局部通风机智能控制系统的设计.pdf

2 0 1 2年 2月 矿 业 安 全 与 环 保 第3 9卷第 1 期 局部通风机智能控制系统的设计 余跃 ， 李新 ， 何元新 中煤科工集 团重庆研 究院 钻探研 究分 院， 重庆 4 0 0 0 3 9 摘要 局部通风机智能控制系统采用 P L C作为主控制器， 可有效实现通风机运行的实时监控。该控 制系统能根据瓦斯的浓度和系统风阻的大小， 自动调节风机的转速从而控制输出风量， 在满足矿井安全 生产 的条件下， 实现风机的最优控制， 达到节能的 目的。同时， 系统利用无风量传感器实现 了恒定风量 输出， 并且采用主备机冗余设计， 显著地提高了系统的安全性和可靠性。 关键词 局部通风机； 控制系统； P L C 中图分类号 T D 6 3 5 文献标志码 B 文章编号 1 0 0 8 4 4 9 5 2 0 1 2 0 1 0 0 4 3 0 3 局部通风机是矿井生产的重要设施 ， 通风 的可 靠性直接关系到煤矿生产质量和人身安全。近年 来 ， 由于人们对矿井安全生产 的关注 日渐提高 ， 对局 部通风机的送风质量也提出了更高的要求。特别是 随着矿井瓦斯浓度的变化 以及 巷道长度的延伸 ， 采 用恒速的风机不仅效率低 、 能耗高 ， 对瓦斯 的排放也 难以控制。而利用 变频调速技 术 ， 根据外界环境 的 变化 ， 调整风机 的转速 和风量 ， 可 以实现其安全 、 经 济的运行 J 。P L C是以微处理器为基础的通用工业 控制设备， 其功能强大， 使用方便， 在 自动化管理系 统中发挥着重要作用 j 。利用 P L C控制变频器， 拖 动通风机的运行， 既能保证良好的控制效果 ， 也能降 低系统的能耗 ， 显著地提高送风质量。 1 系统组成及功能 根据 煤矿安全规程 第一百二十八条 的要 求_ 3 J ， 高瓦斯矿井 、 低瓦斯矿井 中的高瓦斯 区煤巷等 除了正常工作的局部通风机外， 必须配备安装同等 能力 的备用通风机 ， 如图 1 所示。2台通风机可以互 相切换 ， 而且要求取 自不 同的电源。正常工作 时工 作风机运转 ， 备用风机带电热备 ， 同时监控工作 风机 的运行状态 。当备用 风机发 现工作 风机停 止工作 时， 则 自动启动， 代替工作风机工作。 控制系统 采用 西 门子 公 司生 产 的 s 7 2 0 0型 P L C作为主控制器， 人机面板负责 P L C中的参数显 示及 设 置。如果 在 P L C上 挂 接 通 信 模 块， 如 收稿 日期 2 0 1 1 - 0 8 0 8 ； 2 0 1 1 0 9 - 2 5修订 作者简介 余 跃 1 9 8 4 一 ， 男， 四川人， 硕士， 助理工程 师， 现从事煤矿机电产 品的研发工作。E ma i l y u y u e c u m t 1 6 3 ． c o rno E M2 7 7， 就能通过该模块作为从站连人工业 网络中 ， 方便上位机的远程监控 。其控制系统连接图如图 2 所示 。 变频 器 对旋风机 变频 器 对 旋风机 图 1 局部通风机系统组成示意图 图2 局部通风机控制系统结构 人机面板与变频器通过通信 口与 P L C联系， P L C通过高速计数 口获取瓦斯浓度传感器采集到的 4 3 2 0 1 2年2月 矿 业安 全 与环保 第3 9 卷第1 期 瓦斯浓度值 ， 主备机之间通过其 P L C的 I ／ ／ O口通信 。 2系统的控制结构 一 是手动控制 ， 如 图 3所示。通过人机面板 向 P L C发送运行频率， P L C再将该频率值送人到变频 器中， 实现电动机运行控 制。该功能一般在调试过 程中使用 。 L⋯⋯ 图3 手动控制系统结构 二是 自动排放瓦斯控制 ， 如图 4所 示。首先在 人机 面板里预先设置好系统 的控制 曲线 ， P L C通过 判断瓦斯浓度传感器所测 的值 ， 根据系统控制 曲线 计算 出当前所需 的运行频率 ， 并将该频率送往变频 器 ， 实现 自动排放瓦斯的功能。 f一 一 一 一 一 一 匕 系统控制 曲线 图4 自动排放瓦斯控制系统结构 三是风量 调节 控 制 系统 ， 如 图 5所示 。首 先 P L C通过无风量传感器计算出当前通风机所输 出的 风量 ， 然后与人机面板给定的风量值进行 比较 ， 其差 值送往 P I 控制器计算 出运行频率 ， 最后将运算结果 送给变频器。 当风道特性发生变化时， 风机的输 出风量将会 变化， 监控程序根据变化 的大小和方向 自动调节变 频器的频率， 最终使得输出风量保持恒定。 ⋯⋯一 ⋯ ⋯⋯一 ⋯⋯～ L⋯⋯一 一一l L ⋯⋯⋯⋯ ⋯一一 图5 风量控制系统结构 由于井 下工作条 件恶劣 ， 湿度变化 大， 粉尘较 多， 容易造成通风机风速传感器故障 ， 而且安装风速 传感器增加 了系统成本、 复杂程度和维修 费用 。因 此通过算法实现无传感器的设计是非常有意义的。 通过对智能风机 的性能测试 ， 可以获得几个不 同频率下各个工况点 的数据 ， 通过数据拟合可 以得 到风机在某个频率下的性能 曲线 ， 再利用拟合 的方 法对不同频率下的性能 曲线做线性微调 ， 最后可 以 用几个公式从频率和功率中得到风机的当前风量和 风压。该方法能有效地计算 出风机 的风量和风压 ， 与检测值非常接近。采用无传感器的方法虽然增加 了控制器运算的复杂程度， 但却显著地提高了系统 的可靠性 。 3 通信控制系统 S 7 2 0 0采用串行通信的方式与其他设备连接 ， 其通信接口 为 R S 一 4 8 5 。图6 是常见的两线制 R S - 4 8 5 接口， 虽然工作方式为半双工， 但抗共模干扰能力强， 4 4 且采用2 条通信线就可以完成通信链路的搭建。 T vnr 、 ＼ n vn ‘ 二 ＼ L ／ R XD r 、 、 J 。 N 上 图 6 R S 一 4 8 5示 意图 S 7 2 0 0能支持多种通信协议 ， 例如点对点接 口 协议 P P I 、 多点接 口协议 MP I 、 R R O F I B U S协议 、 T C P ／ I P 协议等。如果这些通信协议不能满足用户 的需要 ， s 7 2 0 0也能通过编程实现用户 自己定义 的 协议 ， 简称 自由口协议 。 Mo d b u s 报 文传输协议 是 由 Mo d i c o n公 司提 出 的， 在工业控制领域得到广泛应用 ， 也是现在的一种 广泛使 用 的工业 标 准 J 。 由于 该 变 频 器 集 成 了 2 0 1 2年 2月 矿 业 安 全 与 环 保 第3 9卷第 1 期 Mo d b u s 协议 ， 因此 s 7 2 0 0采用 自由端 口模式下 的 Mo d b u s 协议 ， 就可 以与变频器 通信 ， 获 取变频器 的 信息， 或者向变频器发送控制指令。 Mo d b u s 本身是一个 主从协议 ， 采 用请求一响应 的方式 ， 其通讯只能由主站发起 ， 从站在没有接收到 主站的请求时 ， 不会 发送任何数据。在通风机通讯 控制系统中， P L C处于主动状态 ， 根据需要 向变频器 发送请求报文， 而变频器处于被动状态， 在接收到主 站的请求报文之后发送响应报文进行应答 。 图 7是 Mo d b u s 通信控制框 图。P L C在发现有 通信请求之后， 将通信数据按照通信协议的格式打 包并发送出去， 然后将通信口的工作模式切换到监 听状态 ， 等待从站的响应。在监听状态下 ， 通信 口将 自动接收从站发送 回来 的数据 帧。接收完毕之后 ， 对响应帧进行数据校验。如果是 正确的数据 ， 则把 数据送往存储区， 如果是错误 的数据 ， 则重新发送请 求帧， 直 到返 回的响应 帧 正确 或者 重 发次 数 超 限 为 I E 。 4结语 该系统 已经成功应用于局部通风机智能控制系 统中， 获得了 良好的控制效果。主要有 以下优点 通 过备机冗余， 减少了系统的故障时间， 保证系统能持 续提供服务。采用 P L C技术 ， 实现 了对 瓦斯和风量 的有效控制。利用无风量传感器控制方法 ， 简化 了 控制系统 ， 提 高了可靠性 。P L C和变频器之 间利用 数字通信手段 ， 既保证 了数据传递 的准确性 ， 也实现 了对变频器频率的连续控制。 图7 Mo d b u s 通信控制系统流程方框图 参考文献 [ 1 ]曹顺周． 变频调速技术在矿用对旋轴流式通风机的节能 应用与分析[ J ] ． 科技信息， 2 0 0 7 3 0 3 5 6 3 5 7 ． [ 2 ]廖常初． P L C编程及应用[ M] ． 北京 机械工业出版社， 2 00 5． [ 3 ] 国家安全生产监督管理总局， 国家煤矿安全监察局． 煤 矿安全规程[ s ] ． 北京 煤炭工业出版社， 2 0 1 1 ． [ 4 ]宋杰， 姜淑忠， 由蕤． M o d s协议在永磁 同步电动机伺 服系统中的应用[ J ] ． 微电机， 2 0 1 0 ， 4 3 4 8 3 8 4 ． 责任编辑 吴 自立 上接第 4 2页 ． 撑板结构 ， 能够有效地抵抗爆炸冲击波 ， 并通过有限 元分析方法验证 了其强度的可靠性。 2 使用齿 轮传动带动联动多连杆六点锁 紧机 构 ， 使门开关灵活 、 省力 。 3 门扇与门框之间采用可调节锁紧力来挤 压 橡胶 的密封结构 ， 可抵御外界有毒有害气体的侵入 。 4 采用绝热性能好 的隔热材料 ， 能抵御井下发 生火灾时的瞬间高温。 参考文献 [ 1 ]濮良贵，纪名刚．机械设计[ M] ．北京 高等教育出版 社 ， 2 0 0 6 ． [ 2 ]王年桥．防护结构计算原理与设计[ M] ．南京 工程兵 工程学院 ， 1 9 9 8 ． [ 3 ]方秦 ， 谷波．钢结构防护门结构优化的数值分析[ J ] ． 解 放军理工大学学报， 2 0 0 6 6 5 5 7 5 6 1 ． [ 4 ]姜宏， 刘鹏．爆炸荷载作用下钢框架动力响应有限元分 析[ J ] ． 湖南科技大学学报， 2 0 1 0， 2 5 2 5 5 5 8 ． [ 5 ]方中林． 防护密闭装置门扇结构分析[ J ] ． 安徽理工大学 学报 ， 2 0 0 8 ， 2 8 1 3 0 3 3 ． [ 6 ]吴义田， 张庆明， 付跃升． 某抗爆门结构防护性能的有限 元分析[ J ] ． 弹箭与制导学报， 2 0 0 6， 2 7 2 2 4 5 2 4 7 ． [ 7 ]孙晓明， 樊玉光， 李军强． 高抗力防爆波活门结构与强度 研究方法[ J ] ． 科技创新导报， 2 0 0 8 3 5 3 1 3 3 ． [ 8 ]石少卿， 张湘冀． 爆炸荷载作用下一种新型防护结构的 静力分析[ J ] ． 地下空间， 2 0 0 3， 2 3 1 6 6 6 9 ． 责任编辑 李琴 4 5 -