基于PLC的煤矿主要通风机在线监控系统
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（ 收稿日期： 2011 － 01 － 28； 责任编辑： 霍育川）
工业应用程序和办公室程序提供了一个理想的方 法。监控系统的硬件设备驱动程序和通信程序被封 装为一个独立的 OPC 服务器，WINCC 组态软件本 身既可作 OPC 客户端也可作 OPC 服务器，故可直 接将组态软件的数据点连接到 OPC 服务器的数据 项上。采用 VB6． 0 编写的调度中心上级管理系统 应用程序（ OPC 客户端） 通过自动化接口，并利用工 业以太网访问作为 OPC 服务器的监控系统的主机， 快速有效地获取现场实时数据，并把控制指令写入 监控系统的主机，实现远程控制。监控程序之间的 数据交换如图 3 所示。
器、振动传感器、振动变送器、中间继电器、控制柜、 西门子 S7 － 300 系列 PLC，微机终端和其他辅助设 备组成。西门子 S7 － 300 系列可编程控制器作为下 位机，工控微机作为上位机。硬件采用模块化设计， 维护相当方便，各环节的设计充分考虑了煤矿通风 环境的特点，其构成框架如图 1 所示。
现场的各类传感器将信号转换为 4 ～ 20 mA 直
图 1 硬件系统构成及功能框架图
流电流信号或 0 ～ 5 V 直流电压信号。温度测量模 块采集温度信号； 电量测量模块则用于电量、功率信 号的采集。压力、振动信号及变频器的频率信号进 入 PLC 模拟量输入模块； 工业以太网通讯模块采用 TCP / IP 协议将西门子 S7 － 300 连接到工业以太网 络，并可通过以太网进行现场编程调试； 开关量信号 通过各辅助开关的信号采集由开关量输入模块实现 采集。
〔3〕 周九宁． 可编程控制器在矿山设备中的应用〔J〕． 采矿 技术，2004（ 4） ： 45 － 46．
〔4〕 刘 颀，张为荣，胡亚非． 煤矿主通风机在线监测与通 讯系统在老矿井改造中的应用〔J〕． 流 体 机 械，2001 （ 6） ： 39 － 40．
作者简介： 张 巍（ 1987 － ） ，男，河南信阳人，中国矿业 大学在读硕士研究生，主要从事煤矿过程自动化控制技术的 研究工作。
1 主要通风机监控系统监控的主要内容
矿井主要通风机及其附属设备的各种性能参数 和状态参数是风机运行工况的重要表征，对其进行 实时的在线监测和控制管理是风机监控系统的主要 功能，根据对国内主要通风机监控系统应用状况的 分析，主要通风机监控系统监控的主要对象和内容 如下：
（ 1） 风机的性能参数和状态参数（ 压力、流量、 轴承温度、轴承振动、效率、运行状态） 的监测。
（ 5） 风门或蝶阀状态（ 风门或蝶阀开、关行程和 电机状态） 的监测与（ 风门或蝶阀开、关动作） 控制。
（ 6） 润滑油站状态（ 进出口油温、油压） 监测与 （ 润滑油站开启、停止） 控制。
2 系统的功能设计
根据所要完成的功能需求及煤矿主要通风机的 现场条件，为系统设计了以下功能：
（ 1） 实现对监控对象的数据采集、计算处理、显 示，并把数据定时存储在硬盘中，以便进行数据报表 打印，也为管理部门查看、分析有关数据，强化通风 机的管理提供了便利。
（ 6） 实现数据远传、交换与远程控制。通过标 准 OPC 协议将风机房监控数据上传至调度中心上
设计·开发
（ 2011 － 09）
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级管理系统，实现方式为工业以太网络。上级管理 系统也可通过此协议对风机房计算机发出控制指 令，实现调度中心遥控和风机房无人值守。
3 系统的组成设计
3． 1 系统硬件设计 系统硬件 由 引 压 装 置、压 力 传 感 器、温 度 传 感
参考文献：
〔1〕 张 志，杜亚江，朱德桥． 基于 OPC 技术的上位监控机 与 PLC 的 通 信 程 序 设 计〔J〕． 兰 州 交 通 大 学 学 报， 2009（ 3） ： 55 － 57．
〔2〕 王启立，胡亚非，熊建军． 基于可编程控制器的煤矿主 通风机计算机监控管理系统〔J〕． 煤炭工程，2007（ 7） ： 94 － 96．
·72·
（ 第 42 卷第 9 期）
设计·开发
基于 PLC 的煤矿主要通风机在线监控系统
张 巍，胡亚非，王启立，邱林茂
（ 中国矿业大学 化工学院，江苏 徐州 221008）
摘 要： 介绍了一种以西门子 S7 － 300 系列 PLC 和 WINCC 组态软件为核心的矿井主要通风机
在线监控系统，分析了该监控系统的主要功能及结构组成，设计采用了基于标准 OPC 协议和工
图 3 监控程序数据传输与交换示意图
4结语
该系统具有较强的抗干扰能力，与以往的监控 系统相比，性能更加稳定安全可靠。基于 OPC 技术 的远程通信技术，实现了风机房监控系统和调度中 心上级管理系统之间的数据传输与交换，并充分利 用了工业以太网的数据传输优势，具有数据传输实 时性强、可靠性高的特点，有效的提高了煤矿的自动 化程度和信息化管理水平。该系统已在国内多家煤 矿投入运行，产生了良好的企业效益和社会效益。
（ 2） 电机的运行参数和状态参数（ 定子温度、轴 承温度、电压、电流、功率、运行状态、故障状态） 的 监测。
（ 3） 开关柜状态（ 断路器状态、故障状态） 的监 测来自百度文库（ 断路器合、分闸） 控制。
（ 4） 变频器运行参数（ 频率、电流、故障状态、运 行状态、控制状态（ 就地、遥控） ） 的监测与（ 转速给 定、起停、转向） 控制。
在煤矿远程监控过程中，多种现场总线共存的 控制系统集成了 PLC，DCS 等多种异构网络，相互之 间的通信非常复杂，通信接口不够灵活，导致监控系 统与上级管理系统之间的数据互操作性和通信稳定 性差，使管理软件功能受到限制。OPC 技术的出现 和使用很好的解决了这个问题。
OPC 是为了连接数据源（ OPC 服务器） 和数据 的使用者（ OPC 客户端） 之间的软件接口标准，它是 基于 Windows 的 OLE（ 对象链接和嵌入） 、COM（ 部 件对象模型） 和 DCOM（ 分布式 COM） 技术。OPC 定 义了一个开放的接口，在这个接口上，基于 PC 的软 件组件能交换数据，客户端程序既可以从服务器读 取数据，也可以向服务器写入数据。一个 OPC 客户 端应用程序可以连接若干个 OPC 服务器，每个 OPC 服务器也可以为若干个 OPC 客户端应用程序提供 数据。因而，OPC 为自动化层的典型现场设备连接
图 2 软件系统构成及功能框架图
STEP7 程序处理功能块负责监测信号的采集 以及监测与控制信号的预处理，并将处理后的信号 变量存入存储块并通过 TCP / IP 协议与上位组态软 件进行变量连接。WINCC 组态功能块是上位组态 软件的核心部分，变量管理、画面组态、数据处理、报 警设置等工作都是在这里完成。此外，WINCC 组态 功能块还设计了辅助功能块，用于实现用户管理及 登陆、安全保护、权限设定及在线帮助等功能。 3． 3 远程通信设计
上位计算机在接到控制指令后，通过可编程控 制器的开关量输出模块输出相对应的开关量驱动中 间继电器，中间继电器再将信号传入相关的控制电 路中，实现各种控制动作。系统还通过可编程控制
器的模拟量输出模块实现对变频器的频率给定，以 在线调节风机的转速，降低风机的能耗。
为了降低或消除变频调速引起的谐波干扰，系 统硬件设计中采取了多种抗干扰措施。主要采用了 隔离的方法，如系统采用了光电耦合隔离措施； 电源 线和信号线分开布置； 控制柜与变频器不共用接地 等。另外，传感器输出信号采用直流信号，其抗干扰 能力强于交流信号； 信号线采用屏蔽线，并将屏蔽层 良好接地； 可编程控制器和工控机采用 UPS 稳压电 源供电等。这些抗干扰措施的采用确保了各类信号 的准确可靠，从而提升了系统的整体性能和应用价 值。
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（ 第 42 卷第 9 期）
设计·开发
3． 2 系统软件设计 系统的软件采用西门子 PLC 编程软件 STEP7
V5． 3 和组态软件 WINCC 6． 0。系统软件采用了功 能块的设计思想，主要分为 STEP7 程序处理功能块 和 WINCC 组态功能块两大部分，两大功能块的功 能相对独立，如图 2 所示。
业以太网实现数据上传与共享的方法，提高了煤矿的自动化程度和信息化管理水平。
关键词： 主通风机； 在线监控； 可编程控制器
中图分类号： TD76
文献标志码： B
文章编号： 1003 － 496X（ 2011） 09 － 0072 － 03
随着当前我国信息技术、网络技术的迅猛发展， 数字矿山建设正加速推进。矿井主要通风机作为矿 井通风的核心设备，其监控系统已成为矿山数字化 不可或缺的环节。但以往的主要通风机监控设备存 在诸如监测数据波动、误报警、误动作等性能不稳或 与上级管理系统通信障碍等问题。为此，煤矿迫切 需要一种既安全、准确、可靠又能满足矿山数字化发 展需求的主要通风机在线监控系统。
（ 4） 实现对监控内容友好、直观的人机界面显 示，使操作人员和值班人员对风机的运行状态有比 较直观的了解。人机界面主要包括： 模拟动画界面、 开关柜系统图及控制界面、变频器监控界面、数据采 集界面、单台风机监测界面、表盘模拟界面、实时及 历史曲线界面、报警信息界面、报表查询界面、帮助 界面。
（ 5） 实现对变频干扰问题的解决。解决变频干 扰造成的数据波动、误报警及误动作等情况，实现监 控系统的安全、准确、可靠。
（ 2） 实现对监控对象的计算机集中控制功能。 操作人员通过上位计算机发出指令后，可编程控制 器通过相对应的开关量输出驱动中间继电器，中间 继电器将信号传入到相关的控制电路中，实现各类 控制动作。
（ 3） 实现事故报警及报警设置功能。对温度等 重要参数建立报警机制，具有权限的用户可以修改 报警设置，当发生报警时，相关界面有报警提示，并 进行颜色和声音报警，记录报警相关信息，该信息可 存储并打印。
工业应用程序和办公室程序提供了一个理想的方 法。监控系统的硬件设备驱动程序和通信程序被封 装为一个独立的 OPC 服务器，WINCC 组态软件本 身既可作 OPC 客户端也可作 OPC 服务器，故可直 接将组态软件的数据点连接到 OPC 服务器的数据 项上。采用 VB6． 0 编写的调度中心上级管理系统 应用程序（ OPC 客户端） 通过自动化接口，并利用工 业以太网访问作为 OPC 服务器的监控系统的主机， 快速有效地获取现场实时数据，并把控制指令写入 监控系统的主机，实现远程控制。监控程序之间的 数据交换如图 3 所示。
器、振动传感器、振动变送器、中间继电器、控制柜、 西门子 S7 － 300 系列 PLC，微机终端和其他辅助设 备组成。西门子 S7 － 300 系列可编程控制器作为下 位机，工控微机作为上位机。硬件采用模块化设计， 维护相当方便，各环节的设计充分考虑了煤矿通风 环境的特点，其构成框架如图 1 所示。
现场的各类传感器将信号转换为 4 ～ 20 mA 直
图 1 硬件系统构成及功能框架图
流电流信号或 0 ～ 5 V 直流电压信号。温度测量模 块采集温度信号； 电量测量模块则用于电量、功率信 号的采集。压力、振动信号及变频器的频率信号进 入 PLC 模拟量输入模块； 工业以太网通讯模块采用 TCP / IP 协议将西门子 S7 － 300 连接到工业以太网 络，并可通过以太网进行现场编程调试； 开关量信号 通过各辅助开关的信号采集由开关量输入模块实现 采集。
〔3〕 周九宁． 可编程控制器在矿山设备中的应用〔J〕． 采矿 技术，2004（ 4） ： 45 － 46．
〔4〕 刘 颀，张为荣，胡亚非． 煤矿主通风机在线监测与通 讯系统在老矿井改造中的应用〔J〕． 流 体 机 械，2001 （ 6） ： 39 － 40．
作者简介： 张 巍（ 1987 － ） ，男，河南信阳人，中国矿业 大学在读硕士研究生，主要从事煤矿过程自动化控制技术的 研究工作。
1 主要通风机监控系统监控的主要内容
矿井主要通风机及其附属设备的各种性能参数 和状态参数是风机运行工况的重要表征，对其进行 实时的在线监测和控制管理是风机监控系统的主要 功能，根据对国内主要通风机监控系统应用状况的 分析，主要通风机监控系统监控的主要对象和内容 如下：
（ 1） 风机的性能参数和状态参数（ 压力、流量、 轴承温度、轴承振动、效率、运行状态） 的监测。
（ 5） 风门或蝶阀状态（ 风门或蝶阀开、关行程和 电机状态） 的监测与（ 风门或蝶阀开、关动作） 控制。
（ 6） 润滑油站状态（ 进出口油温、油压） 监测与 （ 润滑油站开启、停止） 控制。
2 系统的功能设计
根据所要完成的功能需求及煤矿主要通风机的 现场条件，为系统设计了以下功能：
（ 1） 实现对监控对象的数据采集、计算处理、显 示，并把数据定时存储在硬盘中，以便进行数据报表 打印，也为管理部门查看、分析有关数据，强化通风 机的管理提供了便利。
（ 6） 实现数据远传、交换与远程控制。通过标 准 OPC 协议将风机房监控数据上传至调度中心上
设计·开发
（ 2011 － 09）
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级管理系统，实现方式为工业以太网络。上级管理 系统也可通过此协议对风机房计算机发出控制指 令，实现调度中心遥控和风机房无人值守。
3 系统的组成设计
3． 1 系统硬件设计 系统硬件 由 引 压 装 置、压 力 传 感 器、温 度 传 感
参考文献：
〔1〕 张 志，杜亚江，朱德桥． 基于 OPC 技术的上位监控机 与 PLC 的 通 信 程 序 设 计〔J〕． 兰 州 交 通 大 学 学 报， 2009（ 3） ： 55 － 57．
〔2〕 王启立，胡亚非，熊建军． 基于可编程控制器的煤矿主 通风机计算机监控管理系统〔J〕． 煤炭工程，2007（ 7） ： 94 － 96．
·72·
（ 第 42 卷第 9 期）
设计·开发
基于 PLC 的煤矿主要通风机在线监控系统
张 巍，胡亚非，王启立，邱林茂
（ 中国矿业大学 化工学院，江苏 徐州 221008）
摘 要： 介绍了一种以西门子 S7 － 300 系列 PLC 和 WINCC 组态软件为核心的矿井主要通风机
在线监控系统，分析了该监控系统的主要功能及结构组成，设计采用了基于标准 OPC 协议和工
图 3 监控程序数据传输与交换示意图
4结语
该系统具有较强的抗干扰能力，与以往的监控 系统相比，性能更加稳定安全可靠。基于 OPC 技术 的远程通信技术，实现了风机房监控系统和调度中 心上级管理系统之间的数据传输与交换，并充分利 用了工业以太网的数据传输优势，具有数据传输实 时性强、可靠性高的特点，有效的提高了煤矿的自动 化程度和信息化管理水平。该系统已在国内多家煤 矿投入运行，产生了良好的企业效益和社会效益。
（ 2） 电机的运行参数和状态参数（ 定子温度、轴 承温度、电压、电流、功率、运行状态、故障状态） 的 监测。
（ 3） 开关柜状态（ 断路器状态、故障状态） 的监 测来自百度文库（ 断路器合、分闸） 控制。
（ 4） 变频器运行参数（ 频率、电流、故障状态、运 行状态、控制状态（ 就地、遥控） ） 的监测与（ 转速给 定、起停、转向） 控制。
在煤矿远程监控过程中，多种现场总线共存的 控制系统集成了 PLC，DCS 等多种异构网络，相互之 间的通信非常复杂，通信接口不够灵活，导致监控系 统与上级管理系统之间的数据互操作性和通信稳定 性差，使管理软件功能受到限制。OPC 技术的出现 和使用很好的解决了这个问题。
OPC 是为了连接数据源（ OPC 服务器） 和数据 的使用者（ OPC 客户端） 之间的软件接口标准，它是 基于 Windows 的 OLE（ 对象链接和嵌入） 、COM（ 部 件对象模型） 和 DCOM（ 分布式 COM） 技术。OPC 定 义了一个开放的接口，在这个接口上，基于 PC 的软 件组件能交换数据，客户端程序既可以从服务器读 取数据，也可以向服务器写入数据。一个 OPC 客户 端应用程序可以连接若干个 OPC 服务器，每个 OPC 服务器也可以为若干个 OPC 客户端应用程序提供 数据。因而，OPC 为自动化层的典型现场设备连接
图 2 软件系统构成及功能框架图
STEP7 程序处理功能块负责监测信号的采集 以及监测与控制信号的预处理，并将处理后的信号 变量存入存储块并通过 TCP / IP 协议与上位组态软 件进行变量连接。WINCC 组态功能块是上位组态 软件的核心部分，变量管理、画面组态、数据处理、报 警设置等工作都是在这里完成。此外，WINCC 组态 功能块还设计了辅助功能块，用于实现用户管理及 登陆、安全保护、权限设定及在线帮助等功能。 3． 3 远程通信设计
上位计算机在接到控制指令后，通过可编程控 制器的开关量输出模块输出相对应的开关量驱动中 间继电器，中间继电器再将信号传入相关的控制电 路中，实现各种控制动作。系统还通过可编程控制
器的模拟量输出模块实现对变频器的频率给定，以 在线调节风机的转速，降低风机的能耗。
为了降低或消除变频调速引起的谐波干扰，系 统硬件设计中采取了多种抗干扰措施。主要采用了 隔离的方法，如系统采用了光电耦合隔离措施； 电源 线和信号线分开布置； 控制柜与变频器不共用接地 等。另外，传感器输出信号采用直流信号，其抗干扰 能力强于交流信号； 信号线采用屏蔽线，并将屏蔽层 良好接地； 可编程控制器和工控机采用 UPS 稳压电 源供电等。这些抗干扰措施的采用确保了各类信号 的准确可靠，从而提升了系统的整体性能和应用价 值。
·74·
（ 第 42 卷第 9 期）
设计·开发
3． 2 系统软件设计 系统的软件采用西门子 PLC 编程软件 STEP7
V5． 3 和组态软件 WINCC 6． 0。系统软件采用了功 能块的设计思想，主要分为 STEP7 程序处理功能块 和 WINCC 组态功能块两大部分，两大功能块的功 能相对独立，如图 2 所示。
业以太网实现数据上传与共享的方法，提高了煤矿的自动化程度和信息化管理水平。
关键词： 主通风机； 在线监控； 可编程控制器
中图分类号： TD76
文献标志码： B
文章编号： 1003 － 496X（ 2011） 09 － 0072 － 03
随着当前我国信息技术、网络技术的迅猛发展， 数字矿山建设正加速推进。矿井主要通风机作为矿 井通风的核心设备，其监控系统已成为矿山数字化 不可或缺的环节。但以往的主要通风机监控设备存 在诸如监测数据波动、误报警、误动作等性能不稳或 与上级管理系统通信障碍等问题。为此，煤矿迫切 需要一种既安全、准确、可靠又能满足矿山数字化发 展需求的主要通风机在线监控系统。
（ 4） 实现对监控内容友好、直观的人机界面显 示，使操作人员和值班人员对风机的运行状态有比 较直观的了解。人机界面主要包括： 模拟动画界面、 开关柜系统图及控制界面、变频器监控界面、数据采 集界面、单台风机监测界面、表盘模拟界面、实时及 历史曲线界面、报警信息界面、报表查询界面、帮助 界面。
（ 5） 实现对变频干扰问题的解决。解决变频干 扰造成的数据波动、误报警及误动作等情况，实现监 控系统的安全、准确、可靠。
（ 2） 实现对监控对象的计算机集中控制功能。 操作人员通过上位计算机发出指令后，可编程控制 器通过相对应的开关量输出驱动中间继电器，中间 继电器将信号传入到相关的控制电路中，实现各类 控制动作。
（ 3） 实现事故报警及报警设置功能。对温度等 重要参数建立报警机制，具有权限的用户可以修改 报警设置，当发生报警时，相关界面有报警提示，并 进行颜色和声音报警，记录报警相关信息，该信息可 存储并打印。