李銀川 （1980-）

    男，河南南陽，工程師，碩士，研究方向為電氣自動化。




    摘  要：針對煤礦通風(fēng)系統(tǒng)的安全監(jiān)測問題，提出基于MCGS上位組態(tài)軟件的在線監(jiān)測數(shù)據(jù)的方法，闡述了利用和利時公司的模擬量擴展模塊對現(xiàn)場信號進(jìn)行采集，達(dá)到控制礦井主風(fēng)機實現(xiàn)在線監(jiān)控，保證安全運行的原理，介紹了系統(tǒng)的總體設(shè)計方案。

    關(guān)鍵詞：礦井通風(fēng)系統(tǒng)；模擬量擴展模塊；在線監(jiān)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(shè)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)行實時監(jiān)視，并根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境的實際情況，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，同時也降低能源消耗。因此研制煤礦主風(fēng)機監(jiān)控系統(tǒng)具有重要現(xiàn)實意義。

    礦井通風(fēng)設(shè)計的任務(wù)：

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

    （2）通風(fēng)系統(tǒng)簡單，風(fēng)流穩(wěn)定，易于管理，具有抗災(zāi)能力；

    （3）發(fā)生事故時，風(fēng)流易于控制，人員便于撤出；

    （4）有符合規(guī)定的井下環(huán)境及安全監(jiān)測系統(tǒng)或檢測措施；

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

    本文開發(fā)出基于PLC的煤礦主風(fēng)機變頻監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了對風(fēng)門，電機全自動操作，運行中穩(wěn)定可靠，調(diào)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(shù)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(jié)能減排。

    2 系統(tǒng)功能特點

    采用對旋風(fēng)機，每臺風(fēng)機有兩臺電機+兩個風(fēng)扇組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖1所示。

                    
                                     圖1   系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

    （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(zhuǎn)，可使風(fēng)機電機連續(xù)調(diào)速，并可根據(jù)要求的流量調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速獲得最佳速度，節(jié)約大量的電能。

    （2) 系統(tǒng)數(shù)據(jù)監(jiān)測：實現(xiàn)通主風(fēng)機氣動參數(shù)，風(fēng)峒參數(shù)，電氣參數(shù)，溫度參數(shù)，振動參數(shù)的實時監(jiān)測。

    （3）現(xiàn)場控制：通過觸摸屏預(yù)制礦井通風(fēng)參數(shù)，操作人員經(jīng)用戶名和密碼確認(rèn)后才能操作相應(yīng)區(qū)域，可以實現(xiàn)風(fēng)機的無級調(diào)速，實現(xiàn)風(fēng)機的自動切換、應(yīng)急反風(fēng)、單風(fēng)機單電機啟動運行、單風(fēng)機雙電機啟動運行、單風(fēng)機單（雙）電機變頻啟動運行等多種控制模式。具備自動控制切除功能，實現(xiàn)現(xiàn)場的完全手動控制。

    3 控制原理

    3.1 PLC自動控制

    當(dāng)接到風(fēng)機運行指令時，PLC判斷系統(tǒng)運行方式控制風(fēng)機啟動。若為變頻方式下，系統(tǒng)則進(jìn)行變頻軟啟動，以降低啟動電流，減小對電網(wǎng)的沖擊。當(dāng)電機由零頻率加速啟動到設(shè)定頻率時，PLC控制風(fēng)門絞車開啟風(fēng)門，為了避免風(fēng)門在開、關(guān)過程中的不到位引起漏風(fēng)從而降低風(fēng)機效率，風(fēng)門的上下端設(shè)置了開觸點和閉觸點，PLC實時采集風(fēng)門的觸點狀態(tài)精確控制風(fēng)門絞車的運轉(zhuǎn)。風(fēng)門完全開啟后，使風(fēng)機電機M1進(jìn)入工作狀態(tài)，在雙機運行方式下，當(dāng)電機M1的開啟電流小于額定電流時開啟電機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(shè)定信號控制。設(shè)定信號與風(fēng)量傳感器采集通風(fēng)機的風(fēng)量信號，經(jīng)過變送器后送給 PLC的 A/D轉(zhuǎn)換器，PLC 將電信號變換成相應(yīng)的風(fēng)壓數(shù)字信號存儲在內(nèi)存中，程序采用復(fù)合濾波算法，能有效消除或減少各種干擾和噪音。風(fēng)機正常運行過程中，隨著井下用風(fēng)量的變化，風(fēng)機電機的工作狀態(tài)就要發(fā)生相應(yīng)的轉(zhuǎn)換 ，如果風(fēng)量需求較大，PLC采集到的風(fēng)量值小于系統(tǒng)設(shè)定值，經(jīng)過比較后將誤差送給PID控制模塊行處理，然后調(diào)用模糊控制模塊，并將輸出量轉(zhuǎn)化為 4～20 mA 電流信號 ，送給變頻器頻率設(shè)定電流輸入端，控制變頻器頻率變化，實現(xiàn)對通風(fēng)機風(fēng)量系統(tǒng)的閉環(huán)控制。

    為了增強系統(tǒng)的自適應(yīng)能力，PLC的控制添加了模糊控制器。模糊控制器是根據(jù)過程參數(shù)的變化自動在線修改控制規(guī)則，從而取得最好的控制效果。
                   
 
                             圖2   系統(tǒng)控制方案和工作原理圖

    4 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及特點

    如圖3所示，煤礦主風(fēng)機控制系統(tǒng)綜合利用現(xiàn)代自動控制技術(shù)、計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)，實現(xiàn)對煤礦主風(fēng)機運行參數(shù)的實時監(jiān)測。

                

                                 圖3   系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

    系統(tǒng)以和利時公司 LM系列PLC為核心，采用24點CPU模塊LM3109， 輔以高性能模擬、數(shù)字輸入/輸出模塊，配置網(wǎng)絡(luò)化的嵌入式觸摸屏，實現(xiàn)就地自動控制。

    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I/O，提供24路DC24V輸入/16路繼電器輸出處理。具有1個RS232和1個RS485通訊接口，支持專有協(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(xiàn)場來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(dá)0.5%FS。主要完成現(xiàn)場模擬量的輸入、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)自動化軟件科技有限公司開發(fā)的MCGS 嵌入式組態(tài)軟件。嵌入式觸摸屏過網(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(jiān)控系統(tǒng)生產(chǎn)安全數(shù)據(jù)，通過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(jiān)控系統(tǒng)與企業(yè)Intranet進(jìn)行隔離，保證監(jiān)控系統(tǒng)的安全和可靠運行。

    監(jiān)測參數(shù)能夠通過嵌入式觸摸屏和遠(yuǎn)程終端，完成實時顯示，存儲、查詢（通過表格、曲線等實時查詢和歷史查詢）、報警、打印功能；完成日報，月報的自動生成、存儲、查詢和打印；實時顯示風(fēng)量-靜壓的全特征曲線，標(biāo)注主風(fēng)機的工作區(qū)域，風(fēng)機處于瑞壓區(qū)和低效區(qū)時語音報警；具有豐富的工況畫面，界面友好，圖表功能強大，操作快捷方便。系統(tǒng)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
    5 結(jié)束語

    基于和利時LM系列PLC可編程控制器的風(fēng)機變頻監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了對主風(fēng)機系統(tǒng)化管理，提高了主扇風(fēng)機運轉(zhuǎn)的可靠性。系統(tǒng)在實際使用過程中取得了良好效果，其性能穩(wěn)定，運行可靠，節(jié)能效果明顯，為整個礦井安全生產(chǎn)奠定了良好的基礎(chǔ)。

    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(jiān)控檢測。

    參考文獻(xiàn)：

    [1] LM系列PLC硬件手冊，北京和利時自動化驅(qū)動技術(shù)有限公司，2009.

    [2] LM系列PLC軟件手冊，北京和利時自動化驅(qū)動技術(shù)有限公司，2009.

    [3] LM系列PLC指令手冊，北京和利時自動化驅(qū)動技術(shù)有限公司，2009.

    [4] 曹慶貴，袁秋新. 礦井安全管理全息動態(tài)監(jiān)控方法的研究與應(yīng)用[J]. 煤礦安全: 2003，34(11): 52.

    [5] 丁恩杰，馬方清. 監(jiān)控系統(tǒng)與現(xiàn)場總線[M]. 北京: 電力電子出版社，2003.



                                                              ——轉(zhuǎn)自《自動化博覽》