矿用通风机监控系统开发研究——基于PLC和模糊理论.pdf

2 0 1 7年第 2期 总第 1 3 7期 缸 ； 夏 ． 暑 ； 钍 E N E R G Y A N D E N E R G Y C O N S E R V A T 1 0 N 2 0 1 7年 2月 矿用通风机监控系统开发研究 基 于 P L C和模糊理论 邱胜利 山西阳城阳泰集团西冯街煤业有限公司，山西 晋城 0 4 8 1 0 0 摘要 介绍了基于P L C 的矿井通风机监控 系统，为解决电机电路可承受的电流容量问题，基于模糊论，应用异步电动 机软启动方法构建误差分级变论域模糊控制电机软启动仿真模型。 关键 词 P L C ；误差分级 变论域 ；通风机监控 系统 ；硬件设计 中图分类号 T D 6 3 5 文献标识码 A 文章编号 2 0 9 5 0 8 0 2 一 2 0 1 7 0 2 0 0 3 8 0 2 St u dy o n t he De v e l o p m e n t o f Ve nt i l a t o r M o n i t o r i ng Sy s t e m f o r Co a l M i n e s a s e d o n PLC a nd Fuz z y The o r y QI U Sh e n g l i X i f e n g j i e C o a l I n d u s t r y C o ． ， L t d ． ， Y a n g c h e n g Y a n g t a i Gr o u p o f S h a n x i ， J i n c h e n g 0 4 8 1 0 0 ， S h a n x i ， Ch i n a Ab s t r a c t T h i s p a p e r i n t r o d u c e d t h e m o n i t o ri n g s y s t e m f o r c o a l mi n e v e n t i l a t o r b a s e d o n p r o g r a m ma b l e l o g i c c o n t r o l l e r P L C ． I n o r d e r t o s o l v e t h e p r o b l e m o f c u r r e n t c a p a c i t y b o r n b y mo t o r c i r c u i t ， t h i s p a p e r b u i l t mo t o r s o ft s t a r t s i mu l a t i o n mo d e l o f e r r o r c l a s s i fic a t i o n v a r i a bl e u ni v e r s e f uz z y c o n t r o l wi t h t he a pp l i c a t i o n o f s o ft s t a r t me t ho d o f a s y nc hr o n o us mo t o r b a s e d o n f uz z y t he o r y． Ke y wo r d s P L C ； e r r o r c l a s s i fi c a t i o n a n d v a r i a b l e d o ma i n ； v e n t i l a t o r mo n i t o r i n g s y s t e m； h a r d wa r e d e s i g n 0 引言 矿井通风系统的最 主要 的设备之一是主通风机 ， 和采煤 、掘进 、机电 、运输及排水等系统组成了煤矿 的六大系统 。对于六大系统中的主通风机系统的运行 需要大功率设备做支撑 ，为井下输入源源不断的新鲜 空气 ，同时要将井下的粉尘和污浊气流排出 ，有一个 形象的称呼是矿井 的 “ 肺脏” ，对矿井安全生产承担了 重大 的责任 。在以往的多个煤矿事故 中，很多事故都 是因为对通风的管理不善 和过 高的瓦斯浓度造成的。 所以，煤炭企业都非常重视对矿井的通风系统 的设计 和管理 ，以此来减少因为通风系统所造成的矿难事故。 l 基于P L C 的矿井通风机监控系统 1 ． 1 监控系统的构成与工作流程 矿用通风机的监控系统组成部分有风机监控柜和 上位机两部分 ，均采取P r o fi b u s D P 现场总线 的连接方 式。核心控制设备是西 门子P L C 的s 7 3 0 0 ，系统分为3 层 ，由上到下第一层是远程监控及管理 ，第二层是设 备控制 ，第 三层是现场设 备层 。第一层 作用 利用 WI N C C 组态软件进行系统远程管理 、监视和报警 。第 二层作用 由于其核心是P L C 可编程逻辑控制器 ， 所以由P L C 完成整个现场设备的控制与现场信息采集 ， 包括 了模拟输入 、数字输入和输 出等模块 ，此外 ，还 保持与上位机 的通讯 ，将监控信号传达上位机和执行 上位机 的指令 。第三层的设备是现场主通风机参数检 收 稿 日期 2 0 1 6 0 9 0 9 作者简介邱胜利，1 9 7 8 年生，男，山西阳城人 ，2 0 1 6 年毕业于山 西煤炭管理干部学院矿山机电专业，助理工程师。 38 测传感器 、系统外 围设备控制 回路控制点构成 ，其参 数有温度 、风压 、振动和C H 的浓度 、电流参数 ，属于 模拟输入模块的监测过程 ，外围设备有高压柜 、稀油 站 、风门、软启动柜等 ，属于控制过程。 监控系统工作流程分别是模拟量的监测和数字量 的控制过程。根据本监控系统 的功能要求 ，选用 了西 门子S 7 3 0 0 P L C ，其 组成模块有 多种 ，有 电源 、C P U 中央处理器 、输人输出等三大模块 ，将不 同模块组 合后获得不同的功能 ，以满足不同的应用。 1 ． 2 监控 系统总体设计 1 ． 2 ． 1 润滑 油站监控 润滑油站的构成部分是油泵 、加热器 、冷却风扇 ， 油泵作用是将液体油强制挤压到相应的润滑部位 ，加 热器用于加热液体油 ，冷却风扇用 于冷却油温 。这三 部分的工作流程是通过 自动控制 ，在远程油站控制设 置下 ，需 由P L C 控制柜向油站输入一高电平信号以提供 油站正常工作 。此外 ，还能通过上位机对稀油站的工 作参数及设备运行状态进行远程监视 ，监视的内容有 油泵运行 、风冷却器运行 、加热器运行等三部分的运 行状态 ，并对油站的低油位 、低油压 、高差压 、高温 度等参数进行报警提醒。 1 ． 2 ． 2 工作 风 门与 实验风 门监控 对于工作风门和实验风 门来讲 ，虽然有不 同的作 用 ，但其动力都是 由三相异步电动机所提供的 ，有相 同的电控原理 ，使得电动机完成不同阶段所规定的控 制任务 。在实验风门的远程控制模式下 ，P L C 控制柜能 将电机正反转进行控制 ，实现对风门的开 、关控制 目 的 ，并通过上位机实现对工作风 门和试验风门的开／ 关 2 0 1 7年第 2期 邱胜利 矿用通风机监控系统开发研究 2 0 1 7年 2月 到位情况、风门力矩故障状态的远程监视。 1 ． 2 ． 3 高压 开关柜监控 高压柜的构 成部分分别是 柜体 、真空断路器 、 互感器 、保护装置及显示设备 。高压开关柜的功能是 将供电站高压电进行安全可靠的分配到风机系统，再 利用二次 回路进行系统供配电控制与测量 。为了能进 行简洁有效的控制 ，本文所选的重点监控对象是进／ 出 线柜和换向柜。通过上位机能实现对风机进 出线柜分／ 合闸情况 、事故信号 、手车位置与工作状态 、断路器 合闸情况 、实验位 置 、系统运转状况等的远程监控 ， 还能通过P L C 机柜实现对高压开关柜的远程控制。 1 ． 2 ． 4 软 启动柜 监控 在 电机起动时 ，软启动柜装置根据预设起动曲线 来实现对电机的端 电压的增加 ，以便对电机进行平滑 加速 ，当在全速时就实现旁路接触器接通。在完成起 动后 ，由控制系统来进行 电机的后续监控 。在软启动 柜位于P L C 控制处时，就能实现对软启动的P L C 远程启 停控制 ，还能通过上位机来实现对软启动柜的设备运 行状态中的系统故障、禁止控制等进行远程监视。 1 - 3 矿井通风监控系统硬件设计 1 ． 3 ． 1 P L C选型 当前市 面上的P L C 品种繁多 ，在进行系统设计 的 P L C 选购过程 中，需了解不同品牌的P L C 的性价 比和优 缺点，针对矿井这一恶劣的操作环境中，其现场使用 的主通风机控制系统所要求的P L C 的模块化结构必须要 具备较高的性能和质量。在国内，S I E ME N S 公司制造的 P L C 控制器 的性能就具备 了广泛的应用领域 ，其P L C S 7 系列的体积较小 ，性能高 ，具有较强的功能 ，有经 济 微 型 的s 7 2 0 0 、小 规 的 S 7 3 0 0和 中 、高 性 能 的 S 7 4 0 0 ，这三种中，最适用于本 文所研究的监控系统 要求的是S 7 3 0 0 P L C 。 ’ 1 ． 3 ． 2 监控 系统参数采集点设计 a 设备状态输入点 。在润滑油站 中，油泵在提供 给油站动力前需对油进行加热升温 ，并在结束润滑后 要对油进行冷却降温 ，因此 ，要对润滑油站状态输入 点进行统计 ，这些点包括 润滑油站的集中控制状态 、 油泵 、加 热器 、风机冷却器等部位的运行状态 。在出 现管道堵塞或管道故障时 ，要对油站 的高低压力 、油 温进行监测 ；对软启动柜状态输入点的参数采集是 由 软启动所处 的集中控制状态 、启 动方式 、系统运行状 况 等三部分组 成 ；风 门的集 中控制情况 、开关情况 、 动力来源正常与否等是工作风门的状态的输入点 ；进 线柜的集 中控制情况、手车工作位置情况 、断路器闭 合情况及故障是进线柜 的状态输入点 ；换 向柜的集 中 控制情况 、换 向柜合 闸情况和 电源状态是换向柜状态 输入点 ；此外还有与进线柜相似的线柜状态输入点和 与工作风门相似的实验风门状态输入点 ； b 设备控制输出点 。设备控制输出点是指控制柜 上相关按钮对应的被控点 ，例如闭合高压开关柜的输 出点 、油站启停输 出点 、开闭风门的输出点、选择风 机正反风的输出点。当结束控制后 ，会通过监控柜上的 组合显示灯将各分散设备状态显示出来 ，例如高压柜闭 合状态指示 、油站油压的正常状态指示、油温正常状态 指示、风门开关到位情况指示、系统启动准许状态指示 等。温度 、风压 、振动和C H 的浓度等信号由通风机来 建进行信号监测， 并由传感器来采集系统数据。 1 ． 3 ． 3 数据 采集 系统设 计 当完成数字量 与模拟量 的统计之后 ，要将所测量 点连接到P L c 上 ，数字量输入模块1 ，导通2 号开关时 ， 此时的电路 回路是由输入模块与测量点所构成 ，是处 于导通状态 ，在光敏二极管发光后将感光三极管导通 ， 在输入模块 内部将2 号点定为开 ，并将光电隔离完成 。 数字量输 出模块的电路 ，与输入模块类 似 ，在高 电平 的输出内部时，在光敏二极管发光后将感光三极管导 通 ，达到闭合线圈状态 。在进行 系统设计时 ，继 电器 在最终闭合 ，再利用继电器将电流输出到被控点 。而 将模拟量输入模块与传感器进行连接，P L C 就 自动完成 了对当前标准电流值的读取，该数据采集很简单。 1 ． 4 监控系统软件设计 S T E P 7 是工业软件 的组成部分 ，是对S I MA T I C S 7 3 0 0 进行编程控制器组态与编程标准的软件包 ，其功能 是进行项 目设置与管理 ，组态硬件与通信及完成参数 分配， 对符号表进行管理，对程序进行创建、 运行、诊 断以及监视 。 首先通 过对硬件 目录 窗 口中进行机 架选择 ，在 S I M A T I C 3 0 0 S t a t i o n 中进行中央机架的配置要无间隙地 将机架插入好 然后将各输入输 出模块感觉预先设计 在 目录中找到 ，随即安装到机架指定槽上。而S T E P 7 会 将槽位安排地址情况进行 自动默认 ，在通过保存后 ， 系统会 自动生成系统数据块。其次 ，要选取P C 5 6 1 l 通 信卡将P L C 与S T E P 7 的通讯实现，该卡即插即用，具备 较快的传速，能对程序进行调试与下载Ⅱ 1 。 2 误差分级变论域模糊控制 电机软启动仿真模 型的构建 模糊控制 技术 该 技术是建 立在模糊 数学理论 具体是模糊逻辑推理 、模糊语言变量 、模糊集合论 的基础上， 利用计算机、传感器、自动控制论等技术， 实现智能、自动的控制。 S i m u l i n k 是 由M A T L A B 推出的交互式操作动态系统 建模、仿真软件包 ，其独特的模块化操作方便用户进 行系统建模和仿真 ，为用户省去大量 的重复编程 ，对 过程控制仿真的适用性广 ，包括 了线性与非线性 、连 续与离散 、混合动态系统等的仿真实现。 由于通风机动力来源是三项异步电动机 ，在直接启 动电机瞬间，会因为电机的零转速使得绕组线圈不产生 电感，而绕组线圈是铜线 ，电阻也很小 ，此时电路电阻 和绕组线圈电阻大致相等 ，由此会导致超过电机额定的 电流。因此，误差分级变论域模糊控制重在设计控制电 下转 5 9页 3 9 2 0 1 7年第 2期 裴守仁 坚硬顶煤弱化对放顶开采影响分析 2 0 1 7年 2月 性 。如图5 a 。顶煤弱化前颗粒粘结性良好 ，不仅表面 接触力较大 同时特性一致 的颗粒会 自发形成簇 ，导致 放顶出煤难度大增。经过弱化处理后 ，如图5 b 、4 c 所示 ，煤体粘结性降低 ，顶煤放出量获得显著提升 。 此外 ，图片对 比还可知 ，采用爆破弱化处理方法煤体 放出量高于注水弱化方法r4 ] 。 3 ． 2 顶煤弱化前后放出对比分析 未进行回采作业前前，煤体覆盖了模型的整个框 架 ，由此可计算 出待采与待放煤体的面积 ；而煤体放 出后同样能对框架内剩余的煤体残留体积算 出 ，两者 相减所得数值 与开采前煤体所 占总体积相除所得即为 顶煤 的放 出率 。表3 所示 即为顶煤放出弱化前后的对比 统计表 ，由表分析可知 ，通过注水弱化顶煤放 出率可 达8 3 ％，爆破弱化后顶煤放出率可达8 9 ． 5 ％，而未弱化 时的顶煤放出率仅为5 3 ％。这种现象表明，未采取弱化 措施前 ，顶煤煤体问结合力极强 ，顶煤放 出难度较大 ； 而采取相应 的弱化措施后 无论 注水弱化还是爆破弱 化煤体结合力大幅减少 ，顶煤放 出难度大 幅降低且 放煤量极为匀称。由此可见 ，采用有效 的坚硬顶煤弱 化措施能显著削弱煤体力学性能 ，降低开采难度 ，增 表 3 顶煤放出弱化前后对 比统计表 放煤 面积 放 出率 顶煤 m ％ 来弱化 l 6 3 5 3 注 水 弱化 2 4 6 8 3 爆 破 弱化 2 6 9 8 9 ． 5 加煤体放出率 ，从而提升矿井经济效益[ 5 - 6 1 。 4 结语 地下复杂多变的地质环境使得煤炭生产时常面临 种种 问题 ，其中综放生产中的坚硬顶煤 ，使得顶煤无 法覆岩 自身载荷 的影响下轻松垮落放 出，从而导致煤 炭回采率的大幅降低 ，严重制约矿井经济效益的提升。 针对于此，采用P F C 数值模拟手段 ，对顶煤弱化对放顶 开采的影响作 出分析 ，结果显示通过采取有效 的弱化 措施 注水或爆破顶煤煤体颗粒间的粘结力 大幅削 弱，不足原先的6 0 ％，顶煤放出率获得显著提升 ，有原 本的5 3 ％提升至8 0 ％以上 ，极大地提升了煤炭回采率与 煤矿经济效益，具有积极的推广意义。 参考文献 [ 1 ] 索永录． 坚硬顶煤弱化爆破的宏观损伤破坏程度研究[ J ] _ 岩 土力学， 2 0 0 5 6 8 9 3 8 9 5 ． [ 2 ] 索永录． 坚硬顶煤弱化爆破的破坏 区分布特征[ J ] ． 煤炭学报 ， 2 0 0 4 6 6 5 0 - 6 5 3 ． [ 3 ] 谷拴成 ， 于远祥 ， 朱彬． 坚硬顶煤预裂爆破弱化 的数值模拟 分析 [ J ] ． 矿业安全与环保 ， 2 0 0 8 2 3 6 3 8 ． [ 4 ] 岳基伟， 岳高伟， 曹汉生． 坚硬顶煤弱化对放顶煤开采的影响 [ J ] ． 煤矿安全， 2 0 1 6 8 4 9 5 2 ． [ 5 ] 刘金凯， 赵健健， 张世青， 等． 急倾斜综放工作面坚硬顶煤弱化 技术[ J ] ． 中国煤炭， 2 0 1 4 4 5 2 5 5 ． [ 6 ] 吴兆华， 于雷． 坚硬顶煤弱化的深孔爆破合理炮孔间距研 究 [ J ] ． 煤矿开采， 2 0 1 5 4 1 0 7 1 1 0 ． 责任编辑高志凤 ●●● ●●●0● ●●◇● ●●●●●●●●●● ● ●● ●●● ●● ●● - - 0 0o- 争 0- - 00●0● 上接 3 9页 流， 使其在电机电路可承受的电流容量范围内。 在传统减压启动法中所存在的问题有 不能对起 动电压进行线性连续平滑调节 ，由此产生起动瞬间的 尖峰电流冲击 ；二次 冲击 电流的存在 ；带载切换易损 坏接触器触点 的拉弧 。在传统软启动法所存在的问题 有 其异步 电机在起动中属于非线性时变 系统 ；很难 建立P I D 控制 是以比例 、积分、微分控制的调节器控 制规律要求中精确的数学模型；很难调节P I D 控制参 数 ，会发生起动振荡。 针对 以上两种启 动方法的缺陷 ，采取模糊 控制 ， 模仿人的控制经验 ，就能将 电机启动过程 中的冲击电 流 现象解决 。 误差分级变论域模糊控制 电机软启动仿真模型的 构建 。系统仿真需要建立从3 个模糊决策模块到双向反 并联 晶闸管模块的4 个模块 ，而其它电动机 、电流检测 等模块 已在S i m u l i i n k 中建立好 了。3 个模糊决策模块原 理相同 ，只是 论域不 同。误差分级变论域选择模块 。 在对 所设 置 的3 个模 糊控 制模块 进行 选择 时 ，由于 S i m u l l n k 的模块数有限，由此 ，要编写函数程序 ，利用 S i mu l i n k 里面的S 函数来实现各模块的交互作用 。 系统整体仿真 。提前测出电流误差值与 电流变化 率值 ，并将其同时输入到3 -1 “ 论域不 同的模糊控制模 块，再将三模块中输出的电流误差值输入s 函数，开始 程序选择模块 ，随后将所选输 出策略进入脉冲发生模 块的输入端 ，由此与三相交流电同频率不同宽度的脉 冲，将双向晶闸管模块 导通角进行控制 ，从而达到基 于变论域模糊论对电机端输入端有效电压大小 的控制 ， 解决了电机电路可承受的电流容量问题圆 。 3 结语 基于P L C 和模糊论进行矿用通风机监控 系统 的开 发 ，能达到稳定 、优 良的系统运行状态 ，实现对矿用 通风机的实时监控 ，调节工况 ，实现远程 的集中的操 控功能 ，解决电路电流的冲击问题 。对于所建立 的仿 真系统 ，能对启动电流进行很好 的限制 ，在启动 中， 其效果也 比模糊控制要好 ，能有效保障异步电动机的 安全操作 ，同时对操作性能也有很高的保障。 参 考文献 [ 1 ] 王诗钧． 基于模糊控制的电机软启动器设计及仿真[ D] ． 大连 大连理工大学， 2 0 1 3 ． [ 2 ] 刘 非． 基于 P L C的罐区监控 系统设计与实施[ D] ． 青岛 中 国石 油大学， 2 0 1 1 ． 责任编辑高志凤 5 9