李银川 （1980-）

    男，河南南阳，工程师，硕士，研究方向为电气自动化。




    摘  要：针对煤矿通风系统的安全监测问题，提出基于MCGS上位组态软件的在线监测数据的方法，阐述了利用和利时公司的模拟量扩展模块对现场信号进行采集，达到控制矿井主风机实现在线监控，保证安全运行的原理，介绍了系统的总体设计方案。

    关键词：矿井通风系统；模拟量扩展模块；在线监控

    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

    煤矿风机是煤矿生产的重要设备之一 ，其运行情况直接影响到煤矿的安全生产。对风机的工作状态进行实时监视，并根据现场环境的实际情况，有效地控制风机的送风量，这样不仅能为矿井的安全生产提供可靠保证，同时也降低能源消耗。因此研制煤矿主风机监控系统具有重要现实意义。

    矿井通风设计的任务：

    （1）将足够的新鲜空气有效地送到井下工作场所，保证生产和良好的劳动条件；

    （2）通风系统简单，风流稳定，易于管理，具有抗灾能力；

    （3）发生事故时，风流易于控制，人员便于撤出；

    （4）有符合规定的井下环境及安全监测系统或检测措施；

    （5）通风系统的基建投资省，营运费用低、综合经济效益好。

    本文开发出基于PLC的煤矿主风机变频监控系统，实现了对风门，电机全自动操作，运行中稳定可靠，调速平滑方便，与使用单片机，工控机改造等相似项目，可靠性和参数变更的灵活性都具有极大的优越性，充分保证了矿山的通风安全和节能减排。

    2 系统功能特点

    采用对旋风机，每台风机有两台电机+两个风扇组成，系统结构如下图1所示。

                    
                                     图1   系统结构

    （1) PLC控制和检测变频器的运行状态，利用变频器控制风机启停及正常运转，可使风机电机连续调速，并可根据要求的流量调节转速获得最佳速度，节约大量的电能。

    （2) 系统数据监测：实现通主风机气动参数，风峒参数，电气参数，温度参数，振动参数的实时监测。

    （3）现场控制：通过触摸屏预制矿井通风参数，操作人员经用户名和密码确认后才能操作相应区域，可以实现风机的无级调速，实现风机的自动切换、应急反风、单风机单电机启动运行、单风机双电机启动运行、单风机单（双）电机变频启动运行等多种控制模式。具备自动控制切除功能，实现现场的完全手动控制。

    3 控制原理

    3.1 PLC自动控制

    当接到风机运行指令时，PLC判断系统运行方式控制风机启动。若为变频方式下，系统则进行变频软启动，以降低启动电流，减小对电网的冲击。当电机由零频率加速启动到设定频率时，PLC控制风门绞车开启风门，为了避免风门在开、关过程中的不到位引起漏风从而降低风机效率，风门的上下端设置了开触点和闭触点，PLC实时采集风门的触点状态精确控制风门绞车的运转。风门完全开启后，使风机电机M1进入工作状态，在双机运行方式下，当电机M1的开启电流小于额定电流时开启电机M2。

    3.2 风量闭环控制

    在变频启运行方式下，风机风量由设定信号控制。设定信号与风量传感器采集通风机的风量信号，经过变送器后送给 PLC的 A/D转换器，PLC 将电信号变换成相应的风压数字信号存储在内存中，程序采用复合滤波算法，能有效消除或减少各种干扰和噪音。风机正常运行过程中，随着井下用风量的变化，风机电机的工作状态就要发生相应的转换 ，如果风量需求较大，PLC采集到的风量值小于系统设定值，经过比较后将误差送给PID控制模块行处理，然后调用模糊控制模块，并将输出量转化为 4～20 mA 电流信号 ，送给变频器频率设定电流输入端，控制变频器频率变化，实现对通风机风量系统的闭环控制。

    为了增强系统的自适应能力，PLC的控制添加了模糊控制器。模糊控制器是根据过程参数的变化自动在线修改控制规则，从而取得最好的控制效果。
                   
 
                             图2   系统控制方案和工作原理图

    4 控制系统结构及特点

    如图3所示，煤矿主风机控制系统综合利用现代自动控制技术、计算机技术、网络通讯技术，实现对煤矿主风机运行参数的实时监测。

                

                                 图3   系统结构图

    系统以和利时公司 LM系列PLC为核心，采用24点CPU模块LM3109， 辅以高性能模拟、数字输入/输出模块，配置网络化的嵌入式触摸屏，实现就地自动控制。

    4.1 可编程控制器配置

    （1）CPU模块：LM3109模块的额定工作电压为AC220V，自带40点I/O，提供24路DC24V输入/16路继电器输出处理。具有1个RS232和1个RS485通讯接口，支持专有协议（仅RS232）/Modbus RTU协议/自由协议。

    （2）热电阻输入模块：LM3312模块是4路热电阻输入模块，提供了与Cu50、Pt100两种热电阻一次测温元件进行连接的接口，用于采集并处理从现场来的热电阻的电阻值输入信号。

    （3）模拟量扩展模块：LM3313模块提供8通道模拟量输入通道，输入范围-10V-10V、-20mA-20mA可选，精度可达0.5%FS。主要完成现场模拟量的输入、采集与处理工作。

    4.2 嵌入式触摸屏

    软件采用北京昆仑通态自动化软件科技有限公司开发的MCGS 嵌入式组态软件。嵌入式触摸屏过网关接入矿端工控WWW服务器上，在矿端工控WWW服务器上运行通用WEB组态软件，把采集到的主风机监控系统生产安全数据，通过Intranet发布出去。矿端工控WWW服务器采用双网卡，从物理上将监控系统与企业Intranet进行隔离，保证监控系统的安全和可靠运行。

    监测参数能够通过嵌入式触摸屏和远程终端，完成实时显示，存储、查询（通过表格、曲线等实时查询和历史查询）、报警、打印功能；完成日报，月报的自动生成、存储、查询和打印；实时显示风量-静压的全特征曲线，标注主风机的工作区域，风机处于瑞压区和低效区时语音报警；具有丰富的工况画面，界面友好，图表功能强大，操作快捷方便。系统的组态界面如图4，5所示。
               
                                图4   组态主界面

                   
                                 图5   全特征曲线
    5 结束语

    基于和利时LM系列PLC可编程控制器的风机变频监控系统，实现了对主风机系统化管理，提高了主扇风机运转的可靠性。系统在实际使用过程中取得了良好效果，其性能稳定，运行可靠，节能效果明显，为整个矿井安全生产奠定了良好的基础。

    其它作者：

   房利国（1984-），男，江苏连云港人，工程师，硕士，研究方向为监控检测。

    参考文献：

    [1] LM系列PLC硬件手册，北京和利时自动化驱动技术有限公司，2009.

    [2] LM系列PLC软件手册，北京和利时自动化驱动技术有限公司，2009.

    [3] LM系列PLC指令手册，北京和利时自动化驱动技术有限公司，2009.

    [4] 曹庆贵，袁秋新. 矿井安全管理全息动态监控方法的研究与应用[J]. 煤矿安全: 2003，34(11): 52.

    [5] 丁恩杰，马方清. 监控系统与现场总线[M]. 北京: 电力电子出版社，2003.



                                                              ——转自《自动化博览》