基于PLC和組態(tài)軟件的通風(fēng)機監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

摘要：針對當(dāng)前礦井通風(fēng)機監(jiān)控系統(tǒng)集成化和智能化程度不高的現(xiàn)狀，為保證通風(fēng)機的安全、穩(wěn)定、高效運行，設(shè)計了一種基于PLC和組態(tài)軟件的通風(fēng)機監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用西門子S7-300 PLC，結(jié)合相應(yīng)傳感器，實現(xiàn)對流量、風(fēng)壓、振動等參數(shù)的實時監(jiān)測，并通過組態(tài)王軟件實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程集中監(jiān)測與控制，大大提升了系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，提高了系統(tǒng)的自動化程度，具有廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：礦井通風(fēng)機;PLC;組態(tài)軟件;監(jiān)控

0 引言

礦井通風(fēng)機在煤礦井下起著至關(guān)重要的作用，類似于礦井生產(chǎn)系統(tǒng)的“肺”，其主要功能是持續(xù)不斷地為煤礦輸送新鮮空氣，從而保證礦下工作人員的正常呼吸，并改善礦下環(huán)境，稀釋礦下瓦斯?jié)舛?，使瓦斯?jié)舛染S持在安全范圍內(nèi)。礦井通風(fēng)機能否安全、穩(wěn)定運行是能否保證煤礦企業(yè)安全、穩(wěn)定生產(chǎn)的基本保證，一旦通風(fēng)設(shè)備發(fā)生故障，將會給礦下生產(chǎn)帶來安全隱患。因此，實現(xiàn)對礦井通風(fēng)機的在線監(jiān)測顯得尤為重要。

礦井通風(fēng)機的主要監(jiān)測對象包括風(fēng)量、氣體流量、振動、運行溫度、電壓、電流等參數(shù)。通過對以上數(shù)據(jù)的實時采集，并傳送到遠(yuǎn)程的上位機，實現(xiàn)對礦井通風(fēng)機的實時監(jiān)測，從而保證通風(fēng)機能夠長期安全穩(wěn)定運行，防止危險事故的發(fā)生。但是由于礦井通風(fēng)機硬件及自動化技術(shù)、智能化程度落后，因此運行時仍然需要專業(yè)人員定期進行巡檢，不能保證實時性和智能性。本文針對當(dāng)前礦井通風(fēng)系統(tǒng)和煤礦安全生產(chǎn)的實際需要，為了及時監(jiān)測礦井通風(fēng)機的運行狀態(tài)，設(shè)計了一種基于PLC和組態(tài)軟件的通風(fēng)機在線監(jiān)測系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

本系統(tǒng)采用西門子S7-300 PLC作為系統(tǒng)的主控制器，采用冗余設(shè)計思想進行系統(tǒng)設(shè)計與優(yōu)化。為提高系統(tǒng)的安全性與穩(wěn)定性，采用一用一備形式的雙控制系統(tǒng)，正常運行時兩個系統(tǒng)互不干擾，能夠通過S7-300 PLC獨立實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、傳輸與反饋等功能。當(dāng)系統(tǒng)正常運行時，主CPU工作，實現(xiàn)對系統(tǒng)運行的監(jiān)測與控制，備用CPU處于休眠準(zhǔn)備狀態(tài)，當(dāng)主CPU發(fā)生故障時，備用CPU迅速切換，進行實時監(jiān)測與控制。

采用冗余設(shè)計思想能夠確保通風(fēng)機的正常運行與監(jiān)測，需要兩臺通風(fēng)機一用一備，交替運行。礦井通風(fēng)機對控制器的穩(wěn)定性和兼容性要求較高，因此將S7-300 PLC作為主控制器，并通過工業(yè)以太網(wǎng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。上位機通過北京亞控公司的組態(tài)王軟件實現(xiàn)，通過工業(yè)以太網(wǎng)實現(xiàn)控制中心和監(jiān)控主站上位機的實時通信，實時獲取風(fēng)量、氣體流量、振動、運行溫度、電壓、電流等參數(shù)。系統(tǒng)默認(rèn)處于自動運行狀態(tài)，當(dāng)發(fā)生故障時，可切換調(diào)整為手動狀態(tài)，方便及時發(fā)現(xiàn)與處理問題。系統(tǒng)整體設(shè)計方案如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件主要包含S7-300 PLC和各類系統(tǒng)監(jiān)測用傳感器。結(jié)合系統(tǒng)監(jiān)測的實際需要，選取合適的風(fēng)量與負(fù)壓傳感器、溫度巡檢儀、振動傳感器和電參數(shù)模塊等，另外為了保證參數(shù)的實時采集與轉(zhuǎn)換，仍然需要應(yīng)用開關(guān)量采集模塊（EDA9050）和模擬量采集模塊（EDA9015）。

負(fù)壓和風(fēng)量傳感器選用礦用防爆型，供電電壓為24 V，輸出信號為4～20 mA的標(biāo)準(zhǔn)電流，數(shù)據(jù)傳輸采用兩線制，通過電源線和信號線構(gòu)建回路，通過壓差實現(xiàn)風(fēng)量計算。

溫度巡檢儀則是通過配備熱敏電阻Pt100，實現(xiàn)對電機定子溫度與軸承溫度的實時獲取，并且保證任何一路都可通過溫度探頭采集并獲取相應(yīng)信號。

振動傳感器用于獲取風(fēng)道振動程度參數(shù)，分別從風(fēng)筒的垂直軸線和水平軸線進行安裝，并通過變送器轉(zhuǎn)換為4～20 mA的電流信號。

電參數(shù)是通過電流互感器和電壓互感器獲取相應(yīng)的電流、電壓信號數(shù)據(jù)，將相關(guān)信號轉(zhuǎn)換為4～20 mA的標(biāo)準(zhǔn)電流信號。

系統(tǒng)選用的傳感器型號及參數(shù)如表1所示。

PLC根據(jù)實際系統(tǒng)要求，選用西門子S7-300 CPU315-2DP，該模塊包含64K字節(jié)存儲空間，I/O可擴展至1 024點，帶1個Profibus-DP接口;電源模塊選用PS307-1B，可提供DC24 V/2 A電源;為了保證能夠處理溫度巡檢儀采集的信號，需要配置CP340-1C，RS422/RS485接口;為了保證工業(yè)以太網(wǎng)的信息傳輸，配置了CP343-1通信模塊。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1? ? PLC程序設(shè)計

系統(tǒng)工作時，首先對系統(tǒng)進行初始化，根據(jù)情況選擇運行模式，然后PLC對各類運行參數(shù)進行采集，并與設(shè)定閾值進行比較，若超限則報警，與此同時，實時與上位機組態(tài)軟件進行數(shù)據(jù)交換。

3.2? ? 上位機軟件設(shè)計

系統(tǒng)上位機軟件采用北京亞控公司的組態(tài)王軟件，該組態(tài)軟件使用方便，并提供常用的PLC及智能器件的驅(qū)動。系統(tǒng)選擇符合實際要求的工控機作為上位機，將現(xiàn)場控制器S7-300 PLC作為下位機，兩者可通過工業(yè)以太網(wǎng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。組態(tài)王對PLC獲取并傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行處理，對監(jiān)控現(xiàn)場的風(fēng)機風(fēng)量、氣體流量、振動、運行溫度、電壓、電流等參數(shù)進行實時采集并處理，同時具有畫面直接顯示、動畫顯示、實時曲線顯示、報警界面和各類報表打印等功能，通過多種方式解決通風(fēng)機運行監(jiān)控系統(tǒng)的各類問題。

4 結(jié)語

基于PLC和組態(tài)軟件的通風(fēng)機監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了對井下通風(fēng)機的遠(yuǎn)程集中控制，大大提高了風(fēng)機運行的自動化和智能化程度，從而保障通風(fēng)機的安全、穩(wěn)定、高效運行，降低了礦下安全事故的發(fā)生概率。該系統(tǒng)通過現(xiàn)場PLC及傳感器，實現(xiàn)對現(xiàn)場通風(fēng)機運行數(shù)據(jù)的采集，上位機組態(tài)軟件實現(xiàn)對現(xiàn)場獲取數(shù)據(jù)的顯示、處理及存儲，實現(xiàn)對礦井通風(fēng)機的集中監(jiān)控。運行結(jié)果表明，該系統(tǒng)可較好地實現(xiàn)對通風(fēng)機的監(jiān)控，具有良好的應(yīng)用和推廣價值。

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收稿日期：2020-05-26

作者簡介：底偉（1971—），男，河北新樂人，工程師，研究方向：電氣控制。