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    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：針對煤礦通風系統的安全監測問題，提出基于MCGS上位組態軟件的在線監測數據的方法，闡述了利用和利時公司的模擬量擴展模塊對現場信號進行采集，達到控制礦井主風機實現在線監控，保證安全運行的原理，介紹了系統的總體設計方案。

    關鍵詞：礦井通風系統；模擬量擴展模塊；在線監控

    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

    煤礦風機是煤礦生產的重要設備之一 ，其運行情況直接影響到煤礦的安全生產。對風機的工作狀態進行實時監視，并根據現場環境的實際情況，有效地控制風機的送風量，這樣不僅能為礦井的安全生產提供可靠保證，同時也降低能源消耗。因此研制煤礦主風機監控系統具有重要現實意義。

    礦井通風設計的任務：

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

    （2）通風系統簡單，風流穩定，易于管理，具有抗災能力；

    （3）發生事故時，風流易于控制，人員便于撤出；

    （4）有符合規定的井下環境及安全監測系統或檢測措施；

    （5）通風系統的基建投資省，營運費用低、綜合經濟效益好。

    本文開發出基于PLC的煤礦主風機變頻監控系統，實現了對風門，電機全自動操作，運行中穩定可靠，調速平滑方便，與使用單片機，工控機改造等相似項目，可靠性和參數變更的靈活性都具有極大的優越性，充分保證了礦山的通風安全和節能減排。

    2 系統功能特點

    采用對旋風機，每臺風機有兩臺電機+兩個風扇組成，系統結構如下圖1所示。

                    
                                     圖1   系統結構

    （1) PLC控制和檢測變頻器的運行狀態，利用變頻器控制風機啟停及正常運轉，可使風機電機連續調速，并可根據要求的流量調節轉速獲得最佳速度，節約大量的電能。

    （2) 系統數據監測：實現通主風機氣動參數，風峒參數，電氣參數，溫度參數，振動參數的實時監測。

    （3）現場控制：通過觸摸屏預制礦井通風參數，操作人員經用戶名和密碼確認后才能操作相應區域，可以實現風機的無級調速，實現風機的自動切換、應急反風、單風機單電機啟動運行、單風機雙電機啟動運行、單風機單（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，實現現場的完全手動控制。

    3 控制原理

    3.1 PLC自動控制

    當接到風機運行指令時，PLC判斷系統運行方式控制風機啟動。若為變頻方式下，系統則進行變頻軟啟動，以降低啟動電流，減小對電網的沖擊。當電機由零頻率加速啟動到設定頻率時，PLC控制風門絞車開啟風門，為了避免風門在開、關過程中的不到位引起漏風從而降低風機效率，風門的上下端設置了開觸點和閉觸點，PLC實時采集風門的觸點狀態精確控制風門絞車的運轉。風門完全開啟后，使風機電機M1進入工作狀態，在雙機運行方式下，當電機M1的開啟電流小于額定電流時開啟電機M2。

    3.2 風量閉環控制

    在變頻啟運行方式下，風機風量由設定信號控制。設定信號與風量傳感器采集通風機的風量信號，經過變送器后送給 PLC的 A/D轉換器，PLC 將電信號變換成相應的風壓數字信號存儲在內存中，程序采用復合濾波算法，能有效消除或減少各種干擾和噪音。風機正常運行過程中，隨著井下用風量的變化，風機電機的工作狀態就要發生相應的轉換 ，如果風量需求較大，PLC采集到的風量值小于系統設定值，經過比較后將誤差送給PID控制模塊行處理，然后調用模糊控制模塊，并將輸出量轉化為 4～20 mA 電流信號 ，送給變頻器頻率設定電流輸入端，控制變頻器頻率變化，實現對通風機風量系統的閉環控制。

    為了增強系統的自適應能力，PLC的控制添加了模糊控制器。模糊控制器是根據過程參數的變化自動在線修改控制規則，從而取得最好的控制效果。
                   
 
                             圖2   系統控制方案和工作原理圖

    4 控制系統結構及特點

    如圖3所示，煤礦主風機控制系統綜合利用現代自動控制技術、計算機技術、網絡通訊技術，實現對煤礦主風機運行參數的實時監測。

                

                                 圖3   系統結構圖

    系統以和利時公司 LM系列PLC為核心，采用24點CPU模塊LM3109， 輔以高性能模擬、數字輸入/輸出模塊，配置網絡化的嵌入式觸摸屏，實現就地自動控制。

    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，支持專有協議（僅RS232）/Modbus RTU協議/自由協議。

    （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行連接的接口，用于采集并處理從現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0.5%FS。主要完成現場模擬量的輸入、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自動化軟件科技有限公司開發的MCGS 嵌入式組態軟件。嵌入式觸摸屏過網關接入礦端工控WWW服務器上，在礦端工控WWW服務器上運行通用WEB組態軟件，把采集到的主風機監控系統生產安全數據，通過Intranet發布出去。礦端工控WWW服務器采用雙網卡，從物理上將監控系統與企業Intranet進行隔離，保證監控系統的安全和可靠運行。

    監測參數能夠通過嵌入式觸摸屏和遠程終端，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；實時顯示風量-靜壓的全特征曲線，標注主風機的工作區域，風機處于瑞壓區和低效區時語音報警；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。系統的組態界面如圖4，5所示。
               
                                圖4   組態主界面

                   
                                 圖5   全特征曲線
    5 結束語

    基于和利時LM系列PLC可編程控制器的風機變頻監控系統，實現了對主風機系統化管理，提高了主扇風機運轉的可靠性。系統在實際使用過程中取得了良好效果，其性能穩定，運行可靠，節能效果明顯，為整個礦井安全生產奠定了良好的基礎。

    其它作者：

   房利國（1984-），男，江蘇連云港人，工程師，碩士，研究方向為監控檢測。

    參考文獻：

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

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

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

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

    [5] 丁恩杰，馬方清. 監控系統與現場總線[M]. 北京: 電力電子出版社，2003.



                                                              ——轉自《自動化博覽》