主扇风机在线监控系统设计.pdf

第 1 8 卷第 1 期 2 0 0 9年 2月 淮 阴工学院学报 J o u rna l o f Hu a i y i n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y Vo 1 ． 1 8 No． 1 Fe b ． 2 00 9 主扇风机在线监控系统设计 房利 国 ， 华 钢 ， 张培 ， 齐卫娟 中国矿业大学 信息与电气工程学院， 江苏 徐州 2 2 1 0 0 8 摘要 针对煤矿通风系统运行现状， 基于煤矿企业 I n t r a n e t ， 以可编程控制器和 MC G S组态软件为核心， 设计煤矿主扇风机 监控系统。研究了系统的结构和数据通信机制， 详细论述 了系统硬件、 软件的实现方法， 实现了对煤矿主扇风机运行参 数、 工作状态的实时监测与风机主辅设备控制的一体化。系统投入运行后， 效果良好 ， 具有操作方便、 安全可靠的特点。 关键 词 主扇风机 ； 监 控 ； MC G S ； P L C 中图分类号 T D 4 4 1 文献 标识码 A 文章编号 1 0 0 9- 7 9 6 1 2 0 0 9 0 1 0 0 2 3 0 4 Th e De s i g n o f Onl i ne M o n i t o r i ng a n d Co nt r o l Sy s t e m o f M a i n Fa n F A N G L i g u o ， H U A G a n g， Z H A N G P e i， Q I We i j u a n S c h o o l o f I n f o r ma t i o n El e c t ric E n g i n e e rin g ，C h i n a U n i v e r s i t y o f Mi n i n g a n d T e c h n o l o g y ， X u z h o u J i a n g s u 2 2 1 0 0 8 ， C h i n a Ab s t r a c t I n c o nn e c t i o n wi t h t h e c u r r e n t s i t u a t i o n o f mi n i n g v e n t i l a t i o n s y s t e m ，t h e mi n i n g ma i n f a n mo ni t o r i n g s v s t e rn Wa s d e s i g n e d ba s e d o n t h e c o a l mi n e e n t e r p ris e i n t r a n e t ．t h e c o r e s o f whi c h a r e PLC a n d MCGS．Th e s t r u c t u r e a nd d a t a c o mmu n i c a t i o n s t r a t e g y i s s t u di e d a n d t h e f u n c t i o n a n d t h e r e a l i z a t i o n a b o u t t h e h a r d wa r e a n d s o f t wa r e a r e t h o r o u g hl y d i s c us s e d i n t h i s p a p e r ．Th e r e a lt i me mo ni t o r i n g o f o p e r a t i o nal p a r a me t e r a n d f u n c t i o n a l c o n d i t i o n，t h e i n t e g r a t i o n o f ma i n a n d s u p p o r t i v e d e v i c e a r e r e a l i z e d ．I t p r o v e s t h a t t h i s s y s t e m i s c h a r a c t e r i z e d b y g o o d f u n c t i o n o f o nl i n e mo n i t o r i n g，e a s y o p e r a t i o n a n d s a f e t y ． Ke y wo r dsma i n fan；mo n i t o rin g；MCGS；PLC 0 引言 矿井 主扇风机是 向井下送风 的唯一设备 ， 担 负着向矿井井下输送新鲜空气、 排 出有害气体 、 保 障矿井安全生产 的重任 ； 同时 ， 由于主扇风机处于 污浊的气流中 ， 工作 电压较高 ， 电流较 大 ， 出现故 障的概率也较大 。因此 ， 设计一套功能完善 、 安全 可靠、 操作方便的矿井主扇风机在线监控 系统 ， 控 制主扇风机的运行 ， 并 对各项参数 和运行特性进 行及时 、 准确地监测 ， 对保 障矿井安全和提高经济 效益有着重要的意义。 1 系统 结构 1 ． 1 通风 系统 结构 煤矿通风系统 的结构 如图 1所示 俯视 图 ， 系统 由两 台互 为备用 的风机组成 ， 每 台风机含两 台对转的交 流电机。每台风机有 独立风道 ， 在绞 车间汇入 主风井。每台风机装有 一扇立式 风门 ， 当一台风机工作 时， 另一 台风机 处于备用检 修状 态 。通过两扇 风 门的开合 ， 可保 证两 台风机 问的 气密性 。在正 常生产情况 下 ， 同一时刻 只有一 台 风机处于工作状 态。通 风流量大致 设置为两档 ， 通过运转的电动机数量实现调节 。 摊风门 l 风机 2 风门 2 风机 图 1 主扇风机结构示意 图 收稿 日期 2 0 0 9一 O 1 0 5 作者简介 房利国 1 9 8 4一 ， 男， 江苏连云港人 ， 在读硕士， 研究方向 通信与信息系统。 2 4 淮 阴工学院学报 2 0 0 9往 风机监控系统涉及对图 1中四台电动机、 两扇 风门的控制 ， 以及相关运行参数 的采集 、 运算和上 传。 1 ． 2 风机监控系统结构 矿井主扇风机监控系统结构如图2所示 ， 整个 系统 由监 控计算 机 平板 电脑 、 wwW 服 务器 、 P L C测控系统、 通信系统组成。 平 板电脑 WWW服务器 MC G S 嵌入式版 MC G S www 矿用计算机网络www 浏览器 同关 2 3 2 ／ 4 3 I 丫 一一一一 _ _ _ I一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 嚣 一 解 块H 块 H I匝 l L l ⋯ 一 一j 荫 ic ； 区 捶累虱 一 一 系统 以和利 时公 司 H O L L i A SL E C G 3小 型 一 体化 P L C为监控核心， C P U为 L M 3 1 0 9 ， 辅 以高 性能采集模块 ， 实现数据采集与处理、 控制风机启 停 、 将采集到的数据上传 给平板 电脑 内装 MC G S 嵌入式版组态软件 等功能。 平板电脑 通过 网关 接人 矿端 www 服务 器 内装 MC G S wWW 版组态 软件 ， 以网络数据 同 步的方式 ， 同步两 台计算机上实 时数 据库 中的数 据。监控计算机能实现数据显 示、 存储、 查 询、 生 成报表、 远程监控等功能。 2 P L C系统设计 2 ． 1 硬件选型与组态 根 据 监 控 系 统 的性 能 要 求 ， 本 系 统 采 用 L M 3 1 0 9 含数字量输入 、 输 出通道 作为 C P U， 辅 以 L M 3 3 1 2 热电阻输入模块 、 L M3 3 1 3 标准信号 输入模块 两种数据采集模块。数字量的输入、 输 出由 C P U完成 ； 电机温度测量 由 L M 3 3 1 2模 块完 成 ； 气动参数 、 电量参数等的测量 ， 由 L M 3 3 1 3模块 完成 。 P L C设备 的硬件组态工作都在 P o w e r P r o编程 软件下进行 ， 包 括模 块 的选型 、 排列位置 的安 排、 通信参数设置 以及地址分配等。 2 ． 2 软件设计 P L C系统主要完成数据采集和风机启停控制。 风机的启停控 制有 自动和手动两种操作模 式， 有 相应的选择开关用 以切换 。 自动模式 由监控计算 机向 P L C发出指令 ， 再 由 P L C根据逻辑程序实现 相应动作 ； 手动模式则是通过 风机和风 门设备旁 的控制箱按钮控制风机 的启停 和风门 的开合 ， 处 于手动状态时 ， P L C的输出控制信号被封锁 ， 此时 P L C只有数据采集功能 。 自动控制模式有 2种操作方式 单机运行 只 启停一 台电机 、 双机运行 顺序启停两台电机 。 P L C中程序流程如图 3所示 ， 它显示 了在一个 循环周期内程序的执行情况。 图 3程序 流 程 图 3 监控 软件设计 本 系统 的监 控 软件 共 开发 两 套 一 套基 于 MC G S嵌 入 式 版 ， 装 在 平 板 电 脑 里 ； 一 套 基 于 MC G S www 版， 装在 www 服务器 中。这两套软 件界面相同、 功能相似 ， 不 同之处是装于上位机的 软件可 以存储历 史数 据、 显示 历史 曲线、 生成报 表， 装于平板 电脑 的软件则没有 这些功能。两套 软件共 同构 成 了上位 机冗余 软件系统 ， 当 www 服务器瘫痪时 ， 由平板 电脑 和 P L C测控 系统组成 的最小风机监控系统也会正常运行 ， 大大增强 了 监控系统的可靠性。 3 ． 1 软件结构及 功能 上位机监控软件的结构如图 4所示。 首先 ， 上位机接收来 自下位机传来的数据 ， 经 过必要 的预处理 工程转换 后送交实时数据库 。 实时数据库是工程各个部分数据交换和处理 的中心， 它将 M C G S工程 的各个部分 连成有机 的 整体。实时数 据库 中的数据经 过必要 的加工后 ， 第 1期 房利国， 华钢， 张培， 等主扇风机在线监控系统设计 可实现以下功能 1 实时数据 以图形、 动画、 曲线 等方式直观地显示在计算机屏幕上 ； 2 控制命令 被送到下位机 ， 对执行机 构实行控制 或调整控制 参数 ； 3 以声音 、 图像等方式对超限参数进行及 时报警 ， 并记 录报警 信息 ； 4 存储 、 显 示历史 数 据 ； 5 报表输出与打印。 图 4上位机监控软件 的结构 此外 ， MC G S还 提供 了一套完善 的安全机 制 ， 用户可以设置控 制菜单 、 按钮和退 出系统 的操 作 权限， 只允许有操作权 限的人对某些 功能进行 操 作 ， 防止非法登 录、 意外地 或非法地关 闭系统、 进 入开发系统修改参数或者对未授权数据进行 更改 等操作 ， 保证 了系统的安全。 3 ． 2 系统通 信组态 如图 5所示 ， 参照网络层次结 构思想 ， P I 。 C测 控系统完成数据采集及相关 计算之后 ， 通 过 P L C Mo d b u s R T U模块 与 MC G S嵌人式版的串口父设备 通讯 ， 串口子设备挂接在 串 口父设备下面 ， 把来 自 串口父设备 的数 据写入 组态 软件 的实 时数据 库 中， 同时还可 以通过串 口父设备 向 P L C测控 系统 发送上位机 的控制命令 。www 服务器 与平板电 脑之间采用 网络父 、 子设备 的形式实 现 网络数 据 交换。其中父设备构件根据物理线路的连 接负责 数据包的发送 和接收 ， 将 收到的数据包 交给子设 备处理 ， 子设备负责将父设备 收到的数据包解码 ， 完成数据 的交换 功能。在这里 ， 父设 备完成 通讯 的基本操作、 参数设 置、 实际挂接设备 的驱动 ， 子 设备则完成具体功能 ， 包括采集、 控制数据的解析 及导人 、 导 出实时数据库 。各个子设 备继承父设 备 的公有属性 ， 同时又具有 自己的私有 属性。这 种在通讯父设备下挂接多个通讯子设备 的通讯机 制 ， 使其成为一个与设备无关 的系统 ， 对于不同的 硬件设备， 只需定制相应的设 备驱动构件 ， 而不需 要对整个 系统结构作任何改动。 M C GSW 服 W “ MC G 平 S 眦 统 W 版 嵌入 式版 ⋯ ⋯⋯” } 纽 态 软 件 核 心l l 组 态 软 件 核 心l 0 l P L c 软 件 核 心1 } 实 时 数 据 库 l 厂 I 0 i 网 络 予 设 各1 j 网 络 子 设 备 I l 串 口 子 设 备l I P L C M o d b us l 0 l R T u 模 块 l ● ▲ l 网 络 父 设 备jI 一 I 网 络 父 设 备 I j 串 口 父 设 备j1 ．．．．．．．。．．．．．_ _ j 图 5系统通信 机制 4系统 的应 用效 果 4 ． 1 软件运行界 面 系统的运行界面如图6所示 。系统运行时， 界 面上可显示各种 图形动 画、 实时报表 、 历史 报表、 实时曲线 、 历史 曲线 、 报警等信息 ； 同时 ， 通过界面 上的控制按钮， 可以向P L C系统发出控制命令。 2 ≠ ≠ 风机运行参数监测 臣豳匝幽匦 因 匝 臣堕 塑口 风 峒 参 数 l 气 动 参 数 受力 | 一 一 黧 ⋯1 4 9 1⋯ ,8 ⋯4 P a垒 要 曼 墅 曼 臻 謦 孽 曼 曼 } 熙 i 1 2 ．4 6 m ～ ／m 一一 } 曼 图 6系统运行效果 4 ． 2 全特征 曲线绘 制 主扇风机全 特征 曲线包括 静压 一风量 H Q 、 轴功率 一风量 N Q 、 风机效率 一风量 h Q 三条静态曲线和一条静压 一风量 H Q 动态曲 线 ， 如图7所示。静态曲线是根据 煤炭行业标准煤 矿用主要通风机现场性能参数测定方法 现场所测 的数据 ， 按照最小二乘法拟合 出曲线方程， 再利用 M C G S曲线绘制控件予 以绘制； 动态 曲线则是根据 P L C测控系统采集的实时静压 H 、 风量 Q 数据 ， 按照它们遵循的理论 曲线， 再利用 MC G S曲线绘制 控件予以绘制。这四条曲线是衡量风机运行状态的 最为直观的判据 ， 通过全特征曲线可以判断风机当 前所处的工作区域 ， 给决策提供依据。 墼 ～ 蝴 一 ～ 一～ ～一 一 淮 阴工学院学报 2 0 0 9正 1 效率 一风量静态 曲线 ； 2 静压 一风量静态 曲线 ； 3 轴功率 一风量静态 曲线 ； 4 静压 一 风量 动态 曲线 图 7 扇风机全特征 曲线 5 结语 本文给 出了煤矿主扇风机监控系统的设计 方案 ， 该系统已在义 马煤业 集团 青海省义海能 源有限责任公司大煤沟矿使用 ， 具有以下特点 1 采用成熟的 P L C技术和组态软件技术 ， 可 靠性、 实时性高。 2 监控软件界面友好 ， 内容丰富 ， 直观形象 ， 彻底改变了过去由人工读取数据、 记录数据 、 分析 数据的状况 ， 同时 ， 安全 机制 的引入 ， 使系统 的安 全得到了充足的保证。 3 上位机软件采用冗余设计， 系统安全可 靠。 4 支持远程浏览。 参考文献 [ 1 ]张培， 尹洪胜， 刘秀英． 基于 P L C的煤矿主通风机监控 系统[ J ] ．煤矿机械， 2 0 0 8 ， 2 9 1 2 1 2 61 2 8 ． [ 2 ]王启立， 胡亚非 ， 熊建军． 基于可编程控制器的煤矿主 通风机监控管理系统[ J ] ． 煤炭工程， 2 0 0 7 ， 7 9 4 96． [ 3 ]朱海涛， 马小平， 蔡黎． 羊场湾煤矿通风机监控系统的 设计与实现[ J ] ． 工业控制计算机， 2 0 0 6 ， 1 9 1 O 7 7 78． [ 4 ]徐春艳， 华钢 ， 刘晓东． 基于 MC G S组态软件的煤矿监 控系统的研究 [ J ] ． 工 矿 自动化 ， 2 0 0 5 ， 5 2 8 3 0 ． [ 5 ]尹洪胜， 钱建生， 华钢．I n t r a n e t 环境下煤炭企业监控 系统集成研究[ J ]． 计算机系统应用 ， 2 0 0 5 ， 3 1 2一 l 5． [ 6 ]尹洪胜， 代龙江， 陈金保． 基于 We b的现代企业综合监 控系统研究 [ J ]． 计算 机应 用研 究 ， 2 0 0 3 ， 5 1 4 4 1 4 6 ． [ 7 ]贾进章， 刘剑， 耿晓伟． 矿井通风仿真系统数学模型 [ J ] ． 辽宁工程技术大学学报 ， 2 0 0 3 ， s 1 8 8 9 0 ． [ 8 ]徐瑞龙， 刘剑， 秦书玉． 风网特征图的研究[ J ] ． 煤炭科 学技术 ， 1 9 9 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