基于PLC的智能矿井监控系统.pdf

甲圃 恹嚣 俄表C H IN A IN S T R U M E N T A T IO N 2 0 0 9 年 第7 期 A P P L I C A T I O N R E S E A R C H 1 应用研究 基于P L C 的智能矿井监控系统 I n t e l l i ge n t I n s p e c t i on Sy s t e m o f M i n e Ba s e d o n PL C ， 安徽 合肥 2 3 6 ⋯⋯⋯⋯ ⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯一一．⋯⋯⋯⋯⋯ ⋯⋯ ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 摘要 矿井通风 问题是煤矿安全的核心， 而通风机 的主要参数是 风量和风压， 合理地监控风量 和风压对通风设计非常重要。 基于这个背景设 计了 一套 2 P L C 为基础的智能监控 系统，实时 采集风机风量和风压参数并显示出来， 同时建 立远程监控中 心监控各个站点的情况， 并根据 工业环境的要求在稳定性方面做了专门设计， 对风机安全运行检测起到良好效果。 关键词 风量风压采集模块通信 Ab s t r a c t ．． Th e a e r a t i o n o f mi n e i S c o r e o f s e c u r i t y o f c o a l mi n e ， a n d t h e ma i n p a r a me t e r o f f a n n e r i s wi n d a mo u n t a n d wi n d p r e s s u r e ， S O r a t i o n a l i n s p e c t i o n o f wi n d a mo u n t a n d wi n d p r e s s u r e i s v e r y i mp o r t a n t t o d e s i g n o f a e r a t i o n ． Ba s e o n i t we d e s i g n e d a i n t e l l i g e n t i n s p e c t i o n s y s t e m b a s e d o n P LC， g a t h e r wi n d a mo u n t a n d wi n d p r e s s u r e o f f a n n e r o n t i me a n d d i s p l a y , a n d e s t a b l i s h l o n g d i s t a n c e i n s p e c t i o n s y s t e m， S O we c a n i n s p e c t e v e r y s t a n d i n l i n e ． b a s e d o n i n d u s t r y c o n d i t i o n we a l s o g i v e s p e c i a l d e s i g n o f s t a b i l i t y , i t i s h a s v e r y g o o d e f f e c t t o s a f e r u no f f a n n e r ． K e y wo r d s W i n d a mo u n t W i n d p r e s s u r e Co l l e c t i o n mo d 1 l l e Co mmu n i c a t i o n 1概述 近年来矿井瓦斯爆炸事故时有发生， 轻则几人， 多则几十人甚至上百人伤亡， 是矿井事故中发生频率 最高、 造成经济损失最严重的事故。 据统计， 瓦斯爆炸 多与矿井通风有关， 多为通风系统设计不合理或通风 系统出现故障。 通风监控中主要需要检测的参数就是 风机的风量和风压， 从早期的矿井设计中就注意到这 个问题 ， 产生了很多不同的通风安全检测仪表。 最初 的模拟式仪表经历了很长的发展阶段， 一直到现在仍 然发挥着重要作用。 但模拟检测仪表的致命缺点是直 接读数不准确， 精度有误差， 测量有延迟， 记录不方便 等。 数字仪表有模拟仪表无法比拟的优点， 在反应速 度和稳定性方面比模拟仪表提高了很多， 而且随着智 能技术的发展， 现代的仪表设计在注重安全稳定性的 基础上更多地加入了人性化设计， 使监控过程更加直 观， 很多情况下直接提供监控人员需要的参数， 并根 据设定的经验值对监控提出一定的指导意见， 这是目 前的仪表发展方向， 也是矿井监控发展方向。 2总体设计 通过大量的调查发现， 目前很多矿井还停留在模 拟安全检测仪表的使用阶段， 有非常大的事故隐患， 而国内同类产品则非常少， 很多都是从国外直接进口 数字监控系统， 成本非常高， 后续维修不方便。 基于此 设计了一套符合国内矿井特点的通风监控系统， 主要 采用目 前在工业环境中已经成熟的P L C 来组成主控制 器负责处理各个参数， 而附带它的模拟量模块来收集 风量和风压这些模拟量， 同时附带液晶触摸显示屏来 实时显示监控参数。 本文范例需要同时监控8 个风机 房， 因此采用了西门子最新的专用于GP RS 的远程通 9 1 应用研究 I A P P L I C A T I O N R E S E A R C H C H IN A IN S T R U M E N T A T IO N中 圃 俄 嚣 俄表 信模块S I N A uT MD7 2 0 3 ， 建立监控中心来同时 监控8 个风机房中的参数。 系统原理框图如图1 所示。 图1监控系统原理框图 风机房中的采样系统是最重要的， 本系统中的单 独模块原理图如图2 所示。 微型计算机 P P I 电缆 I l P P I 电 缆 I I 电 I 电 风 l 风I 流1流 量 l压l u l v 模拟量模块 E M 2 3 1 C N 模拟量模块 E M 2 3 1 C N 电 I电I 电 压 I 压 I压 u I v I w 3风机房设计 根据实际需要， C P U采用西门子公司的S 7 - 2 0 0 ， 2 0 0 系列C P U具有极高的可靠性、 极丰富的指令集 、 易 于掌握 、 操作便捷， 丰富的内置集成功能和强劲的通 信能力以及丰富的扩展模块， 由于主要需要的是模拟 量处理， 基本上没有涉及到数字量， 因此小型的2 0 0 系 列已经足够使用。 具体采用了C P U 2 2 4 ， 其具有1 4 个 数字量输入点和l 0 个输出点， 由于P L C C P U 只能处理 数字量， 而要采集风量和风压以及三相电流和三相电 压， 一共8 路均为模拟量， 则必须扩展模拟量变送模 块， 实现将采集的模拟量进行A／ D 转换， 再送进C P U 进行处理。 西门子模拟量变送模块E M 2 3 1 C N 具有4 路模拟 2 0 0 9 年 第7 期 量输入通道， 可以同时处理4 路差分输入， 其实主要部 分就是在变送模块中有1 2 位A／ D转换器将模拟量转 换为数字量， 输入阻抗大于1 0 M， 输入可以有多种方 式， 可选单极性的0 1 0 V电压输入、 0 - 5 V电压输入， 双极性5 V、 2 ． 5 V电压输入， 或者0 - 2 0 mA电流输 入， 在其模块上有D I P 配置开关， 可以选择不同的满 量程输入和分辨率。 同时由于内部主要是采用了 A／ D 转换， 所以配备了一个增益调节按钮， 可以在设计结 束调试过程中进行A ／ D转换增益补偿。 传感器采集到 的0 - 5 V 信号通过AI 口送进来以后转换成对应的数字 量 0 - 4 0 9 6 。 由于A ／ D转换的线性关系， 在C P U中根 据数字量就可以分析出具体是多少模拟量值。 同时经过C P U 分析处理的各个参量被送到触摸 屏T P 0 7 0 中， 其为蓝色S T N 4 级灰度 5 ．7 ” 触摸屏， 内 置Wi n d o ws C E 操作系统 1 2 8 k F l a s h 内存， 3 2 0 2 4 0 分辨率， 支持MP I 协议。 支持中文显示与S 7 2 0 0 可编 程序控制器配套使用。 如果说前面的主控制器是人 的大脑， 外扩模块是人的手， 那么触摸屏则是人的眼 睛。 所有监控的结果都需要在触摸屏上实时显示出 来， 包括风压 、 风量 、 三相电压和电流， 以及功率和功 率因数。 T P 0 7 0 的蓝色背景显示效果非常适合人的视 觉效果， 由于屏幕大小的限制采用分屏显示， 通过触 摸按钮可以切换到不同的需要观察的地方。 C P U 模块实时处理从模拟量模块采集来的各个 参数， 经过一定处理后送到触摸屏上显示， 所以通信 很重要。 C P U 2 2 4 C N 主控制器以及触摸屏都有很好 的通信接口， 并且提供通信电缆， 当编程完成后只需 连接好通信电缆， 然后从编程软件中将程序下载入主 控制器和触摸屏就可以得到所需要的功能。 程序是系统的大脑， 正确合理的程序在整个系统 的设计过程中一样非常重要。 在S 7 2 0 0 中有两种基本 指令 S I MA T I C SI E C l 1 3 1 3 ， 使用的编程软件为专 用于2 0 0 系列的S T E P 7 - Mi c r o ／ WI N 3 2 ， 同时该软件为 了适应不同编程人员的习惯准备了不同的编程方式 语句表 S T L ， 梯形图 L A D 和功能块图 F B D 。 不同开发人员可以根据自己爱好选择不同的编程器。 同时触摸屏也有专门的软件T P D e s i g n e r 。 该软 件非常人性化， 类似于V B 等界面编程软件， 开发人员 ● 图 电流㈤ ●● 块 模 图 中 圃便嚣 儇表C H IN A IN S T R U M E N T A T IO N 2 0 0 9 年 第7 期 A P P L I C A T I O N R E S E A R C H 1 应用研究 可以随意在上面设计自己喜好的界面， 并且和C P U中 的相关寄存器对应起来， 并且设定是输入变量还是输 出变量。 依此， 可以用触摸屏输出显示处理的结果， 如 风量、 风压 、 三相电流电压等参数， 同时还可以通过在 这里设定一些参数来送入C P U， 如风量系数、 风压系 数等， 还可以通过模拟键盘输入需要的数值然后送入 C P U ， 经过处理后再在触摸屏上显示出来。 软件编制完成后最重要的就是设置通信参数， 如 果通信参数设置不合理， 则系统根本不能运行， 不管 是C P U还是触摸屏都需要设定通信参数， 比如通信 地址、 通信协议、 波特率以及选用的端口号等， 只有在 C P U以及触摸屏上设置都搭配合理才能使整个系统 正确运行。 4系统综合 由于8 个风机房比较分散， 建立中心监控站是 必要的， 但是由于距离相距较远 ， 很难通过普通 的 2 3 2 或者4 8 5 连接选择合适的站点， 故选择S I NA UT MD7 2 0 ． 3 实现远程无线 通信。 该模块是专用于2 0 0 系列的远程无线通信模块， 主要由S I N A U T MD 7 2 0 3 G P RS 调制解调器、 天线和 G P R S 通信管理软件S I NA UT MI C R O S C 集成O P C S e r v e r 等组成， 实现s 7 2 0 0 P L C的G P RS GS M移 动无线网络 无线连接。 S I N A UT Mi c r o S C 软件集成 有O P C J1 务器， 可透明提供远程站的所有过程数据， 并在中央站进行分析。 所有远程站都具有远程服务功 能， 可通过短信自动向服务人员提供信息。 借助于四频 调制解调器， 可在全球范围内使用经由G P RS 网络的 GS M移动服务。 使用S I N A U T Mi c r o S C 软件， 可经济 地实现所有子站与子站间的双向数据传输。 G P RS 和 因特网有效地缩短了数据传输时间， 持续在线， 并且 仅依据传送数据量收费。 在中央监控中心采用西门子的Wi n C C 组态， 建 立监控画面， 负责和8 个风机房的参数交互。 在监控 主机上需要安装两个软件， 一为Wi n C C 组态软件， 它是西门子公司的优秀的组态软件， 在2 0 0 , 3 0 0 系列 中都有良好的效果， 负责将各个分站传送过来的参 数实时显示， 并且做历史数据分析、 报表处理、 报警 处理等； 二是S I N A UT Mi c r o S C 软件， 它是G P RS 通 信管理软件， 它主要I O P C S e r v e r 、 连接管理器和功 能块软件库组成。 G P RS 的O P C S e r v e r 可以建立多达 2 5 6 个S I MA T I C s 7 2 0 0 站点与控制中心的连接。 通 过GP RS { H 互联 网与s 7 2 0 0 P LC 建立连续 的双 向无线 “ o n l i n e ” 连接。 通过路由功能， 建立s 7 ． 2 0 0 站点间的 G P R S 通信。 清晰的窗口布局， 用于监视已连接G P R S 通信伙伴间的通信连接。 高效的报文结构优化了通 信， 从而降低G P R S 通信的费用。 采用加密传输方式， 避免数据受他人操纵和窃听。 通过以上设计， 可以建立一个分布式远程监控系 统， 在中央监控中心就可以监控8 个风机房的各个参 数， 而不需要象以前一样在各个风机房独立监控， 浪 费了大量的资源且无交互性， 各个风机房不能交换资 源。 该分布式系统在大中小型矿井中均适合， 如果是 大型的风机房， 矿井多而分散则可以采用完整系统建 立远程分布式监控系统， 但是如果是小型矿井， 或者 一 两个风机房则可以抛去G P RS 模块。 5总结 该设计经过实验室实际长时间测试后取得理想 效果， 风压、 风量的误差率在l O h 以上运行时间内低于 1 ％， 保证了长时间稳定运行， 并且已经在山东兖州煤 矿安装了一套设备， 运行非常稳定。 在设计过程中也 注意到不同矿井可能有一定的区别， 所以专门准备了 一 些预留点。 该设计主要是为了监控矿井的通风设施， 完全能够准确实时监控风量、 风压 、 三相电流电压、 功 率等参数， 类似于工控机， 并且有一定的防爆 、 防腐蚀 等措施， 已经取得了一定的应用， 能达到监控稳定， 效 果明显， 界面友好， 安装方便， 在矿井中有相当的应用 前景和预期效果。 参考文献 l S 7 2 0 0中文系统手册． 2 S I NAUT MD7 2 0 3 使用说明书． 3张志立， 何敏． 矿井通风系统模拟分析[ J ] ． 中州煤炭， 2 0 0 6 ， 1 ． 作者简介 龙夏 1 9 8 2 一 ， 硕士， 主要从事单片 机等微控制智能 系统与工业控制方面的教学与研究。 93