基于PLC 和力控组态的主扇风机在线监控系统设计

基于PLC和力控组态的主扇风机在线监控系统设计赵涛，魏晋宏，李文英太原理工大学机械电子研究所，太原（030024）Email: ztzhaotao@摘要：针对当前煤矿通风系统的现状，以山西太原西峪煤矿主通风机系统为实例，基于s7-300 PLC 和组态软件力控电力版6.1，设计了煤矿主通风机在线监控系统。

研究了系统的结构和数据通信机制，详细论述了系统硬件、软件的实现方法，实现了对煤矿主扇风机运行参数、工作状态的实时监测与风机辅助设备控制的一体化。

系统投入运行后，效果良好，具有操作方便、安全可靠的特点。

关键词：风机监控；PLC；力控组态中图分类号：TD720 引言矿井主通风机既是保证井下有新鲜空气、向井下送风的唯一设备又是人耗能机电设备，承担保障矿井安全生产的重任[1]。

同时，由于风机工作要求的电流过大，电压过高，工作环境比较恶劣，因而风机事故率较高。

在这种情况下对其进行在线实时监测和控制，来保障风机正常运行有着重要意义。

太原西峪煤矿的主通风机系统在改造前只能靠人工记录风机的运行参数，不能全面而及时地反映通风机的各项参数，也不能在计算机上显示[2]。

2009年2月安装了风机在线监控系统后，运行良好，为风机的运行、维护、检修提供了科学依据。

1 系统结构1.1 主通风机的结构煤矿主通风机的结构如图1、2 所示图1 风机结构俯视图图2 风机结构刨面图由图2可知此系统风机类型为轴承式风机系统，系统由两台互为备用的风机组成，每台风机含1台交流电机。

每台风机有独立风道，在绞车间汇入主风井。

每台风机装有一扇扇式风门，当一台风机工作时，另一台风机处于备用检修状态。

通过两扇风门的开合，可保证两台风机间的气密性。

在正常生产情况下，同一时刻只有一台风机处于工作状态。

主通风机在线监控系统涉及对系统中的两台电机和风门的控制，以及与反映风机运行相关参数如电机的电流、电压、轴温、定子温等参数的运算、上传、存储并可以实现实时报警、历史查询等。

1.2 风机监控系统结构图3 风机监控系统结构图风机在线监测系统如图3所示，系统由PLC测控系统、高压配电系统、通信系统以及监控计算机（工控机）组成。

系统以西门子s7-300为监控核心，同时还包括珠海优特的通信管理机的控制系统，辅以各种传感器包括pt100、风压传感器、振动传感器、电流变送器、电压变送器、位移传感器（测风门角度）、液位传感器、液压传感器等。

以此来实现风机运行的控制以及相关参数采集，处理并上传至风机监控主机，交由力控处理，存入力控历史数据库并形成实时监控、实时报警和日报表、动态趋势曲线等。

另外通过光纤可以将数据远传到远程监控主机，实现对风机运行系统运程监控。

2 主扇风机系统运行参数分析2.1 振动信号参数振动信号反应的是每一个风机机体的机械振动，分为水平振动和垂直振动。

振动传感器选用防爆型振动传感器，输出4~20mA 电流信号，接入s7-300模拟模块。

振动信号能及时反映风机的运转情况，一旦振动信号超出设定值，表明风机有可能进入喘振状态。

2.2 电参数这里的电参数包括电机的电流、电压、功率、功率因数，励磁柜的电流电压以及各高压配电柜的电流、电压、功率等。

励磁柜电流、电压信号通过电流变送器、电压变送器接入s7-300。

其他所有电参数通过优特的通信管理机以104电力规约和组态力控建立连接。

2.3温度参数风机监控系统需要监测的风机温度包括电机的轴温、定子温以及风机的轴温。

风机长期工作有可能引起高温，烧坏轴承、定子。

风机监控系统在温度超过警戒线时会给出报警，防止事故的发生。

所有温度参数都是由预埋入电机和风机的pt100接入PLC 。

2.4 负压和风量参数负压和风量都是风机重要的运行参数，他们反应了风机的通风能力。

负压由风压传感器直接测量所得，风量由负压计算所得。

为计算风量在每一台风机取机体截面积不同两处的负压p1 和p2，s1、s2是其对应的截面积，计算公式如下： ()()222121212/s s p p s s q −−×=ρ其中ρ为空气密度。

2.5 稀油站参数风机长期工作致使风机轴承温度过高，稀油站就是一循环冷却系统。

对其参数的监测是风机正常运行的重要的保障。

稀油站参数包括出油压力、回油压力、出油温度、回油温度、水箱温度等。

3 下位机系统设计3.1 PLC 硬件的选型与组态根据风机监控系统的需要，系统采用CPU 314作为中央处理单元，温度采集模块采用RTD SM331（热电阻）,辅以8×12bit SM331（通用模块）来采集振动、负压、电压等信号，数字量输入采用模块SM321,数字量输出采用模块SM322，通信模块选用模块CP 343。

s7-300硬件的组态在step 7 5.4中完成，包括对模块的选型，排列等[3]。

3.2 PLC 软件的设计PLC 系统主要完成对电机的起停控制、风门的开闭、稀油站控制、报警信号输出等。

控制模式分为自动和手动两种模式，自动模式是由监控计算机发出控制指令，然后通过PLC 内部的逻辑程序来实现对风机的控制，而手动控制模式则是在通过风机旁的控制箱手动直接控制[4]。

控制模式转换由风机监控机柜上的转换开关进行切换。

两种控制模式之间有互锁关系，当系统处于手动控制模式时，PLC 控制功能被封锁，监控主机将失去对风机的控制。

但报警输出没有互锁关系，系统运行时可以提供实时报警输出。

流程图如图4所示，它显示一个循环周期的程序执行情况。

图4 PLC软件流程图3.3 优特通信管理机设置通信管理机采用104电力规约通过485通信与各配电柜建立连接，并提供了与计算机相连接的485通信接口，使用的通信协议同样也是104电力规约。

通信管理机的配置主要设置各个电参数及遥控点的地址，使其与上位机相对应，实现配电柜电参数采集并通过遥控来远程控制各配电柜。

4 上位机监控软件设计4.1 监控软件结构图图 5 上位机监控软件结构图上位机监控软件结构图如上图所示，PLC和通信管理机采集来的数据通过必要的数据处理后传送到力控组态的实时数据库，实时数据库是整个数据处理的中心[5]。

风机运行参数的实时显示、实时趋势曲线的生成、实时报警输出都是从实时数据库调用数据，上位机控制命令的发出也通过实时数据库传输到下位机。

实时数据库采集的数据有一定时间间隔的记录并保存于历史数据库中，可以实现以下功能：（1）生成日报表。

记录风机运行24小时的参数，包括电机的轴温、定子温、风机的轴温以及风机的振动信号、负压信号，另外还包括电机的电流、电压等。

并可以打印日报表，或者导出日报表。

（2）生成历史曲线。

生成的历史曲线有助于观察风机运转状况，分析风机工作可能出现的问题。

或者当风机在运行期间出现问题，通过历史曲线可以很直观地找出问题所在。

（3）生成事件记录查询。

事件记录包括报警记录、工人操作记录、力控各控件通信状况记录等。

(4) 生成报警信息。

风机在运行期间有些参数超过设定值，形成实时报警，而历史报警信息则涵盖了一定时间段内所有的实时报警信息。

4.2 软件运行界面软件运行主界面如图6所示，软件实时显示了风机运行各项相关参数：温度、振动、负压、风量、效率、风门角度等。

系统运行时可以显示风量的流动，二级菜单可以连接到电力监控、日报表、实时曲线、历史曲线、特性曲线、事件记录以及用户管理等。

通过监控主机可以对风门进行远程控制，风门角度指示可以及时地显示控制动作执行的状态。

图 6 风机监控主画面图 7 电力监控画面图7 显示的是电力监控画面，监控画面清晰地标出各高压配电柜相互联接的关系，电力分配状况，并分别显示各开关柜的相关参数：电压、电流、功率、功率因数等。

通过遥控开关可以对各高压配电柜进行远程遥控，实现断路器开、闭。

对高压配电柜进行控制时，系统使用的是双机校验，即至少输入两个操作工的用户名和密码才能对远方配电柜进行遥控控制。

5 结束语本文给出了煤矿主通风在线监控系统的设计方案，该系统已在太原西峪煤矿使用，具有以下特点：(1)采用成熟的西门子PLC s7-300技术和北京力控组态软件技术，可靠性、实时性高。

(2)监控软件界面友好，内容丰富，直观形象，彻底改变了过去人工读取数据、记录数据、分析数据的状况，同时，安全报警机制的引入，使系统的安全得到了充足的保证。

(3)上位机软件采用双机冗余设计，当主机出现故障时，备用机将自动转入工作状态，保障系统安全可靠。

(4)支持远程浏览，控制。

通过力控的网页发布可以实现数据的远传，以及对风机系统的控制。

参考文献[1]张培,尹洪胜,刘秀英. 基于PLC的煤矿主通风机监控系统[J]. 煤矿机械,2008, 29( 12): 126~128.[2]房利国,华刚,张培等. 主扇风机在线监控系统设计[J]. 淮阳工学院学报,2009,18（1）:23~26.[3]姚正华,岳明道,张家兵等. 基于PLC和组态软件的矿井主扇风机监控系统[J]. 自动化技术与应用,2007,26（9）:38~39,77~78.[4]王启立,胡亚非,熊建军. 基于可编程控制器的煤矿主通风机监控管理系统[J]. 煤炭工程:2007,22(7):94~96.[5]贾进章,刘剑.,耿晓伟. 矿井通风仿真系统数学模型[J]. 辽宁工程技术大学学报,2003（s1）:88~ 90 Online Monitoring and Control System of Main fan on PLCand ForceControlZHAO TAO,WEI JIN HONG，LI WEN YINGInstitute of Machtronic , Taiyuan University of Technology, Taiyuan ,China(030024)AbstractIn connection with the current situation of mining ventilation system, the mining main fan monitoring and control system was designed based on PLC of S7-300 and Force Control of power version 6.1 and on the example of Coal Mine of Ixia. The structure and data communication is studied and the function the realization about the hardware and software are thoroughly discussed in this article. The integration of the real-time monitoring of operational parameter of coal mine main fan and functional condition and control of supportive device are realized. The system is well-function after installation with the characteristic of easy –operation,safety.Key Words: Monitoring and control of fan; PLC; Configuration of ForceControl作者简介：赵涛，男，1983年生，硕士研究生，主要研究方向是机电生产过程自动化。