。 有些系统虽然采用了变频调速 ， 但只 限于手动调节 ， 不能实现恒风量 自动调节。 D C S监控系 统利用 P L C所具有的 P I D自动调节功能， 能够实现风 机恒风量 自动控制。 1 系统构成 该系统采 用二级分布式 的 D C S结构 。系统 由 P L C 、 高压变频器 、 触摸屏、 多种传感器和工控机组成。 系统的组成框图如图 1 所示。 图 1 控制 系统框 图 图 1中变频器为高压变频器，是可控高压变频电 源 ， 用 以对 电动机进行 变频 调速 。 C P U 2 2 6 C N 为 S i e m e n s 公 司 S 7 2 0 0系列 P L C中 的一种， 用于控制变频器的运行。 P L C是系统的控制核 心和数据汇集中心 ． P L C通过 s 7 2 0 0的 P R O F I B U S D P网络接 口，与上位 机 的 C P 5 6 1 1卡相连 ，构成 P r o fi b u s D P总线 系统[ 。 触摸屏作为 P L C的人机界面， 通过 P L C对现场参 量进行监测 、 控制 ； 触摸屏负责现场信号的显示及风机 的启停控制等主令给定。 检测装置包括多种传感器和电气参数检测模块。 传感器包括通风机风量传感器、 C H 传感器 、 粉尘传感 器 、 温度传感器等。电气参数检测模块采用 E D A 9 0 3 3 模块 ， 用以检测电机的电流 、 电压 、 功率及功率因数等 电气参数 。 通过 M O D B U S R T U协议与 P L C进行通信， 通过触摸屏和上位机的组态界面进行显示。 l丁控 机通 过组态软件编制组态界 面 ，对下 可 以监 控现场风机的各种参量， 对上可以组成以太网， 和管理 计算机进行通信[ 2 ] 。 2 系统控制要求 1 风机恒风量运行 。 2 两台风机的控制系统相 互独立 ， 一备一用。 3 触摸屏可对风机进行现场操作 和参数显示 ； 分页显示 l 、 2 通风机T艺流程 ， 高低 压配电系统简图和各设备运行状态 ； 对主要参数进行 实时曲线显示和历史曲线显示 ；自动生成生产报表。 4 中控室可以对风机进行操作和显示。 5 系统可以 实现_T频／ 变频切换、 手动／ 自动_T作方式切换。 6 可以 对风机故障和 C H 超标进行 G S M报警。 7 通过高速 以太网将矿井通风机的工况实时传送给矿井调度中心 或机电设备管理服务器。 3 系统控制方案 3 ． 1 恒风量控制 利用 P L C自身的 P I D调节功能实现通风机风量 收稿 日期 2 0 1 7 0 2 2 1 作者简介 王愈 凌 1 9 7 1 一 ， 女 ， 河南新 乡人 ， 助理 实验师 ， 研 究方向 自动控制。 王愈 凌矿井通风机 的 DCS监控 系统设计 6 5 的 自动控制。 风量传感器采集通风机出口风量 ， 作为风 量 P I D控制的反馈量 D ／ A转换器负责将 P I D的输出 数字量转换成标准的模拟量信号去控制变频器的输出 频率； 风量给定由触摸屏的数值输入功能进行给定 ． 这 样可以节省模拟量给定所需要的 A ／ D转换器。反馈量 由风量传感器经 A ／ D转换器输入到 P L C中， P I D的输 出经 D ／ A转换器输出送给变频器， 作为变频调速的模 拟控制量， P I D的参数可以根据需要整定。 恒风量控制 的原 理图如图 2所示 。 图 2风 量 PI D控 制 原 理 图 3 ． 2工作方式切换 1 手动／ 自动切换。在变频工作方式中可以选择 手动和自动工作方式， 手动方式为变频器面板操作， 自 动变频方式为恒风量 P I D调节方式 ，这两种方式的切 换可以通过变频器参数设置实现。 2 T频／ 变频切换。通过高压断路器进行工频和 变频 的切换 。 3 ． 3 GS M 短信智能报警装置 短信智能报警装置可以由 P L C和 G S M配合完成 或者由集成式的 G S M报警装置完成。 智能报警装置可 以对现场事故信号 如 C H 浓度超标 、 通风机故障等 进行短信报警 ． 作为监控系统的后备保护。 4 系统设计 4 ． 1 设 备选型 1 P L C 。选用西 门子 C P U 2 2 6 C N、 A C ／ D C ／ R E L A Y。 C P U 2 2 6 C N有 2 4个开关量输入、 1 6个开关量输出和 2 个通信编程口P o r t O 、 P o r t l ， 配以 P r o fi b u s D P的通信模 块 E M2 7 7 ．可以与上位机组成 P R O F I B U S D P网络 。 C P U 2 2 6最多可连接 7 个扩展模块。连接时 C P U模块 放在最左侧，扩展模块用扁平电缆与 C P U模块相连。 s 7 2 0 0的扩展模块包括数字量扩展模块 、 模拟量扩展 模块、热电偶和热电阻扩展模块、 P R O F I B U S D P通信 模块。s 7 2 0 0只能设置为从站， 通过 E M 2 7 7左上方的 两个拨码开关可以设置 E M 2 7 7在网络中的物理站地 址． 在组态软件中组态 E M2 7 7 站地址时必须与拨码开 关设定的地址一致。 2 变频器。 选用 I D r i v e 高压变频器。 变频器参数 功 率2 0 0 0 k W， 输入频率 5 0 H z ， 输入电压 6 ．0 x h ．2 0 ％ k V， 频率分辩率 0 ． 0 l H z ， 网侧功率因数 0 ． 9 5 高速时 ， 防 护等级 I P 2 0 。 3 触摸屏。 选用 T P 2 7 7 6 西门子触摸屏。 T P 2 7 7 6是紧凑型的高性能触摸屏。它采用 5 ． 7 i n 、 2 5 6色 T F T 触摸屏 ， 有 R S 一 4 2 2 ／ 4 8 5 、 U S B 、 P R O F I N E 以太网接口、 M MC存储卡插槽和软件实时时钟 ， 支持位图、 图标、 背 景图画和矢量图对象 ， 可使用棒图和趋势图， 报警缓存 器有断电保持功能 ， 可使用脚本和数据归档功能。 4 模拟量扩展模块。选用与 S 7 2 0 0 P L C相适应 的模拟量输出扩大模块， 可以将 P L C输出的数字量转 换为标准 的模拟量输 出[ 3 ] 。 5 电气参数检测装置。 电气参数是指配套电机的 负载和空载的电流和电压 、 励磁电流和电压 、 功率 、 功 率因数等。 电量参数检测采用 E D A 9 0 3 3电量参数检测 模块。该模块采用电磁隔离和光电隔离技术 、电压输 入、电流输入和输出三方完全隔离。P L C通过 C P 3 4 1 通信模块按照 M O D B U S R T U协议与 E D A 9 0 3 3进行 通信， 以获得所需电气参数。 6 G S M智能报警装置。G S M报警器是基于第二 代移动通信技术并采用高性能的 G S M工业模块 ， 发生 警情时可 自动拨打预设的电话号码 ， 并发送中、 英文短 信， 通过短信内容识别故障或事故情况。 可以采用集成 的智能报警装置 ，也可以由P L C通过串行通信控制 G S M模块， 实现短信报警和控制功能。 4 ． 2 连接 C P U 2 2 6 C N有两个 串口 P o r t O和 P o r t l 。P o r t O口 连接触 摸屏 R S 4 8 5口 ， P o r t l口连接 电气 参数检 测 模块的 R S 4 8 5串 口， 通过 E M2 7 7扩展模块和 R S 4 8 5 总线连接器 ， 可将 S 7 2 0 0 C P U作为 D P从站连接到 工控机 的 C P 5 6 1 1 卡上 。变频器 的开关量接线端连 接 到 P L C的 开 关 量 输 出 端 ，用 以对 变 频 器 进 行 启 停 、 正反控制 ； 风量传感器 、 温度传感器 、 粉尘传感 器 、 C H 传感器等与 E M2 3 5连接 ；变频器 的模拟量 输入端连接 E M2 3 5的输 出端 ，实现系统 的 P I D恒 风量控制[ 。 6 6 新 乡学院学报 4 ． 3 P L C程序设计 1 恒风 量控制 的 P I D程序 s 7 2 0 0的 P I D控制程序可 以通过指令向导 自动 生成。步骤如下 ①打开编程软件 ， 选择工具菜单指令 向导 ， 选择 P I D ； ②确认编译项目并使用符号编址 ； ③指 定 P I D指令的编号 ④设定 P I D调节的基本参数； ⑤输 人输出参数 的设定 ⑥输出警报参数 的设定 ； ⑦设定 P I D的控制参数 ⑧设定 P I D控制子程序和中断程序的 名称 ， 并选择是否增加 P I D的手动控制 ⑨在 P L C程序 中可以通过调用 P I D运算子程序， 实现 P I D控制 ] 。 2 模拟量处理程序 s 7 2 0 0的模拟量输入电路是将外部输入的模拟 量信号转换成 1 个字长的数字量存人模拟量输入映像 寄存器区，区域标志符为 A I 。模拟量输出电路是将 1 个字长的输出映像寄存器区的数字量转换成标准的模 拟量输出， 区域标志符为 A Q 。 在 P L C内的数字量字长为 l 6 b i t ， 即 2 B y t e ， 其地 址均 以偶数 表示 。 如 A I W0 、 A I W2 ⋯⋯。 对模拟量输入／ 输出是以 2 个字为单位分配地址 的， 没有被使用的字 ， 不可被 占用或分配给后续模块。 对这些缓冲区数字量的处理可以用 P L C的传送指令 实现 3 电气参量检测模块的 Mo d b u s R T U通信程序 首先安装 s 7 2 0 0 M o d b u s R T U主站指令库 然后 调用 M o d b u s R T U主站初始化和控制子程序 ， 使用 S M0 ． 0调用 MB US C T R L完成主站的初始化 ，并启动 其功能控制 ，再调用 Mo d b u s R T U主站读写子程序 MBUS MS G。通过参数设置开关 量和模拟量 的读 写缓 冲区进行通信 。 建立通信区对应关系。 4 C H 、 粉尘等超标的声光报警程序 这些程序可以用 s 7 2 0 0的基本指令和 比较指令 编写 。 4 ． 4 组态界面 设计 组态软件选择力控 6 ． 0组态软件。 设计步骤如下 1 打开“ 工程管理器” ， 单击“ 新建” 菜单项 ， 建立新工 程项 目。 2 点击“ 工程管理器” 的开发选项 ， 进行系统 开发 。 3 在工程项 目中点击 I ／ O设备组态 ， 选择 P L C 中的 s 7 2 0 0 MP I ； 通信方式选择串口， M P I 地址选择 1 或 2 。 4 在数据库组态中， 建立工程所需要的点变量 或数值变量 ， 数据库中变量是建立 P L C和组态界面元 件联络的节点， 是组态设计的核心部分。 5 窗口是人 机界面部分。 本系统可以建立启动窗口、 控制系统运行 管理窗 口、 参数显示窗口、 数据实时趋势窗口、 数据历 史报表和报警窗口等， 窗口间可以进行切换。 4 ． 5 触摸屏界面设计 触摸屏组态软件为 Wi n C C fl e x i b l e 。设计步骤如 下 1 打开软件， 建立新项 目， 在出现的设备选择对话 框中选择触摸屏的型号。 2 建立连接。 点击项 目视图 的“ 通信” ， 选择和触摸屏相连的 P L C的型号 ， 这里选 S 7 2 0 0 P L C 。 3 变量 的生成 与组态 。变量分 内部变量 和外部变量 ， 外部变量是人机界面和 P L C进行数据交 换的桥梁 变量可以通过变量编辑器进行创建和编辑。 4 画面的生成与组态。画面为触摸屏的界面， 组态即 设计界面， 将各种元件和对象组织在界面中。 本系统所 需设计 的画面与工 控机 中的组态 画面 内容基本 相 同 ， 也包括启动界面 、 系统 的运行和管理界 面 、 参量显示 画 面、 数据实时趋势窗口、 数据历史报表和报警窗口等 ， 界 面间可以进 行切换 。 5 结束语 本控制系统能够满足矿井通风机对监控功能的要 求 ， 也可与管理层级的计算机进行网络通信。P l J C、 变 频器、 触摸屏 、 工控机之间均采用串行通信 ， 使得控制 系统更为简洁、 快速、 可靠。 采用 P L C的 P I D功能进行 风量的自动控制， 有效保证了矿井的通风量。 参考文献 [ 1 ] 孙平． 可编程控制器原理及应用[ M] ． 北京 高等教育出 版 社 ． 2 0 0 8 1 4 5 1 4 7 ． [ 2 ] 田淑珍． s 7 2 0 0 P L C原理及应用[ M] ． 北京 机械工业出 版 社 ． 2 0 1 4 7 8 7 9 ． [ 3 ] 吉顺平． 西门子 P L C与工业网络技术[ M] ． 北京 机械工 业 出版 社 ． 2 0 0 8 5 6 5 9 ． [ 4 ] 张振 国． 工厂电气与 P L C控制技术[ M] ． 北京 机械工业 出版 社 ． 2 0 1 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i t h P I D o p e r a t i o n t o a d j u s t t h e i n v e r t e r s p e e d ， t h e c o n s t a n t a i r v o l u m e a u t o m a t i c c o n t r o l o f t h e f a n wa s a c h i e v e d ． I P C a s t h e h o s t c o mp u t e r ， a n d P L C c o n s t i t u t e a DC S t w o mo n i t o r i n g s y s t e m， r e mo t e mo n i t o ri n g ． Ke y wo r d s DC S ； P L C ； h i g h - v o l t a g ee q u e n c y c o n v e rt e r ； mo n i t o ri n g s y s t e m 上接第 5 5页 De s i g n o f a M u l t i f u nc t i o n a l M e c ha n i c a l Pr i nc i p l e De mo n s t r a t i o n Bo x Ba s e d o n M e c h a n i c a l Pr i n c i p l e Co p u r s e W ANG Yu q i n ， Hue Xi n wa n g ， HE Co n g ， W ANG Yu ， ZHANG Li a n x i n C o l l e g e o f M e c h a n i c al a n d E l e c t r o n i c E n g i n e e ri n g ， C h a o h u U n i v e r s i t y ， C h a o h u 2 3 8 0 0 0 ， C h i n a Ab s t r a c t A mu l t i f u n c t i o n a l me c h a n i c a l p rin c i p l e d e mo n s t r a t i o n b o x wa s d e s i g n e d i n o r d e r t o f u rth e r i mp r o v e t h e s t u d e n t s c o g n i t i o n o f t h e me c h a n i c a l t r a n s mi s s i o n me c h a n i s m． Al l p a rts o f t h e p r e s e n t a t i o n b o x c o u l d b e d i s a s s e mb l e d a n d a s s e mb l e d t o d e mo n s t r a t e t h e w o r k i n g p rin c i p l e o f t h e t r a n s mi s s i o n me c h a n i s m s u c h a s l i n k a g e ， c r a n k s l i d e r a n d i n t e r n a l c o mb u s t i o n e n g i n e ， e t c ． Th e s e c o mp o n e n t s c o u l d a l s o b e c o mb i n e d wi t h p a rts o f t h e F i s c h e r c r e a t i v e c o mb i n a t i o n mo d e l a n d e x p a n d e d i n t o o t h e r me c h a n i c a l me c h a n i s ms ． T h e d e mo n s t r a t i o n b o x wa s s i mp l e i n s t r u c t u r e a n d e a s y t o u s e ．I t wa s c o n v e n i e n t n o t o n l y f o r t e a c h e r s t o d e mo n s t r a t e t h e wo r k i n g p ri n c i p l e o f t h e t r a n s mi s s i o n me c h a n i s m，b u t a l s o for s t u d e n t s t o o p e r a t e a n d a s s e mb l e wh e n d o i n g e x p e ri me n t s ．T h e u s e o f t h e d e mo n s t r a t i o n b o x c o u l d a c h i e v e t h e v i s u a l i z a t i o n a n d t o u c h l e a r n i n g p r o c e s s t o i mp r o v e s t u d e n t s t h e o r e t i c a l u n d e r s t a n d i n g a n d p r a c t i c a l a b i l i t y ． Ke y wo r d s me c h a n i c a l p rin c i p l e ； l i n k a g e me c h a n i s m； c r a n k s l i d e r me c h an i s m； i n t e r n al c o mb u s ti o n e n g i n e 上接第 6 3页 S o ftwa r e De s i g n o f S ma r t Ca r fo r Au t o m a t i c Tr a c k i n g Obs t a c l e Av o i da n c e a n d Li g h t s e e k i ng GUo Zh i c h a o ． HE Ai l o ng C o l l e g e o f P h y s i c s a n d E l e c t r o n i c E n g i n e e ri n g ， X i n x i a n g U n i v e r s i t y ， X i n x i a n g 4 5 3 0 0 3 ， C h i n a Ab s t r a c t T h e h a r d w a r e s c h e me o f a s ma r t c a r h a d fi r s t b e e n d e t e r mi n e d ．I t s ma i n f u n c t i o n s we r e t o r e a l i z e p a t h wa y t r a c k i n g ， o b s t a c l e a v o i d i n g a n d l i g h t s e e k i n g wi t h t h e c o n t r o l o f s i n g l e c h i p a s i t s c o r e ．T h e s o f t w a r e s y s t e m wa s t h e n d e v e l o p e d a n d d e s i g n e d i n t h i s p a p e r ．T h e d e s i g n o f mu l t i f u n c t i o n a l c a r p r o p o s e d mo d u l a r d e s i g n a n d a n a l y z e d f e a s i b i l i t y o f d i f f e r e n t d e s i g n p l a n s t o a c h i e v e t h e c a r ’ s f u n c t i o n s p r e f e r a b l y ． Th e s y s t e m t o o k S T C8 9 C5 2 a s i t s c o r e a n d a d o p t e d C a s t h e p r o g r a mmi n g l a n g u a g e ．U s i n g t h e s i g n a l s f r o m d i f f e r e n t s e n s 0 rs。t h e s i n g l e c h i p c o u l d c o n t r o l t h e c a r ’ s mo v e me n t ，s u c h a s a d v a n c e ， r e t r e a t a n d v e e r ．I n t h e l a s t ，t h e c a r ’ s e x p e ri me n t a l p l a tf o rm w a s s e t u p ． I t wa s u s e d t o o b s e r v e a n d a n a l y s e t h e c a r ’ s i mp l e me n t a t i o n s o f t h e f u n c t i o n s ，r e a l e f f e c t o f mo t i o n c o n t r o l a n d t h e o p e r a t i o n s t a b i l i t y ． T h e t e s t r e s u l t s s h o we d tha t t h e d e s i r e d p u r p o s e o f t h e d e s i g n e d c a r wa s a c h i e v e d ． Ke y wo r d s s ma rt c a r ； t r a c k i n g ； o b s t a c l e a v o i d a n c e ； l i g h t s e e k i n g ； S T C8 9 C 5 2