矿井主通风机远程自动监控系统设计.pdf

总 第 1 9 7期 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 5 2 7 9 8 ． 2 0 1 6 ． 0 1 ． 0 1 1 矿井 主通风机远程 自动监控 系统设计 蒋仲安 ， 戚轩畅 ， 王 明 北京科技大学 土木与环境工程学院， 北京1 0 0 0 8 3 摘要 为解决会泽矿区井下风机能源消耗大， 运行参数不稳定， 控制功能弱等问题。 通过对井下风机运行 状况的分析， 运用计算机自动控制技术、 组态软件技术和变频技术， 设计出以P L C、 组态王和变频器为基础 的井下风机远程 自动监控 系统 。研究表 明， 该 系统 可实时收集和显示 井下风机 的运行参 数和环境参 数 ， 并 根据参数完成对风机 的 自动控制 。 有效地解决了上述问题 关键词 主通风机 ； 组态王； P L C；监控系统 中图分 类号 T D 4 4 1 ； T P 2 7 7 文献标识码 B 文章编 号 1 0 0 5 2 7 9 8 2 0 1 6 0 1 0 0 2 8 0 2 随着企业管理要求的不断提高和科学技术 的不 断进步 ， 井 下风机 的监测 和控制 力度也 在不 断加 大⋯。因此 ， 对井下重要环境参数和风机运行参数 的实时监控 ． 在 出现环境参数异常 、 风机故障时实时 报警 ， 并根据异常情况及预先设定 的程序 自动控 制 风机变频运行显得尤为重要。通过对会泽矿区井下 风机现存问题及现状分析， 利用 自动控制技术 、 传感 器技术和变频技术设计出一套井下风机远程 自动监 控系统 ， 该系统可实现对风机的 自动控制 ， 对风机故 障进行实时报警和故障诊断 ， 进而实现按需供风 ， 即 在保证井下风量需求和生产安全 的基础上 ， 尽可 能 减少风机运行能耗 ， 降低矿井生产成本 j 。 1 会泽矿通风系统概况 会泽矿区共 2个矿坑 ， 分别为麒麟坑和跃进坑 ， 两坑通过 1 5 7 1 m 中段水平相连， 采用分区通风系 统 ， 两通风系统相互独立 。麒麟坑井下通风系统 为 自然进风 、 二级串联抽出式的通风方式 ， 共有 2套主 扇和 1 套辅扇 2套主扇分 别位 于麒麟坑 1 6 3 1 l q l 水平 A 和 B 两 个 平 面． 每 套 主 扇 装 机 容 量 为 5 0 0 k W， 辅扇位于麒麟坑 1 3 3 1 m水平 ， 装机容量为 2 6 4 k W， 麒麟坑合计总装机容量 1 2 6 4 k W。跃进坑 同样采用 自然进风 、 二级串联抽出式的通风方式 。 共 有 2套 主扇 。跃 进坑 2套 主扇 分别 位 于跃 进 坑 2 3 8 0 m 水平中段和 2 0 5 3 m水平 中段 ， 每套主扇装 机容量 2 5 0 k W， 跃进坑合计总装机容量 5 0 0 k W。 目前会泽矿在对井下参数检测方 面， 主要通过 便携式仪器对 N O ， 浓度 、 C O浓度 、 O ， 浓度 、 风速 、 温 度等环境参数进行监测 ， 而设备运行状况等参数则 主要靠巡检工在检查过程中由智能电表测得。在设 2 8 备控制方式上 ， 主要采用继电接触器手动控制系统 ， 其存在接线复杂， 控制力弱 ， 可靠性差 ， 维护 困难等 缺陷。就 目前监测方法而言 ， 其 自动化程度低 、 控制 力低 、 安全性差 、 数据反馈速度慢 ， 不能满足建设数 字化矿山的要求。 2 监控系统实现功能 为满足会泽矿对井下风机 的远程控制要求 ， 并 结合如今国内外非煤矿山井下通风远程监控系统 的 研究状况 ， 本风机远程 自动监控系统要实现 的功能 主要 为 1 实现井下 O ， 浓度等环境参数和风机运行 参数 的自动监测和远程实时显示 ， 并能在参数异常 时实时报警。 2 实现通风设施 的 自动控制 ， 系统通过 P L C 控制器的逻辑运算 自动控制变频器驱动风机运行 。 3 实现风机 的远程管理 。可利用上位 机远 程管理风机的运行模式 ． 如现场手动 、 远程 自动和远 程手动三种模式的切换 。 4 提高系统运行 的安全性并 降低风 机运行 能耗。通过变频器根据井下实际需风量控制风机运 行功率 ， 避免风机长时间满功率运行。 3 监控系统总体设计 基于组 态软件技术 和 P L C控制器 的风机远程 自动监控系统结构 整体 上分为 三层 ， 即 数据采集 层 、 设备控制层和监督管理层 ， 如图 1所示 。 3 ． 1 数据采集层 数据采集层主要是对监控数据 的采集 ， 包括 电 压 、 电流、 转 速等 风机 运行 参数 和 O ， 浓 度 、 C O浓 收稿 日期 2 0 1 5 1 2 1 8 作者简介 蒋仲安 1 9 6 3一 ， 男 ， 浙江诸暨人 ， 教授 ， 博士生导师 ， 从 事矿井灾 害防治 、 粉尘治理 以及安全管理方 面的研究 。 蒋仲安等 矿井主通风机远程自动监控系统设计 第2 5卷第1 期 度 、 N O ， 浓度 、 温度等环 境参数。其 中风 速 、 C O浓 度 、 N O ， 浓度 、 O ， 浓度 、 温度等环境参数 由专 门的传 感器监测 。传感器可以将各监测对象 的非 电信号转 换为电信号 ， 一般转换为电压信号 和电流信号 ， 少数 传感器可将非电信号直接转换为数字信号 。本系统 选用 电压信号 为输 出信号并用 R S 4 8 5方式进行通 讯。传感器采集 到电模 拟量信号直接输入 P L C的 模拟量输入单元 ． P L C可由输入 的信息判断监测参 数的大小并转换为数字信号与上位机通信。风机运 行参数 由多功能电量测控仪 KD L Q 3 6 1监测 ， K D L Q 3 6 1可监测 电压 、 电流 、 频率 、 有功功率、 故障状 态等多种 电学参数 ． 监测数 据既能实时显示在 自带 的液晶显示 屏上 ． 又 可 以通 过 R S 4 8 5通讯 接 V I 与 P L C进行数据传输 。 图 1 自动监控系统整体构架 3 ． 2设备控制层 设备控制层主要 由 P L C、 变频器及相应 的控制 柜构成 ， 是控制部分的核心 ， 主要实现对风机 的自动 控制。本监控系统采用 的 P L C控制器 为德 国西 门 子公 司生产的 s 73 0 0型 P L C控制器 ， 具有结构模 块化 、 高兼容性 、 高性价 比、 良好的抗震性能 以及易 于实现分布式配置的特点l 3 ] 。本 系统 P L C控制器 的中央处理器型号为 C P U 3 1 93 P N ／ D P， 是 S 7 3 0 0系列性能最高的 C P U， 具有 P R O F I N E T接 口， 可 通过以太网实现与其他硬件通讯 ， 既能满 足系统对 硬件的要求 ， 又充分利用会泽矿井下现有资源 ， P L C 控制器硬件结构如图 2所示。 图 2 P L C硬件结构 P L C控制器与外部设备 通讯 均采用 MO D B U S ／ T C P协议 ， MO D B U S ／ T C P协议是结合了以太 网物理 网络和网络标准传输协议 T C P ／ I P以及 以 MO D B U S 作为应 用 协 议 标准 的数 据 表示 方 法。MO D B U S ／ T C P协议 可使 用 T C P ／ I P和 以太 网在站 点 间传输 MO D B U S数据 ， 采用 E t h e r n e t I I 数据帧格式 。 数据帧 包含报文头 、 功能代码和数据j部分 ， 其中报文头包 含 4个域 ， 共 7个字节 ， 其中事务标识符和协议标识 符通常情况下都为 0 ， 长度字段 为其后面字节的数 量 ． 单元标识符为设备地址 ， 功能码为 M o d b u s协议 固定的功能代码 ， 如 图 3所示 。以上位机读取 P L C 监测的麒麟坑 1 6 3 1 i n水平 A平面 1 号 电机转速为 例 ， 读取 8号仪表 的转 速值 ， 功能代码执行 “ 0 3 ” 保 持型寄存器读取 。 则传输代码为 请求 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 6 O 8 0 3 0 0 0 0 0 0 0 1 响应 0 0 0 0 O 0 0 0 0 0 0 5 0 1 0 3 0 2 0 3 B 6 上位机得到电机转速数据“ 0 3 B 6 ”， 由十六进制 转化为十进制得 “ 9 5 0 ” ， 即上位机得 到电机转 速数 据为 9 5 0 r ／ m i n 。 Mo d b u s 报文头 协议数据单元 I I 事 务 标 识 协 议 标 识 矧长 度 字 段 单 元 标 识 符 功 能 代 码 数 据 I l 图 3 Mo d b u s T C P ／ I P传输 构架 在 自动控制 中 P L C的控制算法是其主要研究 对象 ， 本系统的 P L C控制采用 P I 比例积分 控制算 法l 4 进行闭环控制。在风机 启动时得 到一个 理想 的参数 标准值 ， 这个标 准值包括风速 、 O ， 浓度等 监测参数的标准值 ， 即为它提供一个初始电机转速 ， 当风机工作一段 时间后 ． 通过将传感器采集到 的相 关参数和标准值进行 比较 。 如果实际参数 比标准值 好 ， 从降低成本角度 出发 ， 实时降低变频器的输出频 率 ， 降低风机功率 ； 如果实际参数 比标准值差 。 则实 时提高变频器的输 出频率 ， 提高风机功率 ， 使井下环 境尽快恢复正常 直到实 际参数与标准值达到一个 动态的平衡 。 此时风机功率保持恒定 ， 即为井下风机 自动运行的正常功率。其控制原理如图 4所示。在 该监控系统 中， 选用 的变频 器为 A B B公 司生产 的 A C S 8 0 0 0 4 P一0 3 2 03P 9 0 1型 变 频 器 ． 其 主 要 功能是通过控制交流电的频率来控制感应式交流电 机的转速 ， 进而达到控制风机功率的目的． 其控制方 式采用闭环 U ／ F控制 。 3 ． 3监督管理层 监督管理层主要 由上位机构成 。 辅以打印机和 显示屏 ， 实现监控数据的实 时显示和相关 内容 的打 印 ， 其 中上位机的组态监控 下转第4 9页 2 9 监督管理层～ 设备控制层 一 数据采集层 2 0 1 6年 1月 李腾飞等 厚松散层下条带充填开采充填率对地表下沉的影响分析 第2 5卷第1 期 上接第 2 9页 软件是本层 的核心。本系统上位 机 组态监控软件基于优秀的国产组态软件组态王开发 完成 ． 主要包括 四个模块 信息显示 、 数据存储 、 决策 控制 、 超 限报警 。 图 4 P L C控制原理 1 信息显示模块通过组态王的人 际交互界面 显示井下监测数据和风机运行状况 等信息 ， 并 提供 多种显示方式 ， 包括实时趋势 曲线 、 历史趋势曲线和 多种显示报表等 ， 同时还提供打印功能。 2 数据存储模块对系统监测到的环境参数数 据和风机运行状况数据进行存储 和更新 ， 并事先存 储了大量的指标参数、 事故 、 预警 和报警 等信息 ， 由 数据库 、 历史库等库组成 ， 为决策控制部分提供数据 基础 。 3 决策控制模块利用存储部分提供的采集数 据 、 规则 、 相关库等分析当前 风机 的运行情况 ， 对各 种突发情况进行实时报警 ， 对各种隐患进行事先报 警 ， 在报警 同时对井下风机实行联动控制 ， 确保第一 时间排除险情 、 清除隐患 J 。 4 超限报警模块 是监控 系统 中的重要模块 ． 此模块可对井下出现的异常环境和设备异常运行进 行远程报警 ． 并记录事 件的报警信息 ， 如报警时间 、 报警对象 、 报警值等 ， 工作人员 可确认 报警信 息， 对 报警进行应答 ， 同时具有报警信息打印功能 ， 也可 以 对所监测 的对象进行报警限值的设定 4 结语 通过对会泽矿 区井下通风系统的分析 ． 结合 自 动控制技术 、 组态软件技术和变频调速技术研制出 会泽矿区井下风机远程 自动监 控系统， 系统可靠性 较高并能有效解决以下问题 1 根据传感器检测的参数分析 出井下实 际风 量需求 ， 利用 P L C控制器 自动控制变频器实时调节 风机功率 ， 降低生产成本。 2 实时监测并显示井下风机运行参数和环境 参数 ， 在参数 异常时实时报 警， 提 高风机运行 可靠 性 ， 确保井下生产人员人身安全 。 3 当井下有害气体浓度超 限和氧气浓度过低 时， 实时声光报警 ， 并 通过 P L C 自动远程控 制风机 高频运行 ， 及时使井下环境恢复正常。 参考文献 [ 1 ] 陈士玮 ， 王家兵． 矿井主要通风机在线监测监控现状及 展望 [ J ] ． 煤矿 安全 ， 1 9 9 9 1 2 2 5 2 9 ． [ 2 ] 刘 翔 ， 郭 辉． 煤矿风机工作状态监控软件的设计 [ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 0 7 6 5 4 5 5 ． 『 3 ] 朱明清 ， 邓广 龙 ， 李 喜东． 西 门子 S 73 0 0 P L C在气体 分段计量中的应用[ J ] ． 自动化技术与应用， 2 0 1 1 1 4953． [ 4 ] 杨谋 ， 孟英峰 ， 李皋 ， 等． 基于 比例积分控制原理 预 测钻井全过程原始地层温度 的新方法研究 『 J ] 物理学 报， 2 0 1 3 1 7 5 4 5 5 5 4 ． [ 4 ] 尹盼 ， 阳春华 ． 基 于 Z i g B e e技 术 的矿 山监测 与预 警 系统[ J ] ． 工业控制计算机， 2 0 0 9 2 3 33 8 ． [ 责任编辑 常丽芳 ] 49