基于PLC的压风机组控制和综合保护装置.pdf

第 2 8 卷第 8 期 2 O O 7年8月 煤矿机械 C o al Mi n e Ma c hi n e l V0 1 ． 2 8 No ． 8 Au g．20 07 基于 P L C的压风机组控制和综合保护装置 杨建奎 。王雷 ，陈义强 中国矿业大学 机电工程学院，江苏 徐州 2 2 1 0 0 8 摘要 针对以往设计的压风机组的控制和保护方法的不足 ， 以 P L C 可编程控制器 为基础 ， 设计了一种新型控制和综合保护装置。该装置具有控制功能简便和保护功能全面的特点， 有一定 的推 广价值 。 关键词 压风机 ；控制 系统 ；综合保护 中图分类号 T D 7 2 4 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 3 ． 0 7 9 4 { 2 0 0 7 } 0 8 - 0 1 3 0 - 0 3 Co n t r o l l i n g a n d I n t e g r a t i v e Pr O t e c t o r o f Ai r Co mp r e s s o r s Ba s e d o n P LC YANG J i a nJ Ⅱ l i ，WANG L e i ，C I - I E N Yi q i a n g C h i n a U n i v e r s i t y o f M i ni n g＆T e c h n o l o g y ， M e c h i a n i c a l E n g i n e e r i n g C o l l e g e ， X u z h o u 2 2 1 0 0 8 ， C hina A b s t r a c t H a v e d e s i g n e d a n e w c o n t r o l l i n g a n d i n t e g r a t i v e p ro t e c t o r ， w h i c h i s b a s e d o n t h e P L C P mg r a r m n a - b l e L o g i c a l C o n t r o ll e r ，a i m i n g a t the d e f i c i e n c y tha t h a v e a p p e a r e d i n th e c o n t r o l l i n g and p r o t e c t i n g d e v i c e p r e v i o u s l y．T h e n e w c o n t r o ll i n g an d i n t e g r a t i v e p r o t e c t o r p o s s e s s e s the v alu e o f p o p u l a r i z i n g f o r i t s c h a r a e t e r i s - t i c o f s i mp l e c o n t r o l l i n g f u n c t i o n an d a l l s i d e d p r o t e c t i n g f u n c t i o n． Ke y wo r d s a i r c o mp r e s s o r ；c o n t r o l l i n g s y s t e m；i n t e g r a t i v e p r o t e c t i n g 0概况 传统风机的控制方法是通过接触器 一继 电器控 制， 其可靠性和灵活性差 ； 由于电机的容量大 ， 启 动 时间长， 启动 电流大 ， 控制精度较低 。为此 ， 需要采 用多项措施来实现对压风机 的 自动控制 ， 来提高系 统的运行安全性能。近几年来 ， 有关科研单位利用 分立元件 、 集成 电路 、 单片机等研制出数种型号的压 风机组控制保护装置 ， 从近几年来 的工业运行状况 来看， 效果不是太好， 主要原因在于科技含量不高， 大多采用一台单片机为核心 ， 多台压风机的温度 、 压 力、 断水等信号经相应的传感器采集后， 由单片机扫 描处理 ， 数据处理速度慢 ， 数据显示采用巡 回显示 ， 精确度低 ； 而且在线路 的整体设计 、 装置抗干扰， 控 制器件的选用等方面做的不是很完善。 本文介绍了一种以可编程序控制器为核心的新 型控制和综合保 护装置 ， 通过 P I E指令来实现压风 机组的控制和综合保护。 1 系统组成 各机组分别以独立的可编程控制器为核心组建 控制柜 ， 完成对单个机组状态的监测控制。 1 ． 1 控 制 系统 控制系统按功能可划分为 3个层次。 1 设备层 由各种传感器 和执行机构组成 ， 主要包括温度 传感器、 压力传感器、 流量传感器、 接近开关、 电动闸 阀、 电动机、 水泵等现场设备。这些输入输出设备作 为 s 7 2 2 4的 I ／ 0点接入总线 。 2 控制层 由分布在各个工作现场 的 s 72 2 4 P L c C P U 2 2 4 模块 、 模拟量输入输出模块 、 通讯模块、 数字量输入 输 出模块 ， 分别利用各 自通讯端 口通过一根屏蔽双 绞线相连， 通过通讯模 块与主控制 P L C进行通讯 ， 从而构成整个控制 网络。各个 s 7 2 2 4 P L C通过通 讯模块作为子站 ， 负责现场 的信息采集并 向主站发 送有关信号， 具体执行控制命令， 满足矿用压风机运 行流程控制要求。 3 监控层 作为监控 系统的人机交互接 口， 通过安装组态 软件的工业控制计算机， 实现对矿用压风机系统的 状态监控、 参数设定和报警显示。 1 ． 2监 测 系统的软件 设计 系统的软件是根据系统功能要求而编制的， 包 括 P L C控制软件 和工业控制计算机图形监控软件 两部分。 1 P L C控制软件 编程采用 S I ME N S专用 的 S T E P 7语言 ， 以完成 硬件的组态与参 数设 置、 通信 的定义 、 编写 用户程 序、 测试启动及维护、 文件建档等任务。S T E P 7采用 模块化结构及标准功能块调用方式 ， 把许多分立的 功能块 F B 、 程序块 P B 、 组织块 O B 、 顺序块 s B 一 1 3 0 维普资讯 第 2 8 卷第 8 期 基于P L C的压风机组控制和综合保护装置杨建奎， 等 V o 1 ． 2 8 N o ． 8 和数据块 O B 组织起来 ， 增强 了程序的可读性和易 维护性。P I E控制软件采用级式讯 、 i‘ 编制而成， 完 成对整个系统的控制 ， 按功能结构 呵分成 以下几个 模块 通讯参数初始模块； 公共数据处理模块； 报警 模块 ； 流程选择模块 ； 信息显示模块； 流程运行模块 ； 流程停止模块 ； 水泵和冷风机控制模块 。 2 上位机图形监控 亚控公司的 1 2 8 点组态王组态软件是一个集成 的人机界面系统和监控管理系统， 它提供 了适用于 工业的图形显示、 消息报警 、 过程值归档 以及报表打 印等模块 ， 具有高性能的过程耦合 、 快速的画面更新 以及可靠的数据管理功能 ， 充分满足用户的复杂要 求 。 2 系统控制原理 控制系统分 为手 动运行方式、 自动运行方式 2 种。 手动运行方式为各机组独立运行方式， 系统控 制柜不对其控制 ， 主要解决压风系统绝大多数机组 检修或故障时相对无 自动运行 意义的运行状态 ， 属 单机人工控制运行模式 。 自动运行方式是 正常供气状态下的工作方式， 在该方式下， 所有机组都将受控于系统控制柜 ， 系统 控制柜根据各机组人为设置状况 、 运行状况、 待机状 况 、 系统压力状况等加 以控制。 自动运行 方式 的控 制原则是“ 先开先停 、 先停先开 ， 各机组工作机会均 等” 。自动运行方式的宗 旨是在各机组现场长期无 人的状况下保障其正常运行， 满足生产的需要。 3 保护种类的确定及传感器的选择 压风机控制 、 综合保护装置 、 保护种类设定的原 则是依照 煤矿安全规程 相关条款的规定设定。 设定的保护有 断水保护 一级缸 、 二级缸 、 冷却 器 ； 断油保护 ； 一级缸超温保护； 二级缸超温保 护； 风包超温保护； 油温超温保护； 欠励磁保护 ； 机组停 车误投励保护。 1 断水保护是压风机的重要保护 ， 因此必须采 用可靠的检测手段。在本设计 中， 采用冷却水流量 检测 ， 采用 L X一5 0液流信号传感仪， 其传感器采用 霍尔传感元件精确采集水流量。 2 断油保护采用霍尔压力变送器， 工作电压 2 2 0 V A C ， 输出电压 0 ～ 5 V D C ， 测量范围 0 ～1 M P a 。 3 一级缸超温保护 、 二级缸超温保护 、 风包超 温保护温度检测采用铠装 P t 一1 0 0 铂热电阻。 4 温度 、 压力传感器将压风机的温度 、 压力物 理值转换成电信号， 分别送人 E M一2 3 1 A I 2R T D和 M一2 3 1 A I 4扩展模块 ， E M一2 3 1 A I 2R T D和 M一 2 3 1 A I 4 将 电信号滤波后转换为 0 ～3 2 0 0 0范围内 的数据 ， C P U 2 2 4通过总线读取这些数据， 经过运算 后判定温度是否超 限、 压力是否在安全范围内。如 果超 出设定范围， C P U 2 2 4将发出安全保 护指令 ， 报 警或切 断压风机 主回路。将 断水信号输入 s 72 2 4 的输入点 1 0 ． 0 ， 如果压风机的冷却水不 流动或流量 过小 ， 1 0 ． 0将是“ 0 ” 信号 ， C P U 2 2 4将发出断水保护指 令 。同时将 温度、 压 力数据通 过 3 M D串行通讯技 术， 送人 3 M D一4数据显示表显示。为 了实现压风 机综合保护集 中监控， 通过普通 的两芯屏蔽双绞电 缆将多台压风机综合保护进行联网， 通过西 门子开 发 的 P P I 通讯协议 ， 将 多台压风机 的运行数据送人 上位计算机 ， 通过亚控公 司的组态软件 ， 将 多台压风 机的运行数据集中分屏显示， 以模拟画面的形式， 实 时显示压风机的各种运行参数。 4 压风机综合保护基本 配置 1 调节器的 C P U采用 s 72 2 4 ， 具有 P P I ／ P C通 讯协议 ， 另外 ， 还有多路模拟量 、 数字量处理接 口。 2 测温采用 E M一2 3 1 A I 2R T D热 电阻模块 ， 提供了与多种热 电阻连接的接 口， 可用通过 D I P开 关来选择热电阻的类型， 接线方式， 测量单位和开路 故障的方 向。所 有连接到 E M一2 3 1 A I 2R T D热 电 阻模块的热电阻必须是相同的类型 。 3 压力测量采用 E M一2 3 1 A I 4模拟量扩展 模块 ， 模拟量输入点数有 4个， 采用差分输入 ， 可通 过 D I P开关选择输入范围 0～5 V、 0～1 0 V、 0～5 V。 输入分辨率 0～1 0 V时 2 ． 5 m V， 0 5 V时 1 ． 2 5 mVo 双极性 全量程 范围 一3 2 0 0 0～3 2 0 0 0 ， 单极 性 全量程范围 0 ～3 2 0 0 0 。 输入阻抗 ≥1 0 MQ， 输入滤波器衰减 一3 d B 3． 1 k Hz 。 最大输入 电压 3 0 V D C ， 分辨率 1 2位 A ／ D转 换器。 4 上位计算机采用 I B M／ A T X兼容机 ， 要求 C P U为 P e n t i u m 4 ，1 ． 7 G H z 或主频更高的 C P U 。 内存至少有 2 5 6 MB 。 硬盘至少大于 4 0 G B 。 操作 系统 Wi n d o w s 2 0 0 0 、 Wi n d o w s X P 。 5 结 语 本系统经过运行实验， 性能稳定可靠 ， 大大减少 了运行人员的劳动强度。本装置各项功能和技术性 能指标均达到系统规划和设计 目标 ， 运行稳定 ， 抗干 扰能力强 ， 测量精度高， 实用性强，对矿用压风机的 一 1 31 维普资讯 第 2 8卷第 8期 2 0 O 7年8月 煤矿机械 Co a l Mi n e Ma c h i n e r y v 0 J ． 2 8 No ． 8 Au g．20 07 调度 绞车深度指示器的研究 曹兆富，李艾民，李洪喜，陆金新 中国矿业大学 ，江苏 徐州 2 2 1 0 0 8 摘要 从 经济实用的角度 ， 对矿 用调度绞车传统的机械式深度指示器结构进行替代式改造 ， 采用接近开关、 单片机和 C P L D等核心器件构成新的指示 系统， 为操作人 员提供直观、 有效的提升 深度数据依据 ， 为工业生产提供便捷和安全保 障。 关键词 调度绞车；深度指示器；接近开关；单片机 ；C P L D 中图分类号T D 5 3 4 文献标志码 B 文章编号 1 0 0 3 ． 0 7 9 4 2 0 O r 7 0 8 ． 0 1 3 2 ． 0 3 S t u d y 0 n D e p t h I n d i c a t o r o f D i s p a t c h i n g Wi n c h CAO Zh a of u，L I Ai rai n，L I Ho n gx i ，LU J i nx i n l C h i n a U n i v e r s i ty o f M i n i n g a n d T e c h n o l o g y ， X u z h o u 2 2 1 0 0 8 ， C h i n a Ab s t r a c t F rom a p r a c t i c al a n d e c o n o mi c al p o i n t ，t h e t r a d i t i o n a l me c h an i c al s t r u c t u r e f o r s h o wi n g t h e d e p t h o f t i g h t wi r e i S r e p l a c e d b y a n e w d e s i g n． T h i s n e w s y s t e m c o n s i s t s o f d e v i c e s s u c h a s p mx l mi t y s wi t c h e s ，MCU， CPL D an d 8 0 o n． I t c a n p r o v i d e i n t u i t i o n i s t i c an d e ff e c t i v e d a t u m o f the d e p th for the ma c h i n e o p e rat o r ， e n s u r ． i n g c o n v e n i e n c e an d s e c u r i t y for i n d u s t r i al p r o d u c t i o n． Ke y wo r ds d i s p a t c h i n g win c h；d e p th i n di c a t o r ；p rox i mi ty s wit c h；MC U；CP L D 0 引言 调度绞车是矿区常见的一种牵引工具 ， 在货物 提升方面发挥着十分重要的作用 ， 但是调度绞车 的 提升深度指示一直都是一个棘手的问题。传统的深 度指示结构是纯机械式的 ， 由大型的内齿轮 、 丝杠等 传动构件组成， 通过对螺纹旋转量、 下绳量进行粗略 的估计， 对操作工的操作经验有很高的要求。此机 械深度指示结构制造成本非常高， 而且还达不到理 想的效果。鉴于此， 采用传感器、 C P L D 、 单片机组成 的系统取代原有的机械结构 ， 有着很广 阔的工程应 用意义。 1 传感器的选择与安装 1 传感器的选择 采用接近开关， 常开和常闭原则上都是可以的， 根据其探头是否被有效距离 的物质所阻挡 ， 会产生 高低电平的变化， 就可以通过此信号对滚筒所旋转 的转数进行计数。传感器必须要满足探测距离的要 求 ， 在安装尺寸允许 的条件下尽可能大于 8 m m， 这 样可以适当降低改造机械结构的加工精度， 从而降 低加工成本和安装难度。 2 传感器的安装 在调度绞车的端面上安装一个如 图 1 a 所示 的圆盘 圆盘可以通过焊接的方法与绞车滚筒的端 面固定 ， 是共轴 的 ， 圆盘 的尺寸大小根据具体的绞 车型号而配置， 上面打有 6 个直径合适的通孔 ， 两两 通孔与圆盘中心的夹角均为 0 o ， 每个通孔距离圆盘 中心的半径都是不相同的。 图 1 b 所示的是安放传感器接近开关的座架， 它与绞车的底座是固定在一起的。其上所标注的6 个通孔用来安装接近开关 ， 6 只传感器在图1 所示 高效稳定生产有重要 的作用 ， 并可 以实现生产设备 与生产管理的集成， 是矿用压风机监控系统的发展 方向。该监控系统可以提高矿用压风机房的信息化 程度 ， 具有一定的参考价值 ， 值得推广和应用 。 参考文献 [ 1 ] 时宗林， 崔明光． 压风机断水保护的 P L C应用 [ J ] ． 煤矿机械， 2 0 0 4 ， 2 5 5 1 1 3 1 1 5 ． [ 2 ] 田忠超 ， 王新栋 ， 王保齐 ， 等 ． 煤 矿压风机智 能温度监测报 警仪的 设计 [ J ] ． 煤矿机械， 2 0 0 5 ， 2 6 1 2 2 4 2 6 ． [ 3 ] 赵忠仁 ， 杨立琴 ， 李平 ． 煤矿 压风机微机实时监控 系统 [ J ] ． 煤炭科 技 ， 2 0 0 5 1 2 82 9 ． 2 0 O 5 ， 2 6 3 8 6 8 7 ． [ 5 ] 杨洋 ， 吴 明发 ， 陈立 ． P L C在高压风机 中的控制应用 [ J ] ． 江西煤炭 科技 ， 2 0 0 5 3 ． [ 6 ] 黄友锐， 王清灵， 凌六一． 基于现场总线的压风机监控系统[ J ] ． 煤 矿机械 ， 2 0 0 5 ， 2 6 1 2 1 0 6 1 0 8 ． [ 7 ] 袁亮， 单奇． 组态软件在隧道通风监控系统中的应用[ J ] ． 计算机 与现代化 ， 2 0 o 3 8 7 27 4． 作者简介杨建奎 1 9 7 5 一 ， 山东微山人， 1 9 9 9 年毕业于中国矿 业大学机电一体化专业， 一直在中国矿业大学从事煤矿安全方面研 究工作 ． [ 4 ] 郭家虎， 王清灵 ． 矿井压风机的数字化励磁电源[ J ] ． 煤矿机械， -- - 1 32 - - 收稿 日期 2 0 0 7 ． 0 4 - 0 6 维普资讯