基于可编程序控制器的煤矿主扇监控系统设计.pdf

Science and Technology Overview 基于可编程序控制器的 煤矿主扇监控系统设计 □朱会东，□田力勇2 1. 阜 新 高 等 专 科 学 校 辽 宁 牟 新 123000 2. 辽宁工程技术大学机械工程学院辽宁車新 123000 摘要针对煤矿中主扇风机监控系统过于简单、 关键参数监测精度低、 监测参数不完整、 未与调度中心摘要针对煤矿中主扇风机监控系统过于简单、 关键参数监测精度低、 监测参数不完整、 未与调度中心 信息系统集成等问题， 基于信息系统集成等问题， 基于S7-200系列可编程序控制器设计了煤矿主扇监控系统。 介绍了这一监控系统的7-200系列可编程序控制器设计了煤矿主扇监控系统。 介绍了这一监控系统的 硬件和软件， 给出了监控程序。这一监控系统可以实现煤矿主扇各类关键参数的实时监测， 并根据设定要求硬件和软件， 给出了监控程序。这一监控系统可以实现煤矿主扇各类关键参数的实时监测， 并根据设定要求 对主扇风量进行自动控制,达到无人值守的生产要求。对主扇风量进行自动控制,达到无人值守的生产要求。 Abstract Aiming at the issues such as simple function of monitoring system for main fan in the coal mine, low monitoring accuracy of key parameters, incomplete monitoring parameters, and no integration with the ination system of the control center, a monitoring system for main fan in the coal mine was designed based on S7-200 series PLC. The hardware and software of this monitoring system were introduced, and the monitoring program was given. This monitoring system can realize real-time monitoring of various key parameters of the main fan in the coal mine with auto-control of the air flow from main fan according to the preset requirements to achieve unattended production requirements. 关键词煤矿;风机;可编程序控制器;监控;设计关键词煤矿;风机;可编程序控制器;监控;设计 Key Words Coal Mine ； ； Blower Fan ； ； PLC ； ； Monitoring ； ； Design 中图分类号中图分类号TH161 文献标志码161 文献标志码A 文章编号 1672-0555201804-0040-05 文章编号 1672-0555201804-0040-05 1设计背景 煤矿主扇风机用于向井下输送空气，及时排出 粉尘， 以保障矿井生产安全和矿工生命安全。 由于矿 井井下环境条件恶劣， 主扇风机一旦发生故障， 将会 给矿区生产安全带来重大损害，因此建立一套功能 完善的风机自动监控系统十分有必要|W1。针对当前 监控系统存在的系统过于简单、部分关键参数监测 收 稿 U期 2018年 6JI 第 一 作 简 介 朱 会 尔 （ 1979,男 .硕 上 , 副 教 授 .主 耍 研 究 方 向 为 机 电 丁 .程 精度较低、 监测内容不全面、 未与调度中心信息系统 集成等问题，基 于 S7-200系列可编程序控制器 PLC设计了一种安全可靠、 操作方便的煤矿主扇 监控系统1 M。 2 煤矿通风系统构成 煤矿通风系统如图I 所示，主扇由两组对旋式 轴流通风机组成， 其中一组为工作机， 另一组为备用 40No.4 2018 Science and Technology Overview 机| 5 1 。每组通风机采用两台电机实现拖动， 并分别安 置在两个独立的风道中， 最终汇人主风道。 在每组风 机入口处设有闸门，以便于进行调节风量及调换风 机等操作。在两个风道的出口处均配置了静压传感 器和差压传感器，用于测量并采集风机运转时的负 压和流量等参数。 主风道 图 1煤矿通风系统 主扇的通风量一般可分为一级和二级两个级 别。 当风量为--级时，一台电机运行。 当风量为二级 时， 两台电机同时运行。 风机正常运行时的通风方式 为抽出式通风，这种通风方式可以起到抑制瓦斯的 作用| 6 1 。主通风机还可以通过改变电机转向来实现 反风控制。 3 煤矿主扇监控系统控制方案 3 . 1 控制要求控制要求 煤矿主扇监控系统中，控制部分可以分为矿井 主通风机控制和风机各种参数测量。系统主要由上 位机、 PLC、 变频器和各种传感器构成。PLC主要用 于实现各个参数的采集和对风机运行状态的控制。 上位机主要实现储存、 实时显示数据， 以及打印等功 能。 为了矿井生产的安全可靠进行， 管理人员要及时 掌握矿井通风机的各种信息，实时采集风机运行的 参数。如果有异常情况,可以进行实时报警。 3 . 2 系统原理系统原理 煤矿主扇监控系统的原理如图2 所示。上位机 采用工业控制计算机， 配有打印机及不间断电源， 监 控软件采集现场实时数据， 并具有、 显示、 存 储 、 打 印、 报警、 生成实时及历史曲线、 网络通信等功能， 对 矿井通风机进行远程监控。 下位机采用PLC,主要负 责采集各项分级参数的监测数据，控制数据的输入 和输出， 实现对风机的实时监测， 控制风机运行。 以 2 x 185 kW 对旋式轴流风机为例，选用 S7-200 PLC、空气压力传感器和变频器等组成一个 完整的闭环控制系统。 系统中还包括接触器、 中间继 计算机 开关量信号 继 电 保 护 A 以太网 PLC 电 气 运 行 控 制 P变频器 报警 A 模拟量信号 模拟. 扩展模块 传感器 图 2煤矿主扇监控系统原理 电器、 热继电器、 断路器等系统保护设备， 实现对电 机和PLC的有效保护， 以及对电机的切换控制。 为满足自动控制的要求， 系统提供手动、 自动两 种工作模式， 并具有现场控制方式、 状态显示及故障 报警等功能。 3 . 3 系统组成系统组成 煤矿主扇监控系统组成如图3 所示。PLC控制 柜主要用于实现风机启动、 停机， 以及两台风机切换 过程中风门与其它辅助设备的自动控制。PLC采集 柜由传感器和变送器组成，主要用于采集煤矿通风 机运行过程中电机的温度、 振动、 电量等参数。集中 监测控制台主要用于提供人机交流信息，通过人机 界面可以对煤矿通风机进行启动控制，还可以实时 监视风机运行中的各项参数， 及时掌握风机的运行 情况。PLC主要通过变频调速装置对风机进行变 频调速， 进而实现节能的目的。系统可以根据井下 风量的要求，通过调节变频器的转速来达到调节 风速的目的，也可以根据给定的变频器转速来调 节风机的风速|M|。 AC 220 V 丨 P IX 籴集柜| 30 主风机 BS 备用风机 \ m m 图 3煤矿主扇监控系统组成 采 用p l c控制，可以对电机的启动与运行控 制， 还具有监控、 联锁和过热保护等功能。PLC与空 气压力变送器配合使用， 使系统控制的安全性、 可靠 性大大提高， 同时使通风机运行时的故障率降低， 提 高设备的运转率。 号 风 机 1 号风门 图 1煤矿通风系统 变频 集中 p调速 监测 PLC 装置 控制 控制柜 亦飾 b 调速 装置 一通风口 I I通风口 装 备 机 械41 Science and Technology Overview 4 系统硬件选型 根据实际要求，并综合各方 面 对 比 ，基于 S7-200 PLC进行设计，该 PIX具 有 24个输人点和 16个输出点。 PLC变频器的型号为SJ700-3150HFE2,额定功 率 为 315 kW, 额定电流为600 A, 额定电压为380 V。变频器可适配315 kW重载电机， 完全满足现场 实际的功率需求， 并留有一定的裕量。 大多数变频器 都 有 RS485接口， 可分别使用PLC和变频器的RS 485接口，通过通信的方式来控制设备的启动、 停 止 、 正转、 反转和调速， 还可以通过这种方式修改变 频器的参数。 将 PLC、 触摸屏和监控软件结合起来， 应用于煤 矿主扇监控系统中，实现对通风机运行参数和驱动 电机电气参数的实时监测，并可显示当前运行的通 风机机号、 正反转信号、 通风机开停状态， 以及变电 所高低压设备的运行参数、 状态， 同时实现远程监测 和操控。 温度传感器选用PtlOO铂电阻传感器。该传感 器利用金属铂在温度变化时自身阻值也随之改变的 特性来测量温度，能够准确地测出轴承或定子的温 度 ， 并将测量值传送至PLC模数转换电路。当被测 介质中存在温度梯度时，所测得的温度是感温元件 所在范围内介质层中的平均温度。这种温度传感器 的特点为耐振动， 可靠性高， 稳定性好， 同时具有精 确的灵敏性 连续检测工作时风机轴承和电机轴承的温度， 是风机r 况监测的一项重要任务。 检测时， 由温度检 测元件和变送器、电压调制电路构成的检测电路与 PLC进行通信， 将温度参数上传至T. 控机。 根据本系 统的监测要求，选择热电阻式热电传感器检测风机 温度。 风量传感器选择KGF2 型矿用智能风量传感 器， 采用超声测量原理， 具有技术先进、 使用方便、 长 期使用稳定可靠、 免维护等特点。 风量传感器主要用 于煤矿井下各坑道、 风口、 井口等处的风速、 风量检 测 ， 以确保煤矿的井下通风安全， 可与各种煤矿监测 系统配套使用3 选 择 KGY4 型负压传感器对风机压力进行测 量,用于检测负压的大小， 为本质安全坻产品， 适用 于煤矿井下系统。该传感器采用高稳定性微型扩散 硅压力传感元件， 具有精度高、 稳定可靠、 使用方便 等特点“1 。负压传感器能1 各种煤矿安全及生产监 测监控系统配套使用。 瓦斯传感器选择K;J 15型智能遥控甲烷传感 器， 用于检测煤矿井下瓦斯浓度。 这一传感器主要由 黑内元件、 检测电桥、 运算放大器、 模数信号转换、 单 片机、 显示、 输出等部分组成,是一种智能型检测仪 表 ， 具有自动调零、 自动调灵敏度、 非线性补偿等功 能， 使用方便， 稳定可靠。瓦斯传感器可与国内外各 种煤矿监测系统配套使用。 对风机轴承进行振动监测与故障诊断时， 通过 速度传感器测量轴承的振动峰值、均方根值或均 值 ，并将这些测量值与事先标定出的允许值作比 较 ， 指示出轴承运行情况的正常与否。具体测试方 法为通过安装在轴承部位的速度传感器采集振动 烈度信号， 经过振动变送器送PLC， 以便实时监控 电机的运行情况。通过风机振动位移和振动周期， 可以反映风机潜在的故障， 避免风机停机等严重故 障发生。经过比较之后， 系统屮选择MT3T 型电磁 式速度传感器。 5 系统软件设计 基 于 PLC的煤矿主扇监控系统主程序流程如 图 4 所示。系统通电后， 首先进行故障检测， 然后启 动风机，打开风门，通过传感器完成通风机轴承温 度 、风机振动强度及瓦斯浓度等参数采集。如果出 现风机轴承温度、 振动值超限， 则报警停机， 如果瓦 斯超限， 则报警。如果没有报警， 则对系统参数进行 采集转换， 送 至 PLC,经过运算处理， 按系统要求进 行控制。 5 . 1 风机启动流程风机启动流程 1 号风机与2 号风机通过同一控制系统进行控 制,笔者以1 号风机为例介绍， 其启动流程如图5 所 示。启动后,打开通往井下的风门， 同时关闭地面进 风门。初始程序中设定通往井下的风门处于关闭状 态， 地面风门处于开启状态。 旋式轴流主通风机的叶 轮由两台同等容量的电机来拖动，两台电机需相反 方向旋转。为防止电机同时扁动给电网带来太大的 冲击， 设 定 在 1 号风机电机1-1启 动 30 s 后 ， 再启 动电机1-2。 42 No.4 2018 Science and Technology Overview 图 5 1 号风机启动流程 5 . 2 风机反风控制流程风机反风控制流程 对旋式轴流主通风机可通过改变电机的旋转方 向来实现反风， 不需要另设反风通道。 反风控制必须 在电机完全停止的情况下才能进行。 反风控制时， 风 门的状态保持不变。 以 1号风机为例， 当收到反风命 令时， 先按下1号风机电机的停止按钮。 当电机完全 停止后，再 按 下 1 号风机电机1-1的反转启动按 钮 ， 经 过 30 8 时间后， 按 下 1 号风机电机1-2的正 转按钮， 进行反风。风机反风控制流程如图6 所示。 6 系统程序设计 基 于 PLC的煤矿主扇监控系统采用STEP7 编 程软件进行程序设计，按系统要求将用户编写的程 序和程序所需要的数据放置在块中，使单个程序部 件标准化。 通过块与块之间的调用， 使用户程序结构 图 6风机反风控制流程 化 ， 可以简化程序组织， 使程序易于查错和修改。1 号风机电机1-1启动程序如图7 所示， 1 号风机电 机 1-1接人变频器程序如图8 所示， 1 号风机轴温 度检测程序如图9 所示， 1号风机绕组温度检测程 序如图10所示， 1 号风机轴温度超限报警程序如图 11所示， 瓦斯报警程序如图12所示。 h麵 1 播 变 财 - 11.4 Q 0.0 1 0 . 1 Q 2.4 I I H I I h-iR I-------1 R | -----------1 r|-------1 8000 0 VD190 |r|---------- 12000.0 图 1 2 瓦斯报警程序 7 结语 针对传统主扇风机控制系统中存在的问题， 基 于 PLC设计了煤矿主扇监控系统， 并进行了深入研 究。 1下位机系统采用S7-200 PLC，硬件简单、 安 全， 软件通俗易懂， 便于学习， 方便调试和维修。 通过 PLC和各种传感器的结合，对通风机的各种信号进 行采集， 并传送至上位机进行显示。 避免了传统继电 器机械接触点多、 控制方法固定等缺点， 极大地提高 了系统的灵活性、 可靠性。 2 煤矿主扇的风量调节主要采用目前先进的 变频调速方案。 采用矢量控制技术， 配合矿井主通风 机的工作环境， 只需对变频器的频率进行参数设置， 即可达到快速调节风量的目的。 3 为了提高系统的安全性，对通风机的各项 参数进行监测。 4 在设计中， 采 用 STEP7 编程软件，实现对 PLC的编程。用户通过PLC梯形图编写应用程序， 可以实现各种控制， 满足实际的需求。 参考文献参考文献 [1] 霍志涛.煤矿主扇风机自动监控研究m.数字化用户， 2017,2334 96, [2] 魏连云， 王波.新安煤矿主通风机变频改造技术应用[J] . 煤炭科技,20171 110-111. 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