李銀川 （1980-）

    男，河南南陽(yáng)，工程師，碩士，研究方向為電氣自動(dòng)化。




    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

    Abstract: To the safety monitoring issue of the coalmine ventilation system, the on-line monitoring data method, based on MCGS, is proposed. The field signals are acquired though analog expansion modules of Hollysys. The system achieves on-line monitoring and controls the main mine fan to ensure the safe operation. Also, the principle of the system overall design is introduced.

    Key words: Mine Ventilation System; Analog Expansion Modules; On-line Monitoring

    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 系統功能特點(diǎn)

    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1所示。

                    
                                     圖1   系統結構

    （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）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。

    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3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。

                

                                 圖3   系統結構圖

    系統以和利時(shí)公司 LM系列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。

    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。

    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4，5所示。
               
                                圖4   組態(tài)主界面

                   
                                 圖5   全特征曲線(xiàn)
    5 結束語(yǔ)

    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。

    其它作者：

   房利國（1984-），男，江蘇連云港人，工程師，碩士，研究方向為監控檢測。

    參考文獻：

    [1] LM系列PLC硬件手冊，北京和利時(shí)自動(dòng)化驅動(dòng)技術(shù)有限公司，2009.

    [2] LM系列PLC軟件手冊，北京和利時(shí)自動(dòng)化驅動(dòng)技術(shù)有限公司，2009.

    [3] LM系列PLC指令手冊，北京和利時(shí)自動(dòng)化驅動(dòng)技術(shù)有限公司，2009.

    [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.



                                                              ——轉自《自動(dòng)化博覽》