矿井通风机的DCS监控系统设计.pdf

引言 煤矿井下风阻发生变化时通风机风量输出值同 样会出现变化， 技术人员需要维持恒风量控制， 一般 采用调节挡板开度来维持风量或者调整风机叶片安 装角度来保证风量。 部分系统引入变频调速装置， 但 大多为手动调节， 难以达到恒风量自控的效果。 风机 DCS 监控系统基于 PLC 系统下 PID 自调节特点， 可 实现自动控制风机恒风量的目的。 1DCS 系统构成介绍 该系统为二级分布式 DCS 结构，分为 PLC、 工 控机、 高压变频器、 多种传感器以及触摸屏等多个组 件， 构成示意如图 1 所示。其中 CPU266CN 为西门 子公司生产的 S7-200 PLC 系列产品， 主要是对高压 变频器运行实施控制； PLC 作为系统数据汇集中心 以及控制核心， 经由 Profibus-DP 网络接口连接上位 机 CP5611， 搭建出 Profibus-DP 总线系统[1]。 PLC 触摸屏为人机交互界面，监控人员利用 PCL 监测控制各种现场参量，触摸屏主要显示现场 信号， 并给定风机启停控制等相关主令。 检测模块分为电气参数检测以及多种传感器两 大部分， 其中电气参数检测为 EDA9033 模块， 主要 是对各类电气参数指标进行检测， 例如电机电流、 功 率因数、 电压等等， 采用 modbus-rtu 协议与 PLC 控 制模块实施通信，由上位机组态界面与触摸屏予以 显示。传感器则分为温度传感器、 风量传感器、 粉尘 传感器以及 CH4传感器等多个类型。 工控机利用组态软件实现组态界面的编制操 作， 对上可搭建以外网， 能够与管理计算机实施交互 通信； 对下可用于监控通风机参量[2]。 2系统控制要求 1） 确保通风机处于恒风量运行状态； 2） 风机控制系统共有两套， 彼此应保持相互独 立的状态， 一用一备； 3） 通过触摸屏显示风机参数， 发出风机指令动 作。 对设备运行状态、 风机工艺流程以及高低压配电 系统简图进行分页显示，还可通过实时曲线显示以 及历史曲线显示的方法呈现主要参数；此外还具有 生产报表自动生成功能； 4） 中控室可显示风机参数并操控风机； 5） 具有工频 / 变频、 手动 / 自动切换功能； 6）利用 GSM 方式发出风机故障以及 CH4超标 警报； 7） 收集通风机工况， 并经由高速以太网向调度 中心实施传输相关数据，或直接发送至机电设备管 理服务器[3]。 3系统控制方案 1） 恒风量控制。基于 PID 调节特性达到自动控 制风机风量的目的，首先通过布设在通风机出口处 的风量传感器收集分析风量，并向 PID 控制模块发 送反馈信息； PID 模块基于反馈信息输出数字量， 经 由 D/A 转换器变换为标准模拟量信号，最后对变频 器输出进行控制；操作人员通过触摸屏上设计的数 值输入窗口给定风量，不依赖 A/D 转换器即可给定 模拟量。风量传感器通过 A/D 转换器将反馈量传送 至 PLC 控制模块， PID 输出量通过 D/A 转换器转换 后输出至变频器，这一参数是变频调速的模拟控制 量， 可结合实际情况和需求予以整定。 恒风量控制系 统运行原理如下页图 2 所示。 2） 切换工作模式。首先是手动与自动方式的切 换， 前者属于变频器面板操作， 后者属于 PID 恒风量 调节， 二者可利用设置变频器参数来实现切换。 其次 矿井通风机的 DCS 监控系统设计 马骋 （山西汾西矿业有限责任公司两渡煤业通风队， 山西灵石031300） 摘要 介绍了煤矿井下矿井通风机的 DCS 二级监控系统的构成部分， 主要对其系统控制要求以及系统控制 方案展开探讨， 又从系统设计包括 PLC 模块设计、 组态界面设计、 触摸屏界面这三方面进行了分析。 关键词 矿井通风机分散式控制系统PLC变频器 中图分类号 TD635； TP277文献标识码 A文章编号 1003-773X （2018） 06-0202-02 收稿日期 2018-03-11 作者简介 马骋 （1990） ， 男， 毕业于山西省阳泉职业技术学 院矿井通风与安全专业， 助理工程师。 总第 182 期 2018 年第6 期 机械管理开发 MECHANICALMANAGEMENTANDDEVELOPMENT Total 182 No.6， 2018 图 1控制系统结构示意 工控机 EM277EM277 CPU226CNCPU226CN 检测 装置 检测 装置 触 摸 屏 触 摸 屏 变频器变频器 自动化技术与设计 DOI10.16525/14-1134/th.2018.06.089 为工频 / 变频切换， 利用高压断路器即可实现。 4系统设计 本 次 所 用 设 备 为 西 门 子 CPU226CN、 AC/DC/RELAY、 Idrive 高压变频器、 TP277-6 触摸屏、 EDA9033 电量参数检测模块和 GSM 智能报警装置。 1） PID 程序。启动编程软件， 点击工具菜单中的 指令向导， 点击 PID； 选定编译对象， 使用符号编址； 确认 PID 指令编号； 确定调节基本参数； 准确设定输 入和输出参数； 准确设定输出警报参数； 完成 PID 各 项控制参数的设定；完成 PID 控制子程序以及中断 程序名称的设定工作； 调用 PID 进行子程序运算， 达 到 PID 控制的效果[4-5]。 2） 模拟量处理程序。系统模拟量输入电路主要 是将接收自外部的模拟量信号进行转换，使之变为 相应的数字量 （1 个字长） ， 然后传送至映像寄存器 区；而输出电路主要是对输出映像寄存器区的数字 量 （1 个字长） 进行转换， 使之变为标准模拟量输出， 二者区域标志符分别为 AI、 AQ。PLC 模块内数字量 字长均为 2 个字节， 以偶数的形式表示其地址。 3） Modbus RTU 通信程序。 该通信程序属于电气 参量检测模块， 首先进行主站指令库的安装， 安装完 毕后调用主站初始化以及控制子程序，主站初始化 结束后开启功能控制， 然后调用主站读写子程序， 利 用参数模拟开关量以及模拟量的读写缓冲区实现通 信功能， 进而建构通信区对应关系。 4） 声光报警。利用系统基本指令以及比较指令 即可完成此类程序的编写工作。 采用力控 6.0 软件进行界面设计， 操作如下 启 动工程管理器选项， 选定 “新建” ； 打开 “工程管理 器” ， 点击开发选项， 启动系统开发功能； 打开工程 项目， 选定 I/O 设备组态， 然后选择 S7-200 （MPI） ， 串口通信， MPI 地址设定为 1 或 2；建立数值变量， 这是组态界面元件与 PLC 控制系统之间联络的节 点， 同时也是组态设计流程中的核心。 人机界面。 可 建立包括启动窗口、 参数显示、 数据历史报表、 控制 系统运行管理以及警报显示在内的多种窗口， 并且 可灵活切换。 采用 WinCC flexible 软件设计触摸屏界面， 操作 如下 启动软件， 打开新建项目， 选择相应的触摸屏 型号；打开项目视图中的“通信”选项，选定 S7-200PLC； 变量生成和组态。设计人员可利用变量 编辑器创建或者编辑变量， 包括内部与外部两种。 画 面生产和组态。 本系统中画面是指触摸屏界面， 而组 态则是设计界面， 囊括各种对象和各类元件[6]。 5结语 DCS 监控系统具备良好的风机监控功能，可满 足矿井作业需求，同时也具备与管理层级计算机之 间展开网络通信的特点。PLC、 工控机、 变频器以及 触摸屏等部件选择串行通信的方式，大大提升了控 制系统的可靠性与反应速度， 操作界面更为简洁。 基 于 PLC 系统中 PID 功能自动控制风量， 为矿井通风 效果提供了有效保障。 参考文献 [1]玄兆燕， 王凯良， 吴卓繁， 等.基于物联网的矿井通风机远程监 测系统设计[J].工矿自动化， 2017， 43 （1） 81-84. [2]杨军金， 傅成华， 董子琦， 等.基于物联网的矿井通风机监控系 统研究[J].电视技术， 2015， 39 （1） 139-141； 145. [3]王辉俊， 刘佳， 刘殿东， 等.基于 Zigbee 的矿井通风机故障在线 监测节点的设计[J].仪表技术与传感器， 2014 （5） 45-47. [4]刘健， 刘宝华.大型离心通风机的监控小型化平台设计与实现 [J].计算机仿真， 2016， 33 （6） 238-241. [5]余发山， 高勇.基于 AGA 优化 BP 神经网络的矿井通风机故障 诊断[J].软件导刊， 2017， 16 （9） 154-157. [6]吴奇， 叶俊锋.基于 PLC 的矿井通风机远程监控系统[J].煤矿 机械， 2015， 36 （1） 259-261. （编辑 王慧芳） 图 2风量 PID 控制原理示意 Design of DCS Monitoring System for Mine Fan Ma Cheng （Liangdu Coal Industry of Fenxi Coal Industry Co.,Ltd., Lingshi Shanxi 031300） Abstract This paper introduces the components of DCS secondary monitoring system of mine ventilator in coal mine, mainly discusses the system control requirements and system control scheme, and discusses the system design including PLC module design and configuration interface design. The three aspects of touch screen interface are analyzed. Key words mine ventilator; distributed control system; PLC; frequency converter 给定 PID变频器风机 风量 风量传感器 马骋 矿井通风机的 DCS 监控系统设计2018 年第 6 期203