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122 内燃机与配件 基于PLC的矿井风机监控系统设计 Design of PLC-based Monitoring and Control System for Mine Ventilator 张丽杰 ZHANG Li-jie 宁夏理工学院， 石嘴山753000 Ningxia Institute of Science and Technology，Shizuishan 753000, China 摘要 本文针对我国井下风机存在的控制功能薄弱、 运行效率低下及矿井通风不良等问题， 以西门子S7-300为核心设计了矿井 风机监控系统， 实现了系统参数实时采集、 故障诊断、 历史数据查询功能。 同时结合现场总线技术和以太网通讯技术， 系统实现计算机 远程监控。仿真测试结果表明所设计的监控系统满足矿井风机监控的功能要求。 Abstract The paper aim at the coal mine existing the problems which Control function is weak, low efficiency and poor ventilation, designed the Mine fan monitoring system with Siemens S7 -300 to realize the system parameters real -time acquisition, fault diagnosis, historical data query functions, At the same time system combined with PROFIBUS technology and Ethernet communication technology to realize remote monitoring computer. The simulation results show that the design of monitoring system can satisfy the demands of mine fan monitoring function. 关键词 监控系统;PLC;矿井风机;通风机 Key words the monitoring system； PLC； the mine fan； fanner 〇 引言 风机是煤矿企业安全生产的重要设备， 其为矿井提供 新鲜的风流， 稀释井下的有害、 有毒及爆炸性气体， 从而保 证工人在井下得以安全作业。 目前我国井下风机普遍存 在能源消耗量大、 控制功能薄弱及运行效率低下等问题， 同时风机参数异常、使用老化及风阻加大还会造成通风 不良， 严重影响企业的安全生产。矿井风机状态监控系 统能实时地对井下风机的运行状况进行监测，以便及时 发现风机故障及消除隐患， 从而保障风机安全可靠、 高效 经济运行[ 2 ,]。 针对某煤矿矿井实际需求， 参考国内外远程监控系统 的新进展1 4 ] ， 本文设计了以可编程逻辑控制器PLC为核心 的矿井风机监测控制系统，并利用TAG Simulator对界面 程序进行模拟测试， 测试结果表明所设计的矿井风机远程 监控系统能够实现预定的功能。 1 风机监控系统总体设计 风机是煤矿开采过程中的关键安全设备， 其监控系统 需要实现如下功能①实时采集显示风机运行参数（ 风压、 风量、 轴温及振动等） 、 电机工作参数（ 电流、 电压及功率 等 ） 及工作环境参数等， 实时显示风机启停、 风机反风及工 作频率等开关量数据和状态； ②风机运行出现故障、 参数 超限及违规操作等异常时， 发出报警信号并显示故障位置 以便采取相应措施;③查询风机历史开停、 报警及故障记 录及这些日志事件发生时风机系统各参数等。 基金项目 宁夏高等教育科学技术研究资助项目（ NGY2014156 。 作者简介 张丽杰（ 1974-,女， 高级工程师， 工作于宁夏理工学 院， 主要研究方向为复杂系统控制与优化。 真软件的不断完善， 对液压挖掘机的工作装置的进一步研 究， 各式各样新的问题的不断被提出和解决， 我们的技术 将不断被完善及得到更大的发展。 参考文献 「 11潘玉平.国内挖掘机行业的概况及其发展趋势「J1 . 凿岩机械 根据矿井风机监控系统的功能需求， 设计了以西门子 S7-300系列PLC为核心控制元件的在线监控系统，其主 要由现场传感器元件、 现场分布式I/O从站ET200M 、 调 度中心监控主站S7-300PLC及上位机等部分组成。通过 PLC编程能力实现对风机运行参数进行快速采集、 逻辑控 制和存储， 同时通过现场总线技术PROFIBUS和以太网通 讯的有机结合实现计算机远程监控「5 1 。 风机监控系统整体结 构分远程控制层、 中央监测层以及现场控制层三大部分。 远程控制层包括上位机显示屏， 工控机、 以太网交换 机以及打印机等输出设施。 以太网实时地接收中央监测层 PLC控制器发送过来的数据， 并将其传输到上位机显示屏 和工控机； 显示屏实时显示监控数据变化， 并在参数异常 情况下发出警报； 工控机实时地对风机进行控制， 同时实 现数据备份、 生成报表及打印输出等。 中央监测层的主体是PLC控制器，主要负责接收现 场控制层中传过来的风机参数信号， 并经过计算处理将数 据送到远程控制层的上位机，同时接受上位机对风机启 停、 反转及调速等控制指令， 执行内部梯形图程序对分站 中的风机操作等。 现场控制层是对矿井下各采区（ 如中一采区） 分别设 置 ET200M 从站， 每台风机参数（ 电流、 轴温及风量等） 由 个 ET200M从站监测， 所有从站信号通过PROFIBUS总 线串联， 然后通过光电发射模块， 经单膜光纤传输到调度 中心的监控柜中的光电接收模块。 2监控系统硬件与软件 所设计的矿井风机监控系统系统采取主从站远程输 气动工具， 2007240-45. 「 2]孔德文， 赵克利， 徐宁生.液压挖掘机「 M1 . 北京 化学工业出 版社,2007. 「 3]陈正利.中国挖掘机行业十年发展历程及当前行业面临的 机遇和挑战「J1 . 工程机械文摘， 2006,05 2-6. Internal Combustion Engine Parts 123 入输出集中控制的结构， 实现预定的监测控制功能， 需要 对负责监测风机参数的现场控制层传感器和负责实施参 数计算处理的中央监测层硬件的PLC主体控制器等硬件 进行设计与选型。 2.1硬件选型 风机电机电压、 电流以及功率等电参量的测量选用多 功能电量参数仪表PAC3200。 该多功能电量参数仪表可以 准确测量电压、 电流、 功率及功率因数等参数并就地显示， 其工作稳定性好、 抗干扰能力强， 并能通过PROFIBUS总 线传输到监测显示界面。 选用S800型智能电容差压变送器测量风机进出□风 压差， 具有零点自动跟踪能力和温度自动补偿能力， 提高 了抗干扰能力和零点稳定性。 风机及电机温度测量选用WZD系列传感器，该传感 器由探头及接线盒两部分组成，探头装置由铂热电阻、 感 温元件及外部由铜管保护并密封， 其结构均符合防爆性能 要求。 变频器型号选用MICROMASTER440简 称MM440, 它属于控制三相交流电动机转速的变频器系列， 采用具有 现代先进技术水平的绝缘栅双极晶体管（IGBT 作为功率 输出器件， 提高了可靠性。 2.2程序实现 本文通过将选用的硬件输入到控制软件程序中去创 建硬件组态， 然后再借助SIMATIC Step7 软件进行程序的 编制。 S7-300PLC硬件配置中， 选择PROFIBUS-DP现场总 线技术，将通信模块CP343-1作 为 PROFIBUS-DP的主 站， 五个采区连接接□模块ET 200M作为从站， 在硬件目 录内展开PS-300子目录， 在电源模块中选择PS307， 放置 在 1 号槽位； 展开CPU-300子目录， CPU选择315-2DP模 块 ， 在 2 号槽位； 其他模块由4 号槽位开始依次放置。 在插 入 CPU后， 打开其属性界面， 对现场总线窗□ PROFIBUS 接□进行设置， 设置行规为DP。 通过Step7 软件的梯形图编程分别针对风机启停、 变 频调速及正转反转等主要控制功能编制控制程序， 并编制 易于模拟量在PLC中输入输出的程序。 3 仿真实验与结果分析 某矿区目前井下有37kw以上的主扇5 台，根据硬件 选型在每台风机与电机的特定部位设置相应的现场硬件， 并按设计的风机监控系统完善其余硬软件的功能块， 建立 远程矿井风机监控系统。 通过Wince编制监控系统界面程 序， 并通过TAG Simulator进行仿真研究。 其 中 1 号风机的 监控主界面如图1 所示。 图 1 界面中的开关量参数与控制软件Step7 相连接， 绿色表示启动， 红色表示停止或报警， 而安全状态下报警 指示成灰色显示。 该界面的主要功能就是及时监测风机和 电机的运行参数、 风机的控制状态以及风机周围环境的参 数变化， 使井上人员大致判断风机系统整体的安全状况。 根据不同监测参数的数值范围及性质将其归类为5 组曲线图， 根据前方传输的数据， 工作人员实时确认系统 图 1 1 号风机监控系统主界面 安全或预测故障信息，同时对于已经发生异常的系统， 也 可以重新调出历史曲线图来查明系统出现问题的原因， 为 及时制定解决方案提供了重要依据。 其中风机温度参数曲 线趋势图如图2 所示。 图 2参数曲线趋势图示例 4结束语 根据某矿井风机的实际分布状况， 本文设计了以可编 程逻辑控制器PLC为核心的矿井风机监控系统。基于需 求完成系统主要硬件选型， 运用软件Step7 编写相应的控 制程序， 并借助软件Wincc编写控制系统的界面程序。仿 真结果表明所设计的PLC监控系统能够满足矿井风机监 控的功能需求。 参考文献 [1] 李红萍， 贾秀明， 李艺鸿， 等.基于MCGS的风机变频监控 系统设计「 J1.电机与控制应用， 2013,3911 47-50. [2] 刘奴， 李倩.风机在线监控系统的设计与应用「 J1 . 矿业安全 与环保,2012,39z1 51-53. 「 3]张帅， 夏承莉， 张宽琦， 等.基于PLC控制的矿用通风机监 控系统的研究[ J1 . 煤矿机械,2012,33 7 210-211. 「4]史丽娟， 包亚萍， 田峰.基于GPRS和ZIGBEE的矿井无线 监测系统的设计[ J1 . 煤炭技术,2010,29 3 43-46. 「 5]徐刚.基于GPRS和ZIGBEE的矿井远程监测系统的设计 [ J] . 煤炭技术， 2014,33 11 342-344.