羊场湾煤矿通风机监控系统的设计与实现.pdf

工业控制计算机} 2 o o 6年 1 9卷第 1 O期 羊场湾煤矿通风机监控系统的设计与实现 De s i gn a n d I mpl e me n t a t i o n o f Ve n t i l a t o r Mo n i t o r i n g a n d Co n t r o l l i n g S y s t e m in Y a n g c h a n g w a n Co ll ie r y 朱海涛 马小平 中国 矿业大学 信电学院， 江苏 徐州 2 2 1 0 0 8 蔡 黎 重庆三峡学院物理与电子工程学院， 重庆 4 0 4 0 0 0 摘 要 结合宁夏煤 业集 团羊场湾煤矿 矿 井通 风机监控 系统的设 计 ，介 绍 了利 用 西 门子 S 7 3 0 O ／ 4 0 O系列 可编程 控 制器和 P R OF I B U S DP总线技术设计 实现 通风机远程监控 的方法及其功能。现场 实际运行显示 ， 系统反 应灵活可靠性高。 关键词 通 风机 ， P L C， 现场 总线 ， 监控 Ab st r ac t Wi t h t h e d es i gn i n g o f t h e v en t i l a t or mon it o r i n g a nd c on t r ol l ing s y s t e m i n Yan gch a ng wan c ol li e r y， t h i s pa per in t r odu c es t h e wa y o f d e v e lo p i n g l o n g - d i s t a n c e mo n i t o r i n g a n d c o n t r o ll i n g s y s t e m wit h Sie me n s S 7 - 3 0 0 ／ 4 0 0 c la s s P L C a n d P ROF I B U S- D P f ield-bu s．Ru n ning s h o ws t h a t t h e s ys t e m i s a gi le an d r e l iable． K e y wo r d s v e n t i la t o r ． P L C， f ie ld b u s ． mo n i t o r a n d c o n t r o l 矿井通风机是煤 矿生产的重要设备 之一 ，对于矿井通风机 监控 系统而言 ， 为保证通风机 的安全可靠运行 ， 其 功能必须涵盖 通风机 电动机启停控制 、 风 门的开合 、 各项运行参 数监测 以及上 下位机通信等多个方面。大型煤矿生产企业所应用的生产设备 往往多而分散， 对于传统的基于 P C、 P L C等产品的监控系统来 说 ， 如不采用工业 以太 网、 现场总线等先进通讯技 术将 各生产设 备 的监控系统有机的连为一体 ，则难 以及 时有效 地对各设备的 状态进行协调管理，在很大程度上不利于生产效率和安全性的 提升。作者结合宁煤集团羊场湾煤矿通 风机 监控 系统 的设计开 发 ， 介 绍 了 一 种 基 于 S 7 3 0 0 ／ 4 0 0 可 编 程 控 制 器 和 P R OF I B U S D P总线 的通风机监控 系统 的实现方式 。 1 系统概述 神华宁 夏煤业集 团羊场 湾煤 矿是新 近 投产 的设计 年 产量 5 0 0万 吨的国有 大型煤矿 ，其 通风 系统 由两 台互为备用 的 B D K 通风机组成 ， 每台通风机含两台对转 的防爆三相 鼠笼式异步 电动机 ， 单台电机额定功率 4 0 0 K W。每台通风机有独立风道 ， 在 绞车 间下汇合入主风井。 每 台通风机装有 1部立式风门 ， 在通往 主风井 的绞车间内各 有一台斜 风门。 当一 台通 风机工作 时 ， 另一 台处于备用检修状态 ，通 过四 台风 门的开合可保 证两台通风机 间的气密性。 在正常生产情 况下 ， 同一时刻只有一 台通风机处于 工作状态 ， 为井下提供通风保 障。通风 流量设置为两档 ， 通过运 转 的电动机数量实现 调节 。通 风机结构 如图 1所示。 2 墟 机 俯视图 图 1 羊场湾煤矿通风机 示意 图 通风机监控系统涉及对图中 4台电动 机、 2台立式风 门和 2 台斜风 门的控制 ， 及相关运行参数 的采集 、 运算和上传 。 2 监控系统结构 与硬件配置 2 ． 1系统 结构 通风机监控系统是羊场湾煤矿全 矿综 合 自动化系统 的重要 组成部分 ，该 综合 自动化系统包括 主井 提升机 、井下 中央变 电 所 、 主井皮带机 、 通风机 等若干个子系统 。每个子 系统均 由 S 7 2 0 0 ／ 3 0 0或 支持 P R 0F I B U S D P协议 的第 三 方设 备作 为智 能 从站 ， 带有 P R OF I B U S D P总线接 口和以太 网接 口模 块的 S 7 4 0 0站作 为主站 ， 在整个 P R OF I B U S DP网络 中仅 含有一个 主 站 ，为纯 主一 从 系 统 ，调 度 中心 的上位 机 通过工 业 以太 网与 P R OF I B U S DP主站实现数据通讯 。系统 结构如图 2所示 。 F 1 BUS 从 s 7 ． 3 1 O P LC S2 、 度、转速等传瞎器、蹙送器 图 2系统 结 构 图 P R OF I B U S总线主要有电气接 口网络和光纤接 口网络 两种 网络形式。从保 证长距 离数据传输 和抗 强电磁干扰 的两个角 度 考虑 ，我们选择光纤接 口网络作 为主要的数据传输手段 ，采用 OL M／ G1 2光线 链路模 块 Op t i c a l L i n k Mo d u l e 进 行光 、 电信 号转换 ， 其最大 传输 速率 1 2 Mb iVs ， 本系 统 中实际 速率 设定 为 3 Mb iVs 。 该模块 含一个 R S 4 8 5电气接 E l 和两个光线接 El， 同时 维普资讯 7 8 羊场湾煤矿通风机监控系统的设计与实现 为光纤网络上其它 站点提供扩展 。 2 _ 2硬件选型与组态 西 门子 S 7 3 0 0可编程控制器构成 了通风机监控系统 的主 体 ， 所有针对通风机 的控 制 、 监测 等功 能都是通过 它来实现 的。 P L C设备的硬件组态工作都在 西门子 S T E P 7开发环 境下的硬 件组态工 具 H a r d w a r e C o n f i g中进 行 ， 包括模 块 的选 型 、 槽位 的安排 、 通信设置以及地址分配等。 根据系统功能和网络通信的要求 ，对主从站分别选用相应 的功能模块 。 依据订货号在相应槽位插入导轨及各功能模块后 ， 按照设计要求分别对 DP接 口属性 、 I ／ O地址 、 模拟 量输入模块 、 通讯模块 等进行设置 ， 具体步骤不再赘述 。进行 网络组态 时 ， 先 通过光纤 和链路模块将主从站连接起来 ，在本 系统 中主站采用 的 CP U 4 1 6 2 DP和从站 采用的 CP U 3 1 5 2 DP中央处理模 块 都有集成的 P R OF I B U S DP接 口。 在对主从站进行组态时 ，原则 上先组态从站。组态完从站 后 ， 以同样 的方式建立 S 7 4 0 0主站并组态 ， 选择与从站相同的 P R OF I B U S网络 ，并设 置相 应 的地 址 。打开硬 件 目录 ，选 择 “ P R OF I B U S DP-- Co n f i g u r a t i o n S t a t io n ” 文 件 夹 ， 选 择 CP U 3 1 x ， 拖曳到 D P主站 系统的 P R OF I B U S总线 上 ， 从 而将其 连接到 D P网络 上。 此 时自动弹出“ DP s l a v e P r o p e r t ie s ” ， 在其 中的 “ C o n n e c t io n ”标签 中选择添加 已经组态过 的 7 - 3 0 0从 站。 在整个综合 自动化系统中 ， 有多个从站 ， 要一个一个连接 ， 方 法基本相同。 然后点击“ C o n f ig u r a t i o n ” 标签 ， 设置主站通信接 E l 区， 确保 主站输出 、 输入区分别与从站输入 、 输 出区对应。 待配置完成后 ， 将组态好的文件下载到主从站各 自的CP U中。 3 软件设计 完成主从站 的硬件组态后 ，即针对提出的控制功艺要求对 P L C进行控制 、 通信以及实 时监控的程序设计 。 程序设计使用安 装 S T E P 7 P r o f e s s io n a l V 5 ． 2软件包的 P C机 ， 采用梯形图语言 L A D 和模块化编程方式 ， 在 主程序循环块 OB 1中调用各 功能 块 F B、 功能 F C、 系统功 能 S F C、 数据块 D B以及组织块 OB等， 这样 的结构有效地增强了程序 的可读性 ， 便 于检查修改 。 编程 时既可以离线编程也可以 P R OF I B U S在线编程 ， 程序 调试 完毕后 下载 到 C P U模 块 中 ，并保 存 到 MMC 卡 中插 入 CP U模块作为程序后备 。程序 流程 图如 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 ． 1控制 程序 通风机的启停控制有遥控 、就地 、和手动操作 三种操作模 式 ，有相应的选择开关 用以切换 。遥 控模 式由集控 室工 控机向 P L C发 出指令 ， 再 由 P L C根据逻辑 程序实现 相应动作 ； 就地模 式则是通 过通风 机和风 门设备旁 的就地 控制箱按钮 向 P L C 发 出指令。处于手动状态时 ， 输入 P L C的控制信号被封锁 ， 设备只 能通过手动方式供 断电。 遥控操作模式 又有两种操作 方式 ，即单 台设备启停 和多台 设备顺序 启停 。 单 台设备启停方式 ， 需按顺序按下各相关 设备的 启动或停 机按钮 ， 才能完成某台通 风机正常的启动或停机过程 ； 多台设备顺序启停方式 ，则 只需按下一个按钮 就可实现某 台通 风机的启 动或停机 。 3 l 2 实时监控 系统 的实 时监控功能要求将通风机 的运行状态 、风 门的开 合状态 、 通 风机 的振幅 、 电动机温 度以及 风流 的负 压 、 流量 、 温 度 、 甲烷含量等参数进行 显示 ， 并对针对这一 系列参数所有可 能 出现的反 常情况进行报警 。 该功 能通过两种 方式实现 ，一是通 过上位工控 机安 装的 i- F ix工业组态软件进行画面编辑 ， 发送控制指令控制通风机设备 的启停 ， 读取 P R OF I B U S DP主站获得 的相 关数据 、 信 号进行 处理和显示 ； 二是通 过 7 - 3 0 0从 站 P L C 控制 柜上安装 的西 门 子 OP 2 7 0型控制 屏 ， 以 MP I 网络 连接 CP U模块 ， 直接读 取相 关数据、 信号进行显示 。 3 ．3 数据通讯 通 过 P R OF I B U S- D P总 线连 接 S 7 4 O O主站 和 S 7 - 3 0 0 智能从站 时无需程序员协议进行编程 ，协议及通讯功能 已集成 在相应 CP U模块 中， 方便程序员调用 。完成主从站通信接 E l 区 的对应关系后 ，在下 位机程序 中需 要调用 系统功能 S F C1 4和 S F C1 5 ，其 中 S F C1 4将上位 机的控制 量数据解包 存放 在指定 D B的相应地址内， S F C1 5则从指定 D B读取数据打包上传。对 数据打包 传输 主要是为 了保持数据的一致性 ， 保 证 CP U能够在 同一循环 周期 内完成接 收区、 发送 区数据的处理。 参考文献 [ 1 ] 崔坚． 西 门子工业 网络通信指南 上 、 下 [ M] ．北京 机械工业 出版社 ， 2 00 5 [ 2 ] 西 门子 中 国 有 限公 司 自动化 与驱 动集 团． 深入 浅出西 门子 S 7 3 0 0 P L C[ M] ． 北京 北京航空航天大学出版社 ， 2 0 0 4 [ 3 ] 高伟 ． 基于 P R OF I B US D P现场总线 的闸门监控系统的设计与实现 [ J ] ．西安石油学 院学报 自然科学版 ， 2 0 0 3 ．5， 1 8 3 7 3 - 7 5 [ 收稿 日期 2 O o 6 ． 5 ．2 8 ] 维普资讯