基于PLC的矿山通风机监控研究.pdf

基于 P L C的矿 山通风机 陆 杰 中煤三 十处 同忻项 目部 I r r rl控 - -r “ 丁 研究 摘要 本 文主要 针对矿 山某 矿井 的通风机 系统存在着 监测参 数少 、 信 息传输 速度 慢、 风机 调节 方式落 后、自动化水 平低等 问题 进行 了分析 ， 并对通 风机监控系统进 行改造 ， 实现 了风机 的安全 、 经济 的运 行。 关键词 矿 山； 通 风机； 监控 ； P L C l 引 言 矿井通风控 制是井下采 、 掘行业必不 可少的环节 ， 特别是 在瓦斯浓 度要求严格的作业面， 井 内的通风状态 以及 瓦斯气体含量对工作人 员来 说非常重 要。 因此， 矿 井通风 的控制 具有重要 的理论意义与实际意义 。 所 谓通 风控 制， 主要是通过对通风机进行调速来控 制风 流状态 。在通常状 况 下， 井下环境恶劣且风流压力受各种扰动影 响而变化 无常、 难 以把握 。 原先用人工控 制 ，由于 无法 每时每刻对矿 井的风量进 行准确 的定位监 测 ， 很难准确控 制风机 的启停； 并且 出现 故障多 ， 可靠 性差 ， 给维修 带来 很大 的麻烦 。另一方面 ， 由于风量的随机性 ， 所使用 的风量 是动态的， 采 用传统方法难 以保证通风 的实时性 。从整体最优 目标要求 出发， 这些 因 素必须在控制设计 中加以考虑 ，这就需要寻找并应用行之 有效的理论 ， 从而来满足这些要求使设计变得 简单易行。针对 以上提 出的问题 ， 本文 采用 自动化控制对整个矿井通风 系统进 行改进 ， 将所关心 区域 主风 流作 为 当前状态 ， 井 下环境干扰作 为外部扰动输入 ， 通风机输 出功率作 为控 制输入， 并考虑实际上瓦斯浓度 、 风流流 速检 测滞后的基础上 ， 应用 控制 理论与技术解决这类矿井通风控制 问题 ， 在整体上求得技术与经济 的最 佳效益。 2 矿山通风机简介 矿 山通风机用 途分为三种 主 扇是用于 全矿 井或矿 井某一 翼的通 风 ， 又 叫主通 风机。辅扇是用于矿井通风 网路 中分支风路调节起风量 的， 是协助主通 风机 工作的。局扇是用 于矿井无贯 穿风流没有打通 的巷道 的 局部地点通风。离心式通风机与轴流式通风机的比较 1 结构 轴流式通风机 结构紧凑， 体积小 ， 重量轻 ， 可直接 高转速 电 动机拖动， 传动方式简单， 但结构复杂维修较困难； 离心式通风机结构简 单， 维修方便， 但结构体积大， 安装占地大， 转速低， 传动方式复杂毛病较 多 ， 现有机翼形 叶片可提高转速 。 2 性能 轴流式风压低 ， 流量 大， 反风方法多 ； 离心式 则相 反。在联 机运行时 ， 轴流式 的联合工作较差 ， 而离心式较好 。轴流不容 易过 载， 而 离心式容易过载 。 3 适用范围 离心式通风机适用流 量小， 风压大， 转速低 的情 况； 轴 流式通风机则相反 。轴流式适宜 阻力变 化大而风量变化不大 的矿井 ； 离 心式 则相 反 。一般 大、 中型矿井 的通风都采用轴 流式 ， 小 型多采用离 心 式， 特大型矿井也有采用叶片后弯式叶轮离心风机， 因为它效率较高。 型系列轴流式通风机属于低风压 ， 大风 量通风 ； J K型系列主要用 于井巷掘进、 采场作业面的辅助通风 ； K或 KD型系列是在 以上基础上再 提高性能和扩大机号， 并能与各种 阻力和风 量类 型的通风 网路很好 的匹 配和联机工作， 又采用 电动机与叶轮直联 结构， 因而整体稳定性极好 ， 结 构紧凑防潮 性极好 ， 安装 方便维修容 易是现有先进 的通风机 。 3 工业控制用 P L C简介 随着微 电子技术和计 算机技术的发展 ， 可编程序控制 器有了突飞猛 进 的发展 ， 其功 能已远远超 出了逻辑控制、 顺序控制 的范围， 它与计算机 有效结合， 可进行模拟量控制， 具有远程通信功能等。目前可编程序控制 器 P mg r a m m a b l e C o n t r o l l e l “ 简称 P L C已广泛应用于冶金、 矿业、 机械、 轻 工等领域 ， 为工业 自动化提供 了有力的工具 。 P L C采用 了典型的计算机结构 ，主要 包括 C P U 、 R A M、 RO M和输入／ 输 出接 口电路等 。如 果把 P L C看作一个 系统， 该系统 由输入变量一 P L C 一 输 出变量组成 ， 外部 的各种开 关信 号、 模拟信号 、 传感器检测 的信 号均作 为P L C的输入变量， 它们经 P L C外部端子输入到内部寄存器中， 经 P L C 内部逻 辑运 算或其它各种运算 、 处理后送 到输出端子 ， 它们 是 P L C的输 出变量 ， 由这些输 出变量对外 围设备进行各种控制。P L C的主要特点 3 ． 1 高可靠性 所 有的 I ／ 0接 口电路均采用 光 电隔离使 工业现 场的外 电路与 P L C 内部 电路之 间电气上隔离 ； 各输入端均采用 R c滤波器其滤波时间常数 一 般 为 1 0 ～ 2 0 ms各 模块均采 用屏蔽 措施 以防止辐射干扰 ； 采用 性能优 良的开 关电源 ； 良好的 自诊断功 能一旦 电源 或其他 软硬件发生异常情况 C P U立即采用有效措施以防止故障扩 大。 3 ． 2 丰富的 I ／ 0接口模块 有相应 的 I ／ 0模块 与工业现场 的器件或设备如 按钮； 行程 开关 ； 接 近开关 ； 传感器及变送器； 电磁线圈； 控制阀。 3 ． 3 采用模块化结构 绝大 多数 P L C均采用模块化结构 ， P L C的各个部件包括 C P U电源 I ／ 0 等均采用模 块化设计 ， 由机架及 电缆 将各模块连接 起来 ， 系 统的规模和 功能可根据用户的需要 自行 组合。 3 ． 4 编程简单易 学 P L C的编程大多采用类 似于继电器控制线路的梯形 图形式， 对使用 者来说不需要具备计算机的专门知识， 因此很容易被一般工程技术人员 所 理解和 掌握 。 3 ． 5 安装简单维修方便 P L C不需要专 门的机房可 以在各 种工业环境下直接运行 ， 使用时只 需将现场 的各种设备与 P L C相应的 I ／ 0端相连接 即可投入运行 ， 各种模 块上均有运行和故障指示装置 ， 便于用户了解运行情况和 查找故 障。 与传统的继电器线路比较 1 功能强， 性能价格比高 ～ 台小型P L C内有成百上千个可供用户使用的编程元件， 有很强的 功能， 可 以实现非常复杂的控制功能。与相 同功能 的继 电器相 比， 具有很 高的性能价格比。可编程序控制器可 以通过通信联 网， 实现分散控制， 集 中管理。 2 硬件 配套齐全 ， 用户使用方便 ， 适应性强 可编 程序控制器产 品已经标准 化， 系列化， 模块化， 配备有 品种齐 全 的各种硬件装置供用户选用 。用户 能灵活方便的进行系统配置 ， 组成 不 同的功能、 不 规模的系统。P L C有很强的带负载能力， 可以直接驱动一般 的电磁阀和交流接触器 。 3 可靠性 高， 抗干扰 能力强 传统 的继电器控制系统中使用 了大量 的中间继 电器 、时间继 电器 。 由于触点接触不 良，容易 出现故 障， P L C用软件代替大量 的中间继 电器 和 时间继 电器 ， 仅剩下与输 入和输 出有关 的少量硬件 ， 接线可减 少互继 电器控制系统的 1 ／ 1 0 ～ 1 ／ 1 0 0 ， 因触点接触不 良造成 的故障大 为减少 。 4 系统的设计、 安装 、 调试工作量少 P L C用 软件 功能取代 了继 电器控制 系统 中大量 的中间继 电器 、 时间 继 电器、 计数器等器件 ， 使控制柜的设计、 安装、 接线工作量大大减少 。 P L C的梯形 图程序一般采用顺序控制设计方法 。这种编程方法 很有 规律， 很容易掌握。 对于复杂的控制系统， 梯形图的设计时间比设计继电 器系统电路图的时间要少得多。 P L C的用户程 序可 以在 实验室模 拟调试 ，输 入信号 用小开关来 模 拟， 通 过 P L C上 的发光二极管可观察输 出信号 的状态 。完成 了系统 的安 装和接线后 ， 在现场 的统调 过程中发现的 问题一般通过修 改程序就可 以 解决 ， 系统的调试时间 比继电器系统少得 多。 5 编程方法简单 梯形 图是使用 得最多的可编程序控制器 的编程语 言， 其电路符号和 表达方式 与继 电器 电路原理图相似， 梯形 图语言形象直观 ， 易学易懂 ， 熟 悉继 电器 电路 图的 电气技 术人 员只要花几天 时间就可 以熟悉梯 形图语 言， 并用来编制用 户程序 。 6 维修工作量少 ， 维修方便 P L C的故 障率很低 ， 且有完善的 自诊断和显示 功能 。P L C或外部 的 输入 装置和执行机构 发生故障时， 可 以根据 P L C上的发光二极管或编程 器提供的住处迅速的查 明故障 的原因， 用 更换模块 的方法可 以迅速地排 除故障。 7 体积小， 能耗低 对于复杂 的控 制系统 ， 使用 P L C后 ， 可 以减少大量 的中间继 电器和 时 间继 电器 ， 小型 P L C的体积相 当于几 个继 电器大 小， 因此可将 开关柜 的体积缩小到原来的确 1 ／ 2 ～ 1 ／ 1 0 。 4 监控系统设计 4 ． 1 系统的构成 4 ． 1 ． 1 通风 系统基本情况 该矿井 主通 风系统 由两台互为设备 的 B DK 一 8 一 N o 2 5型对 旋式轴 流 风机组成， 每台通风机含有两台 1 8 5 k V的交流 电动机 。每 台通风机含 有 独立风道 ， 绞车 间汇入主风井 ， 每台通风机都装有一个立式风 门， 在通往 主风井的绞车间 内各有一 个谢 锋门。当一台通风机工作 时， 另一台通风 机则会处于备用检修状态 ， 通 过四个开风 门的开合就可 以保证 两台通风 机之 间的气密性 。在正常 生产 的情况下， 同一时刻只有一 台通 风机处于 工作状态 ， 可 以为井下提供通风的保障。 通 风机 电机 的额 定转速 为 7 4 0 L ／ m i n工 作流 量在 5 0 0 0 ～ 7 0 0 0 m3／ mi n 之 间， 在这里 ， 风量 的大小主要通过调整立式风 门的开度进行调节。 4 ． 1 _2 通 风机监控 系统结构 通风机 监控 系统的结构主要包括上位机监 测系统， P L C控 制系统和 无线通信系统 。其 中， 上位机监测系统主要 实现风机 启停、 负压、 风 门状 态等 参数 ， 以及 电机的 电流 、 电压、 轴承温 度、 开关柜状 态等信息 的适时 监测 与控制 。 P L C控制系统通过模 块输入、 模块输 出的数字输入 、 数字输出模块 ， 来实现系统信息的采集和输出控制， 并且在触摸屏幕上直观显示出采集 的信 息， 并且可 以根据监测 的参数与程序设定 ， 可 以实现操作的简单化。 无线电通信系统采用菲尼克斯无线模块进行通风机房与调度室之 间的通信 ， 并且具有传输速度快 、 安全 可靠性高等优点， 并且它 的安装 比 较 简单 、 便捷 ， 不需要 再额外施工 ， 改变 了有线通信 布线繁琐 、 安装维护 成 本大等 缺点， 该矿井 的通风机监控 系统整体结构如 图 1 所示 。 匪 田_ [ 图 1通风 机监控 系统结构框 图 4 ． 2 P L C控制系统 4 ． 2 ． 1 系统硬件设计 通风监测控制系统以西门子的 s 7 2 0 0 控制器为核心，主要实现包 括风压 、 温度 、 瓦斯 浓度 以及 电机运行参数等信息 的实时监测， 并且根据 监测 的数据进行 运算、 处理 后， 控制风机运 行， 实现最 优控制 ， 并且通过 工业 以太 网将运行 参数 发送给地面监控室 的主机 ， 同时可以接收主机 的 控制指令 ， 对风机设备进行远程控制 。 P L C控制 系统需要采集 的模拟信号主 要包括 风压 、 温度 、 电流、 电 压等 ； 采集 的开关信 号包括 启停开关 、 风 门行程 开关 、 风 机热保护开关 、 馈 电柜接 口信号等； P L C控 制系统输 出的信号包括 控制 柜开关、 风 门电 机开 关、 状态指 示等 。 由于 P L C系统 的输入输 出信息多达几十个 ， 而 C P U 2 2 4是具有的数 字量通道 为 1 4入／ 1 0出， 不具有模拟量通道 ， 所 以需要对其进行扩展 。 所有 的开关量参数直接送入 P L C的数字量模块 ， 而传感器检测到各 种模拟信 号送入 E M3 1 模块 ，而温度信 号送 入 E M2 3 1热 电阻模块 ， P L C 控制系统 的硬件结构如图 2所示。 蕉豳 2 0 1 2年 1 1月 I l 】 f I 【 ，．．． ．．． ． ． _ l l l L． ． ． 1 ， ． ． ． ． ． ． ．． 叫 _ _ 图 2 P L C系统硬 件结构框图 4 ．2 ．2 系统软件设计 P L C控制系统的软件主要完成监控数据采集与处理、 数据上传及输 出等工作， 由于 P L C的工作方式为循环扫描方式， 对输入输出会出现延 迟响应， 所以用 户程序 的语句 安排对 响应 时间有较大影响 。 P L C的程序主 要分为主程序和子程序两个部分 ， 主程序 完成系统 的 初始化和 各模块 子程序调用 而子程序包括 通讯 子程序 、 风机控制子程 序、 数据处理 子程序 、 报警 子程序等 。由于煤矿井 下环境恶劣 ， 干扰很大 ， 所 以在硬件设计时还应加入硬件抗干扰措施 及软件抗干扰措施 ， 如 软件 陷阱、 指令冗 余、 软件“ 看 门狗 ’ ， 等。P L C的主程序流程 如图 3所示 。 图 3 P L C的主程序流 程图 组态王 的监控 画面还不能真实地反映 出系统运行 时的状况 ， 必须通 过“ 动 画连接 ” 建立数据 中的变量与图形画面 中的图素之 间的关系， 才能 反映实时监测的变量并对变量进行控制。 而监测的变量是通过 P L C采集 的， P L C通常作为组态王的设备进行访问操 作， 但数据传输速度较慢 。 本方 案 上位机 采用 加 装工 业 以太 网交 换机 组建 以太 网， 而 S 7 2 0 0 P L C通过 C P 2 4 3模块连接 以太 网， 速度可达 1 0 0 M。 5 结 论 目前国内许多风机为恒速运转，不能根据实际需要调整排风量， 电 能消耗严重 ； 在风机 出现 故障时需要手 动切换工作 设备 ， 并人 工上报 故 障信息， 可靠 性和 实用性低 。 本课题开发 的以 P L C核心 的风机监控系统 ， 可 以采集多种 参数， 控制风机运行状态 ， 采 用工业 以太网通信方式 ， 主机 可 以对 电机运行参数进行实时监控 。 系统在实现 自动控制 的同时，也可通 过操作按钮进行手动操作 ， 进 一 步保证了风机的稳定运行 ， 解 决了可靠性和实 时性 的需求 。 本系统可 以推广应用至煤矿 的安全通风， 以及 电厂热 电厂的通风引 风 ， 具有较高 的社会效益和经济效益。 参考文献 [ 1 ] 王志伟 ， 蒋兆远． 基于以太网通信的 自动化立体仓库管理与监控系统『 J 1 ． 中国工程 科学 ， 2 0 0 4 ， 0 6 ． 【 2 ] 许 明， 言志信， 刘 坚． 大型泵机组状态监测及工况调控系统的研制fJ ] ． 机械工程 学报 ， 2 0 0 2 ， 0 7 ． [ 3 】 周九宁．可编程控制器在矿 山设备 中的应用叨．采矿 技术．2 0 0 4 ， 0 1 ． [ 4 ] 夏俊生， 王 才l矿井主通风机在线监控系统【 J 】 ． 山东煤炭科技， 2 0 0 7年O 5 期． [ 5 ] 张焕新 ． 东风井主通风机在线监控研究与应用[ J ] ．煤 炭技术 ， 2 0 0 9年 0 l 期． [ 6 ] 陈士玮 ， 胡亚非 ． 煤矿 主通风机 性能定期 测定仪 的设计『 J 1 l 煤矿机 械 ， 2 0 0 0年 O 1 期 ． ◇ N