矿井通风机监控系统的设计与实现.pdf

第 3期 2 0 0 6年 6月 工 矿 自 动 化 I n d u s t r y a n d M i n e Au t o ma t i o n No ． 3 J u r 1 ．2 0 0 6 文章编号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 0 6 0 3 0 0 6 7 0 3 矿井通风机监控系统的设计与实现 洪 源 ， 朱海涛 。 马小平。 1 ． 河南东联机械制造有 限责任公司 。 河南 平顶山4 6 7 0 2 1 ； 2 ． 中国矿业大学信 电学院。 江苏 徐州 2 2 1 0 0 8 摘要 结合矿井通风机监控 系统的设计 。 介绍 了利用 S 7 3 0 0 ／ 4 0 0系列可编程控制嚣和 P RO F I B US -- D P总线技术设计 实现通风机远程监控的方法及其功能。实际运行显示。 系统反应灵活 。 可靠性高。 关键 词 煤矿 ； 通风机 ； 监 控 系统 ； S 7 3 0 0 ； P R0 F I B US D P 中图 分 类号 T D 6 3 5 ／ 7 2 4 文 献标识 码 B Th e De s i g n o f Mo n i t o r i n g a n d Co n t r o l S y s t e m f o r M i ne Ve nt i l a t or a nd I t s I mp l e me nt a t i on HONG Yu a n 。 Z HU Ha i t a o ， MA Xi a o p i n g 1 ． Do n g l i a n M e c h a n i c a l Ma n u f a c t u r e Co ． 。Lt d ．o f He n a n Pr o v i n c e 。Pi n g d i n g s h a n 4 6 7 0 2 1，Ch i n a ． 2 ． Co l l e g e o f I n f o r ma t i o n a n d El e c t r i c a l En g i n e e r i n g o f CUMT． 。Xu z h o u 2 2 1 0 0 8，Ch i n a Ab s t r a c t Co mb i n i n g wi t h t h e d e s i g n o f mo n i t o r i n g a n d c o n t r o l s y s t e m f o r mi n e v e n t i l a t o r 。t h e d e s i g n me t h o d a n d i t s f u n c t i o n s o f r e mo t e mo n i t o r i n g f o r v e n t i l a t o r b y S 7 3 0 0 ／ 4 0 0 PL C a n d PROF I BUSDP t e c h n o l o g y we r e i n t r o d u c e d i n t h e p a p e r ．Th e p r a c t i c a l r u n n i n g s h o we d t h a t t h e s y s t e m i s q u i c k i n r e s p o n d a n d h a s h i g h r e l i a b i l i t y ． Ke y wo r ds c o a l mi ne，v e nt i l a t o r，mon i t o r i ng a n d c on t r ol s y s t e m ，S7 3 0 0。PR FI BUS-- DP 0 弓 I -g P R【 F I B us D P总线的通风机监控系统的实现。 矿井通风机是煤矿生产的重要设备之一 ， 其运 行情况直接影响到煤矿的安全生产。对于矿井通风 机监控系统而言 ， 为保证通风机的安全可靠运行 ， 其 功能必须涵盖通风机电动机启停控制 、 风门的开合 、 各项运行参数监测以及上下位机通信等多个方面 。 大型煤矿生产 企业所 应用 的生产设备往 往多而分 散 ， 对于传统的基于 P C、 P I C等产品的监控系统来 说 。 如不采用现场总线技术将各生产设备的监控 系 统有机地连为一体。 则难以及时有效地对各设备 的 状态进行协调管理。 在很大程度上不利于生产效率 和安全性 的提升。笔者结合通风机监控系统的设计 开发 。 介绍一种基 于 S 7 3 0 0 ／ 4 0 0可编程控制器 和 收稿 日期 2 0 0 6 0 3 1 3 作者简介 洪源 1 9 6 5 ， 男 ， 高级工程师， 现任河南东联机械 制造有限责 任公 司董事长 、 总经理 ， 主要从事机电设备 与技术 的管理 工作， 已发表论文多篇 l 系统概 述 笔者所设计的通风系统 由 2台互为备用的通风 机组成 ， 每台通风机含 2台对转的 4 0 0 k W 交 流电 动机。每台通风机有独立 风道 ， 在绞车 间汇入 主风 井 。每台通风机装有 1台立式风 门。 在通往主风井 的绞车间内各有 1台斜 风门。当一 台通风机工作 时 ， 另一台处于备用检修状态。 通过 4台风门的开合 可保证 2台通风机 间的气密性。在正常生产情况 下． 同一时刻只有 1台通风机处于工作状态 。 为井下 提供通风保障。通 风流量大致设置为两档， 通过运 转 的电动机数量实现调节 。单台 电动机运转时。 通 风流量可达 4 0 0 0 ～4 5 0 0 m。 ／ mi n ； 2台电动机同时 运转时 ， 流量可达 8 0 0 0 ～8 5 0 0 m。 ／ mi n 。矿井通风 机结构示意图如图 1所示 。 通风机监控系统涉及对图 1中 4台电动机、 2台 立式风门和 2台斜风 门的控制 ， 以及相关运行参数 的采集、 运算和上传 。 维普资讯 6 8 工矿 自动 化 2 0 0 6年 6月 2号通风机 俯视图 图 1 矿 井通风机结构示意 图 2 监 控 系统结构 与硬 件 配置 2 ． 1 系统 结 构 通风机监控 系统是全矿井综合 自动化系统的 一 个子系统 ， 由 S 7 2 0 0 ／ 3 0 0或支持 P RO F I B US D P协议的第三方设备作为智能从站 ， 带有 P R OF I B US D P总线接1 1 和以太网接 1 1 模块的 S 7 4 O 0 站 作为主站 ， 调度 中心 的上位 机通 过 工业 以太 网与 P RO F I B US --DP主站实现数据通信 。系统结构如 图 2所 示 。 里 呈 ⋯ ‘ 1支 的 ● l l 弟 三 万 设 备 传感器、变频器、执行机构、开关设备等现场一次设备 图 2 系统结构 图 P R OF I B US总线主要有 电气接 口网络和光纤 接 1 1 网络两种 网络形式。从保证长距离数据传输和 抗强电磁干扰的两个角度考虑 ， 选 择光纤接 口网络 作为主要的数据传输手段 。 采用 L M／ G1 2型 OL M Op t i c a l L i n k Mo d u l e 光纤链路模块进 行光、 电信 号转换 。 最大传输速率为 l 2 Mb p s ， 本系统中实际速 率设定为 3 Mb p s 。OI M 模块 含 1个 RS 4 8 5电气 接 口和 2个光纤接 口， 同时为光纤 网络上其它站点 提供扩展。 2 ． 2 硬 件 选型 与组 态 西门子 S 7 3 0 0可编程控制器构成了通风机监 控系统的主体 ， 所有针对通风机的控制 、 监测等功能 都通过它来实现。P L C设备的硬件组态工 作都 在 西门子 s T E P 7开发 环境 下 的硬件组 态工 具 Hw C o n f i g中进行 ， 包括模块的选型 、 槽位 的安排 、 通信 设置以及地址分配等 。 在对主从 站进行组 态时 ， 原则上 先组态从 站。 根据系统功能和网络通信 的要求 ， 选用相应的功能 模块 ， 主要包括从 站 S 7 3 0 0站 使用的电源模块 P S 3 0 7 、 C P U 模 块C P U3 1 5～ 2 D P 、接 口 模 块 I M3 6 5 、 通 信 模 块 C P 3 4 0 、 1 6位数 字 量 输 入 模 块 S M3 2 1 、 8位数字量输出模块 S M3 2 2 、 8通道 1 6 B模 拟量输入模块 S M3 3 1 ， 以及 主站 S 7 4 0 0站 使用 的 C P U模块 C P U4 1 6 2 D P、 通信模块 C P 4 4 3 1 等。按照订货号在相应槽位插入导轨及各功能模块 后 ， 根据设 计 要求分别 设置 D P接 1 1 属性 、 I ／ O 地 址、 模拟量输入模块 、 通信模块等 ， 具体步骤不再赘 述 。 进行 网络组态时， 先通过光纤 和链路模块将主 从 站连接 起来 。本 系统 中主站 采用 的 C P U4 1 6 2 D P和从 站采用的 C P U3 1 5 2 D P中央处理模块都 有 集成 的 P R OF I B US D P接 口 。 组态 完从 站 后 ， 以 同样 的方 式 建 立 S 7 4 0 0主 站并组态 ， 选择与从站相 同的 P R OF I B US网络 ， 并 设 置 相应 的地 址 。打 开硬 件 目录 ， 选择 “ P RO F I B US D P - , - C o n f i g u r a t i o n S t a t i o n ” 文件夹， 选择 C P U3 1 X ， 拖曳到 D P主站系统的 P R OF I B US总线上 ， 从而将 其连接 到 D P网络上 。此时 自动弹 出“ DPs l a v e P r o p e r t i e s ” ， 在其 中的“ C o n n e c t i o n ” 标 签 中选 择添 加已经组态过的 S 7 3 0 0 从站 。在整个综合 自动化 系统中， 有多个从站 ， 要一个一个连接 ， 方法基本相 同。然后点击“ C o n f i g u r a t i o n ” 标签 ， 设 置主站通信 接 E l 区。 确保主站输 出、 输入 区分别与从站输入、 输 出区对应 。 待配置完成后 ， 将组态好的文件下载到主从站 各 自的 C P U中。 3软件 设计 完成 主从站 的硬件组态后 。 即针对提出的控制 工艺要求对 P I c进行控制 、 通信以及实时监控的程 序设计 。程 序 设计 使 用 安装 S T E P 7 P r o f e s s i o n a l V5 ． 2版软件包的 P C机， 采用梯形图语言 L AD 和 模块化编程方式 ， 在主程序循 环块 O B I中调用各功 能块 F B 、 功能块 F C、 系 统功能块 S F C、 数 据块 D B 以及组织块 OB等， 这样的结构有效地增强了程序 的可读性 ， 便于检查修改。 编程时既可以离线编程也可 以 P R OF I B US在 维普资讯 2 0 0 6年第 3期 洪 源等 矿井通风机监控 系统的设计与实现 6 9 线编程 ， 程序调试完毕后下载到 C P U 模块中， 并保 存到 MMC卡中插入 C P U模块作为程序后备 。程 序流程图如图 3所示 ， 它显示 了在 一个循环周期内 程序的执行情况。 删量 巨 t 莉 模拟量采集计算 二工二 读取巡检仪数据 _ _ 二 l 垫 堂 l 丙 手动 图 3程 序 流程 图 3 ． 1 控 制 程序 通风机 的启 停控制 有 遥控、 就地 和 手动 操作 3 种操作模式， 有相应的选择开关 用 以切换。遥控 模式由集控室工控机 向 P L C发 出指令 ， 再 由 P L C 根据逻辑程序实现相应 动作 ； 就地模式则是通过通 风机和风门设备旁的就地控制箱按钮向 P L C发 出 指令 处于手动状态时 ， 输入 P L C的控制信号被封 锁 ， 设备只能通过手动方式供断电。 遥控操作模式又有 2种操作方式 ， 即单 台设 备 启停和多台设备顺序启停 。单 台设备启停方式 ， 需 按顺序按下各相关设 备的启 动或停机按钮， 才能完 成某台通风机正常的启 动或停机过程 ； 多台设备顺 序启停方式 ， 则只需按下一个按钮就可实现某台通 风机 的启 动或停 机 。 3 ． 2 实时监控 系统的实时监控功能要求将通 风机的运 行状 态、 风 门的开合状态、 通 风机的振幅 、 电动机温度以 及风流的负压 、 流量、 温度 、 甲烷含量 等参数进行显 示． 并对这一系列参数所有可能出现的反常情况进 行报 警 。 系统的实时监控功能通过两种方 式实现 一是 通过上位工控机安装 的 i F i x工业组 态软件进行画 面编辑 ， 发送控制指令控制通风机设备的启停， 读取 P R 0 F I B u S D P主站获得的相关数据、 信号进行 处理和显示； 二是通过 S 7 3 0 0从站 P L C控制柜上 安装的西门子 OP 2 7 0型控制屏 ， 以 MP I 网络连 接 C P U模块， 直接读取相关数据 、 显示信号。 3 ． 3数 据通 信 通过 P R OF I B US D P总线连接 S 7 4 0 0主站 和 s 7 3 0 0智能从站 时无需程序员协议进行 编程 ， 协议及通信功能 已集 成在相应 的 C P U 模块 中， 方 便程序员调用 。完成主从站通信接 口区的对应关系 后 ， 在下位机 程序 中需要 调用系 统功 能 S F C1 4和 S F C 1 5 ， 其中 S F C 1 4将上位机 的控制量数据解包存 放在指 定 DB的相应地址 内， S F C1 5则从指定 D B 读取数据打包上传 。对数据打包传输主要是为了保 持数据 的一致性， 保证 C P U 能够在 同一循 环周期 内完成接收区、 发送 区数据的处理 。 4结 语 本文采用 P R OF I B US DP现场总线技术设计 的通风机监控系统， 大量使用 了当今最先进 的工业 过程控制技术与产品， 它集操作 、 控制 、 监视、 管理于 一 体 ， 使相关设备的 自动化水平得 到了大幅的提高。 与传 统的控 制 系统相 比， 基 于 P R OF I B US DP现场 总线技术 的通 风及监控 系统具 有 以下优 点 首先 ， 该系统 的设计不仅仅局 限于通 风机的监 控， 而是与主井提 升机 、 胶带机、 变 电所等其它设备 一 起构成有机的整体 ， 使得整个煤 矿的全部生 产设 备处于统一的监控管理之下， 大大地提高 了生产管 理的效率 ； 第二 ， 系统 的开放性 、 可操作性、 互换性大 大提高 ， 不同厂家的产品、 技术只要使用相同的总线 标 准就可以进行 系统集成； 第三， 系统可靠性 、 可维 护性好 ， 采用 P RO F I B US D P总线减少 了由于接 线造成的不可靠因素 ， 同时使系统 具备了对现场设 备的在线诊断 、 报警 、 记录等功能 ， 可完成现场设备 的远程参数设定、 修改等参数化工作 。现场运行表 明 ， 该系统工作灵活稳定， 各方面性能表现均令人满 意 。 参考文献 [ 1 ] 刘美俊． P R OF I B US现场总线 智 能 化 D P从站 的设计 [ J ] ． 化工 自动 化及仪表， 2 0 0 4 ， 3 1 3 3 3 ～3 4 ． [ 2 ] 高 伟． 基 于 P R OF I B US DP现 场总线 的闸 门监控 系统的设计与实现E J 5 ． 西安石油学院学报 自然科学 版 ， 2 0 0 3 ， 1 8 5 7 3 ～7 5 ． r 3 ] Vi t t u r i S ．DP E t h e r n e t T h e P r o fi b u s D P P r o t o c o l I m p l e me n t e d o n E t h e r n e t [ J ] ．C o mp u t e r C o mmu n i c a t i o n s ，2 0 0 3， 2 6 1 0 1 0 9 5 ～ 1 1 0 4 ． 维普资讯