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　　摘  要 針對(duì)煤礦通風(fēng)系統(tǒng)的安全監(jiān)測(cè)問(wèn)題,提出基于MCGS上位組態(tài)軟件的在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的方法,闡述了利用和利時(shí)公司的模擬量擴(kuò)展模塊對(duì)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)進(jìn)行采集，達(dá)到控制礦井主風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)控，保證安全運(yùn)行的原理,介紹了系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案。

　　關(guān)鍵詞  礦井通風(fēng)系統(tǒng)；模擬量擴(kuò)展模塊；在線監(jiān)控

　　1 引言

　　煤礦風(fēng)機(jī)是煤礦生產(chǎn)的重要設(shè)備之一 ，其運(yùn)行情況直接影響到煤礦的安全生產(chǎn)。對(duì)風(fēng)機(jī)的工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視,并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的實(shí)際情況,有效地控制風(fēng)機(jī)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(jī)監(jiān)控系統(tǒng)具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

　　礦井通風(fēng)設(shè)計(jì)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(tǒng)簡(jiǎn)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(shí)，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(cè)系統(tǒng)或檢測(cè)措施；

　　5）通風(fēng)系統(tǒng)的基建投資省，營(yíng)運(yùn)費(fèi)用低、綜合經(jīng)濟(jì)效益好。

　　本文開(kāi)發(fā)出基于PLC的煤礦主風(fēng)機(jī)變頻監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)風(fēng)門，電機(jī)全自動(dòng)操作，運(yùn)行中穩(wěn)定可靠，調(diào)速平滑方便，與使用單片機(jī)，工控機(jī)改造等相似項(xiàng)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)設(shè)計(jì)要求

　　采用對(duì)旋風(fēng)機(jī)，每臺(tái)風(fēng)機(jī)有兩臺(tái)電機(jī)+兩個(gè)風(fēng)扇組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　2.1 數(shù)據(jù)采集

　　（1）模擬量采集

　　① 溫度參數(shù)：電機(jī)前軸瓦溫度、電機(jī)后軸瓦溫度、繞組溫度（每臺(tái)電機(jī)三個(gè)溫度參數(shù)，共12個(gè)）RZW 。

　　② 電氣參數(shù)：電壓、電流、功率GL（每臺(tái)電機(jī)只測(cè)一相的電壓、電流，共12個(gè)）。

　　③ 風(fēng)峒參數(shù)：絕對(duì)壓力、溫度、濕度、瓦斯?jié)舛龋?個(gè)風(fēng)峒，共4個(gè)）。

　　④ 氣動(dòng)參數(shù)：全壓、靜壓、動(dòng)壓、風(fēng)量、風(fēng)速（兩個(gè)風(fēng)道，共10個(gè)）。

　　（2）數(shù)字量采集

　　電機(jī)狀態(tài)（共4個(gè)）

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

　　2.2 風(fēng)機(jī)啟動(dòng)控制

　　風(fēng)機(jī)啟動(dòng)有兩種情況：開(kāi)兩臺(tái)電機(jī)；只開(kāi)一臺(tái)電機(jī)。

　　（1）開(kāi)兩臺(tái)電機(jī)

　　① 確定2#風(fēng)機(jī)的風(fēng)門已放下。

　　② 提起1#風(fēng)機(jī)風(fēng)門。

　　③ 啟動(dòng)1_1電機(jī)并監(jiān)測(cè)電流。

　　④ 1_1電機(jī)的電流低于額定電流時(shí)，啟動(dòng)1_2電機(jī)。

　　（2）只開(kāi)一臺(tái)電機(jī)（只開(kāi)一臺(tái)電機(jī)時(shí)，都是開(kāi)圖中左側(cè)的一號(hào)電機(jī)）

　　① 確定2#風(fēng)機(jī)的風(fēng)門已放下。

　　② 提起1#風(fēng)機(jī)風(fēng)門。

　　③ 啟動(dòng)1_1電機(jī)。

　　2.3 風(fēng)機(jī)停止控制

　　（1）1#風(fēng)機(jī)的兩臺(tái)電機(jī)都在運(yùn)行

　　① 關(guān)1_2電機(jī)。

　　② 當(dāng)1_2電機(jī)的電流等于零時(shí)，關(guān)1_1電機(jī)。

　　③ 把1#風(fēng)門放下。

　　（2）1#風(fēng)機(jī)的兩臺(tái)電機(jī)都在運(yùn)行

　　① 關(guān)1_1電機(jī)。

　　② 把1#風(fēng)門放下

　　不論圖中右側(cè)的2號(hào)電機(jī)開(kāi)不開(kāi)，風(fēng)機(jī)停機(jī)都由圖中的x#風(fēng)機(jī)停機(jī)按鈕控制。

　　3 控制原理

　　3.1 PLC自動(dòng)控制

　　當(dāng)接到風(fēng)機(jī)運(yùn)行指令時(shí)，PLC判斷系統(tǒng)運(yùn)行方式控制風(fēng)機(jī)啟動(dòng)。若為變頻方式下,系統(tǒng)則進(jìn)行變頻軟啟動(dòng) ,以降低啟動(dòng)電流 ,減小對(duì)電網(wǎng)的沖擊。當(dāng)電機(jī)由零頻率加速啟動(dòng)到設(shè)定頻率時(shí)，PLC 控制風(fēng)門絞車開(kāi)啟風(fēng)門 , 為了避免風(fēng)門在開(kāi)、關(guān)過(guò)程中的不到位引起漏風(fēng)從而降低風(fēng)機(jī)效率，風(fēng)門的上下端設(shè)置了開(kāi)觸點(diǎn)和閉觸點(diǎn)，PLC實(shí)時(shí)采集風(fēng)門的觸點(diǎn)狀態(tài)精確控制風(fēng)門絞車的運(yùn)轉(zhuǎn)。風(fēng)門完全開(kāi)啟后，使風(fēng)機(jī)電機(jī)M1進(jìn)入工作狀態(tài)，在雙機(jī)運(yùn)行方式下，當(dāng)電機(jī)M1的開(kāi)啟電流小于額定電流時(shí)開(kāi)啟電機(jī)M2。

　　3.2 風(fēng)量閉環(huán)控制

　　在變頻啟運(yùn)行方式下，風(fēng)機(jī)風(fēng)量由設(shè)定信號(hào)控制。設(shè)定信號(hào)與風(fēng)量傳感器采集通風(fēng)機(jī)的風(fēng)量信號(hào)，經(jīng)過(guò)變送器后送給 PLC的 A/D轉(zhuǎn)換器，PLC 將電信號(hào)變換成相應(yīng)的風(fēng)壓數(shù)字信號(hào)存儲(chǔ)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(jī)正常運(yùn)行過(guò)程中，隨著井下用風(fēng)量的變化，風(fēng)機(jī)電機(jī)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(guò)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(hào) ，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(shí)現(xiàn)對(duì)通風(fēng)機(jī)風(fēng)量系統(tǒng)的閉環(huán)控制。

    為了增強(qiáng)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(guò)程參數(shù)的變化自動(dòng)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(diǎn)

　　如圖所示，煤礦主風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)綜合利用現(xiàn)代自動(dòng)控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦主風(fēng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

　　系統(tǒng)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(shù)字輸入/輸出模塊，配置網(wǎng)絡(luò)化的嵌入式觸摸屏，實(shí)現(xiàn)就地自動(dòng)控制。

圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(cè)溫元件進(jìn)行連接的接口，用于采集并處理從現(xiàn)場(chǎng)來(lái)的熱電阻的電阻值輸入信號(hào)。

　　3）模擬量擴(kuò)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(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(guó)內(nèi)著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(yùn)行通用WEB組態(tài)軟件，把采集到的主風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)生產(chǎn)安全數(shù)據(jù)，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(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(yùn)行。

　　4.3 系統(tǒng)功能特點(diǎn)及使用效果

　　1) PLC控制和檢測(cè)變頻器的運(yùn)行狀態(tài) ,利用變頻器控制風(fēng)機(jī)啟停及正常運(yùn)轉(zhuǎn) ,可使風(fēng)機(jī)電機(jī)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(cè)：實(shí)現(xiàn)通主風(fēng)機(jī)氣動(dòng)參數(shù)，風(fēng)峒參數(shù)，電氣參數(shù)，溫度參數(shù)，振動(dòng)參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

　　3) 監(jiān)測(cè)參數(shù)能夠通過(guò)嵌入式觸摸屏和遠(yuǎn)程終端，完成實(shí)時(shí)顯示，存儲(chǔ)、查詢（通過(guò)表格、曲線等實(shí)時(shí)查詢和歷史查詢）、報(bào)警、打印功能；完成日?qǐng)?bào)，月報(bào)的自動(dòng)生成、存儲(chǔ)、查詢和打印；實(shí)時(shí)顯示風(fēng)量-靜壓的全特征曲線，標(biāo)注主風(fēng)機(jī)的工作區(qū)域，風(fēng)機(jī)處于瑞壓區(qū)和低效區(qū)時(shí)語(yǔ)音報(bào)警；具有豐富的工況畫面，界面友好，圖表功能強(qiáng)大，操作快捷方便。系統(tǒng)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

　　4) 現(xiàn)場(chǎng)控制：通過(guò)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(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的無(wú)級(jí)調(diào)速，實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的自動(dòng)切換、應(yīng)急反風(fēng)、單風(fēng)機(jī)單電機(jī)啟動(dòng)運(yùn)行、單風(fēng)機(jī)雙電機(jī)啟動(dòng)運(yùn)行、單風(fēng)機(jī)單（雙）電機(jī)變頻啟動(dòng)運(yùn)行等多種控制模式。具備自動(dòng)控制切除功能，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)的完全手動(dòng)控制。

　　5 結(jié)束語(yǔ)

　　給予和利時(shí)LM系列PLC可編程控制器的風(fēng)機(jī)變頻監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了基于和利時(shí)LM系列PLC可編程控制器的風(fēng)機(jī)變頻監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)主風(fēng)機(jī)系統(tǒng)化管理，提高了主扇風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的可靠性。系統(tǒng)在實(shí)際使用過(guò)程中取得了良好效果，其性能穩(wěn)定，運(yùn)行可靠，節(jié)能效果明顯，為整個(gè)礦井安全生產(chǎn)奠定了良好的基礎(chǔ)。

　　參考文獻(xiàn)

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

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