摘  要 針對煤礦通風(fēng)系統的安全監測問(wèn)題,提出基于MCGS上位組態(tài)軟件的在線(xiàn)監測數據的方法,闡述了利用和利時(shí)公司的模擬量擴展模塊對現場(chǎng)信號進(jìn)行采集，達到控制礦井主風(fēng)機實(shí)現在線(xiàn)監控，保證安全運行的原理,介紹了系統的總體設計方案。

　　關(guān)鍵詞  礦井通風(fēng)系統；模擬量擴展模塊；在線(xiàn)監控

　　1 引言

　　煤礦風(fēng)機是煤礦生產(chǎn)的重要設備之一 ，其運行情況直接影響到煤礦的安全生產(chǎn)。對風(fēng)機的工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監視,并根據現場(chǎng)環(huán)境的實(shí)際情況,有效地控制風(fēng)機的送風(fēng)量，這樣不僅能為礦井的安全生產(chǎn)提供可靠保證，同時(shí)也降低能源消耗。因此研制煤礦主風(fēng)機監控系統具有重要現實(shí)意義。

　　礦井通風(fēng)設計的任務(wù)：

　　1）將足夠的新鮮空氣有效地送到井下工作場(chǎng)所，保證生產(chǎn)和良好的勞動(dòng)條件；

　　2）通風(fēng)系統簡(jiǎn)單，風(fēng)流穩定，易于管理，具有抗災能力；

　　3）發(fā)生事故時(shí)，風(fēng)流易于控制，人員便于撤出；

　　4）有符合規定的井下環(huán)境及安全監測系統或檢測措施；

　　5）通風(fēng)系統的基建投資省，營(yíng)運費用低、綜合經(jīng)濟效益好。

　　本文開(kāi)發(fā)出基于PLC的煤礦主風(fēng)機變頻監控系統，實(shí)現了對風(fēng)門(mén)，電機全自動(dòng)操作，運行中穩定可靠，調速平滑方便，與使用單片機，工控機改造等相似項目，可靠性和參數變更的靈活性都具有極大的優(yōu)越性，充分保證了礦山的通風(fēng)安全和節能減排。

　　2 系統設計要求

　　采用對旋風(fēng)機，每臺風(fēng)機有兩臺電機+兩個(gè)風(fēng)扇組成，系統結構如下圖所示。

圖1 系統結構

　　2.1 數據采集

　?。?）模擬量采集

　?、?溫度參數：電機前軸瓦溫度、電機后軸瓦溫度、繞組溫度（每臺電機三個(gè)溫度參數，共12個(gè)）RZW 。

　?、?電氣參數：電壓、電流、功率GL（每臺電機只測一相的電壓、電流，共12個(gè)）。

　?、?風(fēng)峒參數：絕對壓力、溫度、濕度、瓦斯濃度（1個(gè)風(fēng)峒，共4個(gè)）。

　?、?氣動(dòng)參數：全壓、靜壓、動(dòng)壓、風(fēng)量、風(fēng)速（兩個(gè)風(fēng)道，共10個(gè)）。

　?。?）數字量采集

　　電機狀態(tài)（共4個(gè)）

　　風(fēng)門(mén)狀態(tài)（兩道風(fēng)門(mén)，通過(guò)接近開(kāi)關(guān)，分別檢測每道風(fēng)門(mén)所處的位置（頂端、底端），共4個(gè)）

　　2.2 風(fēng)機啟動(dòng)控制

　　風(fēng)機啟動(dòng)有兩種情況：開(kāi)兩臺電機；只開(kāi)一臺電機。

　?。?）開(kāi)兩臺電機

　?、?確定2#風(fēng)機的風(fēng)門(mén)已放下。

　?、?提起1#風(fēng)機風(fēng)門(mén)。

　?、?啟動(dòng)1_1電機并監測電流。

　?、?1_1電機的電流低于額定電流時(shí)，啟動(dòng)1_2電機。

　?。?）只開(kāi)一臺電機（只開(kāi)一臺電機時(shí)，都是開(kāi)圖中左側的一號電機）

　?、?確定2#風(fēng)機的風(fēng)門(mén)已放下。

　?、?提起1#風(fēng)機風(fēng)門(mén)。

　?、?啟動(dòng)1_1電機。

　　2.3 風(fēng)機停止控制

　?。?）1#風(fēng)機的兩臺電機都在運行

　?、?關(guān)1_2電機。

　?、?當1_2電機的電流等于零時(shí)，關(guān)1_1電機。

　?、?把1#風(fēng)門(mén)放下。

　?。?）1#風(fēng)機的兩臺電機都在運行

　?、?關(guān)1_1電機。

　?、?把1#風(fēng)門(mén)放下

　　不論圖中右側的2號電機開(kāi)不開(kāi)，風(fēng)機停機都由圖中的x#風(fēng)機停機按鈕控制。

　　3 控制原理

　　3.1 PLC自動(dòng)控制

　　當接到風(fēng)機運行指令時(shí)，PLC判斷系統運行方式控制風(fēng)機啟動(dòng)。若為變頻方式下,系統則進(jìn)行變頻軟啟動(dòng) ,以降低啟動(dòng)電流 ,減小對電網(wǎng)的沖擊。當電機由零頻率加速啟動(dòng)到設定頻率時(shí)，PLC 控制風(fēng)門(mén)絞車(chē)開(kāi)啟風(fēng)門(mén) , 為了避免風(fēng)門(mén)在開(kāi)、關(guān)過(guò)程中的不到位引起漏風(fēng)從而降低風(fēng)機效率，風(fēng)門(mén)的上下端設置了開(kāi)觸點(diǎn)和閉觸點(diǎn)，PLC實(shí)時(shí)采集風(fēng)門(mén)的觸點(diǎn)狀態(tài)精確控制風(fēng)門(mén)絞車(chē)的運轉。風(fēng)門(mén)完全開(kāi)啟后，使風(fēng)機電機M1進(jìn)入工作狀態(tài)，在雙機運行方式下，當電機M1的開(kāi)啟電流小于額定電流時(shí)開(kāi)啟電機M2。

　　3.2 風(fēng)量閉環(huán)控制

　　在變頻啟運行方式下，風(fēng)機風(fēng)量由設定信號控制。設定信號與風(fēng)量傳感器采集通風(fēng)機的風(fēng)量信號，經(jīng)過(guò)變送器后送給 PLC的 A/D轉換器，PLC 將電信號變換成相應的風(fēng)壓數字信號存儲在內存中，程序采用復合濾波算法，能有效消除或減少各種干擾和噪音。風(fēng)機正常運行過(guò)程中，隨著(zhù)井下用風(fēng)量的變化，風(fēng)機電機的工作狀態(tài)就要發(fā)生相應的轉換 ，如果風(fēng)量需求較大，PLC采集到的風(fēng)量值小于系統設定值，經(jīng)過(guò)比較后將誤差送給PID控制模塊行處理，然后調用模糊控制模塊,并將輸出量轉化為 4～20 mA 電流信號 ，送給變頻器頻率設定電流輸入端，控制變頻器頻率變化，實(shí)現對通風(fēng)機風(fēng)量系統的閉環(huán)控制。

    為了增強系統的自適應能力，PLC的控制添加了模糊控制器。模糊控制器是根據過(guò)程參數的變化自動(dòng)在線(xiàn)修改控制規則，從而取得最好的控制效果。

圖2 系統控制方案和工作原理圖

　　4 控制系統結構及特點(diǎn)

　　如圖所示，煤礦主風(fēng)機控制系統綜合利用現代自動(dòng)控制技術(shù)、計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò )通訊技術(shù)，實(shí)現對煤礦主風(fēng)機運行參數的實(shí)時(shí)監測。

　　系統以和利時(shí)公司 LM系列小型PLC為核心，采用24點(diǎn)CPU模塊LM3109， 輔以高性能模擬、數字輸入/輸出模塊，配置網(wǎng)絡(luò )化的嵌入式觸摸屏，實(shí)現就地自動(dòng)控制。

圖3 系統結構圖

　　4.1 可編程控制器配置

　　1）CPU模塊：LM3109模塊的額定工作電壓為AC220V，自帶40點(diǎn)I/O，提供24路DC24V輸入/16路繼電器輸出處理。具有1個(gè)RS232和1個(gè)RS485通訊接口，支持專(zhuān)有協(xié)議（僅RS232）/Modbus RTU協(xié)議/自由協(xié)議。

　　2）熱電阻輸入模塊：LM3312模塊是4路熱電阻輸入模塊，提供了與Cu50、Pt100兩種熱電阻一次測溫元件進(jìn)行連接的接口，用于采集并處理從現場(chǎng)來(lái)的熱電阻的電阻值輸入信號。

　　3）模擬量擴展模塊：LM3313模塊提供8通道模擬量輸入通道，輸入范圍-10V-10V、-20mA-20mA可選，精度可達0.5%FS。主要完成現場(chǎng)模擬量的輸入、采集與處理工作。

　　4.2 嵌入式觸摸屏

　　軟件采用國內著(zhù)名品牌北京昆侖通態(tài)自動(dòng)化軟件科技有限公司開(kāi)發(fā)的MCGS 嵌入式組態(tài)軟件。嵌入式觸摸屏過(guò)網(wǎng)關(guān)接入礦端工控WWW服務(wù)器上，在礦端工控WWW服務(wù)器上運行通用WEB組態(tài)軟件，把采集到的主風(fēng)機監控系統生產(chǎn)安全數據，通過(guò)Intranet發(fā)布出去。礦端工控WWW服務(wù)器采用雙網(wǎng)卡，從物理上將監控系統與企業(yè)Intranet進(jìn)行隔離，保證監控系統的安全和可靠運行。

　　4.3 系統功能特點(diǎn)及使用效果

　　1) PLC控制和檢測變頻器的運行狀態(tài) ,利用變頻器控制風(fēng)機啟停及正常運轉 ,可使風(fēng)機電機連續調速 ,并可根據要求的流量調節轉速獲得最佳速度 ,節約大量的電能。

　　2) 系統數據監測：實(shí)現通主風(fēng)機氣動(dòng)參數，風(fēng)峒參數，電氣參數，溫度參數，振動(dòng)參數的實(shí)時(shí)監測。

　　3) 監測參數能夠通過(guò)嵌入式觸摸屏和遠程終端，完成實(shí)時(shí)顯示，存儲、查詢(xún)（通過(guò)表格、曲線(xiàn)等實(shí)時(shí)查詢(xún)和歷史查詢(xún)）、報警、打印功能；完成日報，月報的自動(dòng)生成、存儲、查詢(xún)和打??；實(shí)時(shí)顯示風(fēng)量-靜壓的全特征曲線(xiàn)，標注主風(fēng)機的工作區域，風(fēng)機處于瑞壓區和低效區時(shí)語(yǔ)音報警；具有豐富的工況畫(huà)面，界面友好，圖表功能強大，操作快捷方便。系統的組態(tài)界面如圖3，4所示。

圖3 組態(tài)主界面


圖4 全特征曲線(xiàn)

　　4) 現場(chǎng)控制：通過(guò)觸摸屏預制礦井通風(fēng)參數，操作人員經(jīng)用戶(hù)名和密碼確認后才能操作相應區域，可以實(shí)現風(fēng)機的無(wú)級調速，實(shí)現風(fēng)機的自動(dòng)切換、應急反風(fēng)、單風(fēng)機單電機啟動(dòng)運行、單風(fēng)機雙電機啟動(dòng)運行、單風(fēng)機單（雙）電機變頻啟動(dòng)運行等多種控制模式。具備自動(dòng)控制切除功能，實(shí)現現場(chǎng)的完全手動(dòng)控制。

　　5 結束語(yǔ)

　　給予和利時(shí)LM系列PLC可編程控制器的風(fēng)機變頻監控系統，實(shí)現了基于和利時(shí)LM系列PLC可編程控制器的風(fēng)機變頻監控系統，實(shí)現了對主風(fēng)機系統化管理，提高了主扇風(fēng)機運轉的可靠性。系統在實(shí)際使用過(guò)程中取得了良好效果，其性能穩定，運行可靠，節能效果明顯，為整個(gè)礦井安全生產(chǎn)奠定了良好的基礎。

　　參考文獻

　　[ 1 ]  《-LEC G3系列小型一體化PLC硬件手冊》，杭州和利時(shí)自動(dòng)化有限公司，2007.1

　　[ 2 ]  《 LM系列PLC軟件手冊》，杭州和利時(shí)自動(dòng)化有限公司，2008.1

　　[ 3 ]  《-LEC G3系列小型一體化PLC指令手冊》，杭州和利時(shí)自動(dòng)化有限公司，2007.5

　　[ 4 ]   曹慶貴,袁秋新.礦井安全管理全息動(dòng)態(tài)監控方法的研究與應用[J].煤礦安全,2003,34(11):52.

　　[ 5 ]   丁恩杰,馬方清.監控系統與現場(chǎng)總線(xiàn)[M].北京:電力電子出版社,2003.