企业简介

北京和利时智能技术有限公司致力于为离散制造业和采矿业提供智能工厂及智能装备的自动化、信息化和智能化整体解决方案。公司核心产品为大中小型系列可编程控制器（PLC）、运动控制器（Motion Controller）以及SCADA大型综合监控系统和MES生产执行系统，为客户提供从装置、产线、车间至全厂的自动化和信息化整体解决方案，服务于企业建设、运营和维护全生命周期。

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案例详细
标题LM系列PLC在矿井主风机在线监控系统中的应用
技术领域PLC&PAC
行业
简介
内容摘 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

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

    软件采用国内著名品牌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。
                 

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。

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.