矿井通风机远程监控系统设计.pdf

第 4 l卷 第 1 2期 2 0 1 5年 1 2月 工矿 自 动化 I ndu s t r y a nd M i n e Aut o ma t i on Vo 1 ． 4 1 NO ．1 2 De c ． 2 O l 5 文章 编号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 5 1 2 0 0 5 8 0 4 DOI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 X ． 2 0 1 5 ． 1 2 ． 0 1 5 王春 ， 许雯娜 ， 廖映华． 矿井通风机远程监控系统设计E J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 5 ， 4 1 1 2 5 8 6 1 ． 矿井通风机远程监控系统设计 王春 ， 许雯娜 。 ， 廖映华 1 ． 四川 理工 学 院 机 械工 程学 院 ，四川自贡6 4 3 0 0 0 ； 2 ． 过 程装 备与 控制 工程 四川 省高 校重 点实 验室 ，四川 自贡 6 4 3 0 0 0 摘要 针对 传统 矿 井通风机 监控 系统布 线难度 大 、 拓 展性 差 等 问题 ， 应 用 Z i g B e e无线 通信 技 术设 计 了通 风机远 程监 控 系统 。终 端节点 的传 感 器将检 测信 号通过 Z i g B e e无线通 信传 送到 协调 器节点 ， 再 经过 串口分 别传 送到 P L C和监 控 中心进 行 处理 。仿真 结果 表 明 ， 该 系统 实现 了对通 风机 电流 、 电压 、 风 速和 风 压 的 实 时 检 测 ， 避 免 了大量 布线 ， 且 可靠性 高 、 实时性 好 。 关键 词 矿 井通风机 ；远 程监 控 ；PL C；Z i g Be e ；组 态 中 图分 类 号 TD 6 3 5 文 献标 志码 A 网络 出版 时间 2 0 1 5 1 2 0 4 1 5 4 2 网络 出版地 址 h t t p ／ ／ www． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． TP ． 2 0 1 5 1 2 0 4 ． 1 5 4 2 ． 0 1 5 ． h t ml De s i gn o f r e mo t e mo n i t o r i n g s y s t e m o f mi n e v e n t i l a t o r W ANG Chu n 一，XU W e nn a 一，LI AO Yi n ghu a ， 1． Sc ho o l o f M e c ha ni c a l En g i ne e r i ng ，Si c h ua n Uni v e r s i t y o f Sc i e nc e a nd Eng i ne e r i ng，Zi g on g 6 43 0 00 Chi n a；2． Si c hua n Pr o vi nc i a l K e y La b o f Pr oc e s s Equ i pme nt a nd Con t r ol ，Zi go ng 6 4 3 00 0，Ch i na Ab s t r a c t I n v i e w o f di f f i c ul t wi r i n g a n d p o or s c a l a b i l i t y o f t r a d i t i o na l mo ni t o r i n g s ys t e m of m i n e ve nt i l a t or ， a r e m o t e m o ni t or i n g s ys t e m o f mi n e v e nt i l a t o r wa s d e s i gn e d a pp l y i n g Zi g Be e wi r e l e s s c o mm u ni c a t i o n t e c hn ol og y．Te r m i n a l n od e s e ns or t r a ns mi t s d e t e c t e d s i g na l t o c o or d i na t or no de t h r o ug h Zi gBe e wi r e l e s s c o mm u ni c a t i o n， a nd t he n t he s i gna l wa s s e n t t o PI C a nd t h e m o ni t o r i n g c e n t e r f or pr o c e s s i ng v i a t he s e r i a l p or t ．The s i m u l a t i o n r e s ul t s s ho w t ha t t he s ys t e m a c h i e v e s r e a l t i me d e t e c t i on o f c u r r e n t ，v o l t a g e，a i r s pe e d a nd p r e s s u r e of ve nt i l a t o r ，i t a v oi d s a l o t o f wi r i ng，a n d h a s h i gh r e l i a bi l i t y a n d go o d r e a l t i me p e r f or ma n c e． Ke y wor d s m i n e v e nt i l a t o r；r e mo t e m o ni t o r i n g；PLC ；Zi g Be e；c on f i gur a t i o n 收稿 日期 2 0 1 5 - 1 0 0 8 ； 修回 日期 2 0 1 5 - 1 0 2 0 ； 责任编辑 胡娴 。 基金项 目 过程装备与控制lT程四川 I 省高校重点实验室基金项 目 G K2 0 1 5 0 5 ； 自贡市科技局重点项 目 2 0 1 3 J 1 9 。 作者简介 王 春 1 9 8 4一 ， 男， 四川 自贡 人 ， 讲 师 ， 硕 士 ， 主 要从 事 电动 汽 车 复合 电源 、 机 电 一体 化 等 方 面 的 教学 与研 究 1 作 ， E ma i l s u s e wa n g c h u n 1 6 3 ． C O 1T I 。 参 考 文 献 E l i [ 2 ] [ 3 ] 刘彬 ， 韩 进． 基 于单 片机 的液 晶显示 触 摸屏控 制设 计 [ J ] ． 液 晶与显示 ， 2 0 1 0 ， 2 5 2 2 4 0 2 4 4 ． MT／ T 4 O 8 1 9 9 5煤矿用直流稳压 电源[ s ] ． 刘凤新 ， 郭仪． 基于 MO D B US协 议的科 氏流量计 二次 仪表设计 [ J ] ． 计量技术 ， 2 0 0 6 7 9 - 1 2 ． [ 5 ] [ 6 ] 温建 明 ， 鲁五一 ， 袁 庆 国． 基 于 M0 D B US协 议 的触摸 屏与单片机通 信 的实现 [ J ] ． 起 重运 输机 械 ， 2 0 0 8 7 3 9 4 2． 王兆安 ， 黄峻． 电力 电子技术[ M] ． 北京 机械工 业 出版 社 ， 2 0 0 4 ． 童诗 白， 华成英． 模拟电子技术基础 [ M] ． 北京 高等教 育 出 版 社 ， 2 0 0 1 ． 2 0 1 5年 第 1 2期 王春 等 矿 井通风 机远 程监 控 系统设 计 5 9 0 引言 矿井通风机不仅能为矿井提供新鲜 空气 ， 还能 冲淡或稀释有害气体和矿尘。对通风机 的运行情况 进 行实 时监 控 ， 就能 提前 掌握 其工 作状 况 ， 对于 事故 的早发现、 早 预防、 早处理有 着重要 的意义_ 1 ] 。传 统 的矿 井通 风 机监控 系 统多采 用 电缆 等有 线方 式将 被 测 量 信 号 发 送 到 P L C进 行 处 理 ， 再 通 过 R S 4 8 5 将 数据 送 人 上 位 机 P C 中 。这 种 方 式 存 在 以 下 问 题 ① 需要 布置大量 的电缆将传 感器与 P L C连接 起来 ， 成本高 ， 布线复杂 ； ② 井下生产环境特殊 ， 容 易 破坏 电缆 ； ③ 扩展 困难 ， 需 扩 展 功能 时 ， 需 要重 新 布线 3 ] 。鉴此， 本文对传统矿井通风机监控系统进 行 了部 分改进 ， 应 用 Z i g B e e 无 线通 信技 术 实 现 了数 据 的无 线远 程传 输 。 1 系统 总体 设 计方 案 矿 井 通 风机 远 程 监 控 系统 主 要 由终 端 节 点 、 协 调 器 、 P L C、 执 行 机 构 和 监 控 中 心 组 成 ， 如 图 1所 示 _ 5 ] 。终 端节 点 1和 2分别 采集 1号和 2号 电动 机 的电流、 电压信号。终端节点 3采集通 风主巷道 的 风 速 和 风 压 信 号 。终 端 节 点 采 集 的 信 号 通 过 Z i g B e e 无线射频模块传送给协调器节点进行汇集 、 整理， 协 调器节点通过 R S 2 3 2与 P L C通 信。P L C 是 系统 的控 制 核 心 ， 它 的主 要 作 用 包 括 ① 与 上 位 机 监控 中心 通 信 ； ② 将 采 集 到 的信 息 与 P L C设 定 的报警 阈值 进行 比较 ， 从 而 自动 对声 光 报 警 电路 和 电动机执行机构输 出相应控制信号 ， 实现控制系统 的 自动模 式 。执 行 机 构 主 要 包 括 2个 通 风 机 电动 机 ， 1 个 正 常 运 行 ， 1个 备用 。控 制模 式 包 括 自动 控 制 和 手动控 制 。在 上位 机监 控 中心计算 机 中安装 组 态软件， 实现以下功能 ① 将 P L C送入的数据进行 存 储 、 显 示 ， 并 实 现报 警 、 报 表 生 成 、 历史 数据 查 询 、 打印等功能 ； ② 出现意外情况时， 对执行机构发布 控 制指 令 ， 实现 控制 系统 的手 动模 式远 程操 作 。 ⋯一一． 蔓 ⋯ ⋯ ． 终端节点 妻一鳖 堇盛 ＼ ⋯ 点， 嚷 ； 一 ； ， 匡 z 墨 风 匦 ； 门 1号电动机 2号电动机 Z i g B e e 协调器节点 图 1 矿井通风机远程监控系统总体结构 2系统 硬件 设计 2 ． 1 终 端 节点硬 件设 计 终端 节点 控制 核心 采 用 C C 2 4 3 0芯片 。终 端 节 点 1和 2采用 霍尔 电流 传感 器和 霍尔 电压 传感器 检 测电动机的电流 、 电压 。信号经调理后 可直接连接 C C 2 4 3 0的 A DC端 口。C C 2 4 3 0内含 8路 AD C， 满 足设 计要 求 。终端 节 点 3采用 了 J YB D W 型 微 差 压变 送器 和 GF型风 流压 力 传感 器口 ] 。终 端节 点 硬 件结 构 如 图 2所示 。 电 流 传 感 器 信 号 调 理 电 路 电源模块 信 号 调 理 电 路 电 压 传 感 器 图 2 终端节点硬件结构 2 ． 2 PL C 电路 设 计 由于选择 的通 风机 型 号 额 定 功率 为 9 0 k W ， 所 以在 电动 机启 动 时采用 Y一 △ 降压 启 动 方式 以保 护 电动 机 。通风 机 主电路 如 图 3所示 。 图 3通 风 机 主 电路 根据 控 制 方 案 中 的要 求 ， 该 系 统 有 1 0个 输 入 量 、 1 O个 输 出量 ， 考虑 选 择 P L C时应 留有 一定 余量 以便 进行 功 能 扩 展 ， 选择 F X2 N一 4 8 MR 型 P L C， 它 有 2 4个 输 入 接 口、 2 4个 输 出接 口 ， 完 全 满 足 设 计 要 求 。 矿井通风机 的 4个参数通过 Z i g B e e终端节点 采集并 经协 调 器传 送 到 P L C， 故采 集 到 的 每一 个参 数都会与 P L C寄存器中设定好 的上限值进行 比较 ， 检测 是否超 限 ， 以确定是 否需要 启 动第 2台通风机 ， 加快 空气循 环 速度 ， 以使 检测值 降 到预设 值 以下_ 4 ] 。 眦 一 6 0 工矿 自动化 2 0 1 5年 第 4 1卷 P L C中间元件 编 号 及 功 能 见 表 1 ， I ／ O 分 配 表 见 表 A 2 ， I ／ O分 配 图如 图 4所示 。 表 l P L C中间元件编号及功能 元件编号 元件功能 元件编号 元件功能 D 1 0 0 获取 M1电流值 D1 0 5 获取风压值 D1 0 1 获取 M1电压值 D1 0 6 获取风速预设值 D1 0 2 获 取 M2电流 值 D1 0 7 获 取 风 压预 设 值 D1 0 3 获取 M2电压值 D1 0 8 获取电流预设值 D1 0 4 获取风速值 D1 0 9 获取电压预设值 表 2 P LC I ／ O 分 配 3系统 软 件设计 3 ． 1终端 节点程 序设 计 终端 节点 首先 进行 初始 化 ， 然 后查 找 网络通道 ， 并各 自申请加 入网络。当获得加入批准之后， 就可 以与协调器进行数据通信， 将 电流 、 电压 、 风速 、 风压 等 检测量 通过 无线 网络传 送 到协调 器 中_ 6 ] 。终 端 节 点 流程如 图 5 所 示 。 3 ． 2 协调 器节点程 序设 计 该系统 中协 调 器只有 1 个 ， 首先 进行 初始 化 ， 然 后建立网络 ， 接收 3 个终端节点的加入信号 ， 并一一 L 20V 5 0Hz N ] _ _ 一 ． 厂 X 0手动 Y 0 X I 自 动 Y 1 h 而 兰 旦 X 2 启 动 Y 2 卜可 苎 量 2 x 3 停 止 董 ] _ 一 墅 X 4 M I 启 动 哥 Y 4 卜 里 x 5 M1 停止 Y5 望 X 6 M 2 启 动 Y 6 ] _ 一 墅 X 7 M 2 停 止 Y 7 ] _ 一 X l 0 M I 热 继 电 器 Y 10 ] _ 一 X 1 1 M 2 热 继 电 器 Y 1 1 ] _ 一 C OM C OM l AC 2 20V 5 0 Hz 图 4 P LC I ／ O 分 配 分配地址允许其加入。协调器负责数据 的汇集、 处 理 和发送 ， 最 后通 过 RS 2 3 2将 数 据 送 人 P L C中 。 协 调器程 序 流程如 图 6所示 。 5 终 端 节 点 程 序 流 程 图 6 协 调 器 程 序 流 程 3 ． 3 P L C程 序设 计 P L C程序 主 要 实 现 数 据 监 测 和 电 动 机 控 制 功 能。监测部 分程序流程 首先将检测 到的电流 、 电 压 、 风 速和 风压数 据 与 P L C寄存 器 中 的预设 值 进行 比较 。如果 数据 正常 ， 则继 续采 集数 据 ； 如果数 据异 常 ， 则切 换 通风机 。控 制部 分程 序流 程 首 先 1号通 风 机启 动并开 始定 时 ， 定 时 时 问 到 之后 切换 到 2号 通 风机工 作 。数据 异 常时 ， 也切换 通风 机 ， 并 通 过报 警信 号告 知工 人及 时处 理 。2组 通风 机 轮 流使 用 有 利于延长 通风机的使用寿命『 7 】 。P I c控 制程序流 程 如图 7所示 。 4仿真 分析 仿 真 步 骤 ① 在 上 位 机 安 装 组态 软 件 ， 并 设计 2 0 1 5年 第 1 2期 王春 等 矿 井 通风机 远 程监控 系统设 计 6 1 监测程序开始 开始 初始化 控制程序开始 1号通风机启动 ． I 开始定时 数据采集 f 时时间 ． 图 7 PL C 控 制 程 序 流 程 监 控 中 心 显 示 界 面 ， 组 态 软 件 界 面 如 图 8所 示 。 ② 预备 2 个 小 型实验 用 电动 机 和通 风机 ， 用 于模 拟 矿井 通 风 机 。③ 将 电流 、 电压 、 风速 和 风 压 等 数 据 送人 P L C。④ P L C通过 R S 4 8 5与上位机进行 串口 连接 ， 并完成调试 。⑤ 完成组态软件程序编译 ， 实 现数据显示 、 存储 、 历史数据查询、 报警等功能， 使其 能 以动 画 的形 式 实 时体现 矿井 通风 机 的运行 情况 。 号 电 2号电 电 压 圈 图 8组态软件界 面 通 风机 运行 程 序 的 编译 思路 由于通 风 机 转 动 时只是 扇 叶旋转 ， 所 以首 先应将 通 风机拆 开 ， 对其 中 扇 叶 的旋转 功能 进行 变量 设置 和程 序 编译 。编译 代 码 如下 I F 口一 一 l l ’H EN I F a 一 一1＆ 6 1 0 0 THE N b一 6 5 ELSE 6 0 END I F ELSE b一 0 END I F 从 仿 真结果 来 看 ， 整 个 系 统 能 够长 时 问正 常 工 作 ， 界面友好形象 ， 操作简单可靠。 5 结 语 采 用 Z i g B e e 和 P L C设 计 了矿 井 通 风机 监 控 系 统 。该 系统 可对 通 风机 电流 、 电压 、 风速 和风 压进行 实 时检 测 ， 并根 据检 测情 况 自动控 制通 风机 的运转 ， 且 避免 了复 杂 的布 线 ， 具 有 可 靠 性 高 、 拓 展性 强 、 实 时性好等特点 ， 满足矿井通风机监控的需要。 参 考 文 献 [ 1 ] 顾 颖 诗． 矿 井 通 风机 监控 系 统 的设 计 与 实 现 [ D] ． 成都 电子科 技大学 ， 2 0 1 2 ． [ 2 ] 郭聪敏． 矿井 通风 机 自动 监控 系统 的开 发 [ D ] ． 西 安 西安科技大学 ， 2 0 1 3 ． [ 3 ] 韩涛 ， 黄友锐 ， 曲立 国． 矿井通 风机无线 监控 系统设 计 [ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 4 ， 4 0 4 8 1 8 3 ． [ 4 1 徐新． 基 于 Z i g B e e与 P L C的矿 井管 控系 统设计 [ D] ． 成都 西华 大学 ， 2 0 1 3 ． E 5 3 张 平 ， 蒋 曙 光 ， 刘 涛． 矿 井 通 风机 监 测 系统 设 计 E J ] ． 矿 山 机 械 ， 2 o 1 2 ， 4 0 9 3 2 3 4 ． [ 6 ] 王春 ， 廖 映华 ， 刘高君 ， 等． 基 于 Z i g B e e和 C A N 总线的 多焊 机 群控 系 统设 计 [ J ] ． 焊 接 技 术 ， 2 0 1 2 ， 4 1 1 3 4 3 6． E 7 J 霍沛 ， 胡 勇． 基 于 P L C的立 体 车库 自动控制 算法 的设 计及应用[ J ] ． 四川 理工学 院学报 自然科学 版 ， 2 0 1 5 ， 2 81 21 2 4．