论文部分内容阅读
【摘 要】矿井通风机是煤矿井下输送风的重要设备，在煤矿井下作业中不可缺少的控制环节，井下通风状态及瓦斯气体含量对井下工作人员来说非常重要，因此，对其实现在线监测监控及运行控制，使之始终运行在良好状态，对于保障煤矿安全生产，保护矿工生命和企业财产安全，降低风机能耗具有重要的现实意义。
【关键词】通风机 PLC 计算机 RS-485
中图分类号：TP393.07 文献标识码：A 文章编号：1009―914X（2013）35―514―01
1前言
矿井通风机是煤矿特大型重要负荷设备，通风机常处于超负荷运转及连续工作运行时间，其运行状况直接影响煤矿的安全生产。所谓通风控制，主要是针对矿井风流的控制，通过对通风机进行调速来控制风流状态。通常状况下，井下环境恶劣且通风压力受各种扰动影响而变化无常、难以把握。传统的人工控制模式无法时刻保障通风机矿井风量的准确定位监测，传统的通风控制系统通风电机是不变速拖动，不变速电机的电能大多消耗在适应风量的变化而频繁的开停风机中，电机的频繁开停使设备故障率很高，严重缩短电机的使用寿命，井下的风量具有动态性、随机性等特点，传统的方法很难保障通风的实时性，风机的启停很难把握，可靠性差，故障率高，严重影响了风机的设备寿命及维修难度大。因此，通过将矿井通风机的运行状态采集与计算机技术的处理，对矿井通风实现智能检测与控制，实现以机电控制技术、计算机技术、网络技术和信息技术进行控制，可改善通风机的启动性能，及时调控风量、风速、风压，切实保证主通风机的连续正常运行和井下通风系统合理、稳定，保证通风系统的可靠性和稳定性，并提高煤矿通风设备自动化管理水平，有效地促进煤矿安全生产。
2系统的组成及功能
2.1 系统的组成
矿井主通风机性能在线监测与监控系统，综合利用现代传感技术、微电子技术、自动控制技术、计算机技术、网络通讯技术，基于企业计算机网络实现主风机运行参数、通风数据的实时监测与风机主辅设备控制的一体化，监测内容丰富，控制功能完善，具有实时性强、安全可靠、操作方便的特点。系统的结构框架如图1所示，整个控制系统主要由PLC控制器、变频器、瓦斯传感器、压力传感器、交流异步电机组、通风机组等组成，该系统主控单元采用PLC与上位机进行连接，通过计算机编程实现对现场风机进行数据采集及系统控制，被控元件为变频运行的通风电机，主控参数为瓦斯浓度。
图1 通风机的监测与控制系统结构图
2.2系统的控制原理
通过矿井下瓦斯传感器和压力传感器，将采集信号传给变送器变成标准电信号送入PLC控制器，经运算与给定压力参数进行比较，得出调节参数送给变频器，由变频器控制风机电机的转速.。电机的起、停分别由PLC内部参数所决定。根据所需负压的大小由PLC控制工作组电机数量的增减及变频器对电机的调速，实现稳定的负压值。采用变频器控制通风电机的转速，并自动调节风机的运行台数，完成系统的闭环控制，达到稳定的负压和节能的目的。系统任意设定所需负压值，其反馈值通过PID调节后控制调速装置，以调节通风电机的运行速度，从而调节井内的瓦斯浓度。这与传统的手动控制相比，该控制系统具有通风质量高、灵活性强、能耗少、电动机启/停平稳等许多优点。
图2 系统工作主电路图
2.3 系统的功能特点。
1）现场数据传感器检测系统由瓦斯传感器（实时监测矿井内部瓦斯含量数据）、压力传感器（有风巷静压、动压、全压等传感器）、温度传感器（有前后轴温度传感器、风巷温度传感器、电机定子温度传感器等）、风门开口度传感器及设备运行状态传感器等组成。所有传感器都要经过防干扰处理，经变送器传输给PLC控制器，数据采集变换精度高，信号输出稳定。
2）前端数据采集系统负责将现场各种传感器检测的参数数据传送到上位工控机和PLC模块，与工控机间采用光电隔离的RS485串行通讯，传输速度快，能及时动态响应现场各种状态及控制设备命令，保障设备的有效运行。
3）整个控制系统由数据服务器、PLC、计算机监控画面、打印机，可打印实时数据报表、历史数据报表及报警信息，负责采集现场传来的检测数据，当风机运行时，风机压力、风机转速、风机风量和瓦斯浓度的大小及相关报警信息并在监控界面上显示出来。
4）在主监控界面上，可以实现风机的自动变频、手动变频、工频运行、停止运行、变频器故障复位和瓦斯浓度报警解除的控制，同时还具有风机启动/停止、变频/工频、变频器/风机故障报警和瓦斯浓度超限报警指示的功能。
5）监控画面能够实现对现场风机风压、转速、风量和瓦斯浓度的实时趋势曲线和历史趋势曲线的显示功能，可以进行数据报表的查询、打印以及打印的设置，方便维护人员分析故障及设备状态采集。
6）远程数据传输子系统负责将机房数据监视与设备控制子系统采集的数据通过有线（光缆、双绞线或其他通讯电缆介质）、无线（数传电台、GPRS、CDMA）等方式上传到调度室、通风处、机电处等管理部门，以便远程监控。充分利用计算机网络信息技术的先进性，将通风机等主要设备的运行状况传输到调度室并通过 WEB服务器发布到网络（矿局域网）上，其中WEB浏览子系统由工控机、交换机、光纤和打印机等组成供总工及有关部门随时浏览通风机工作的运行数据。
3 计算机控制功能的实现
计算机与外设通信通常采用RS-485串行口，常用RS-485一端为与计算机相连的9针凸式梯形插头，另一端为与适配器相连的25针凹式梯形插头。若PLC的编程电缆引出口采用的是RS-422串行口，就要使用RS-422/RS-485适配器。将所连FP0的波特率设置为9600bps。9600bps是各编程软件的初始化设置。为方便调试和编程，系统控制器采用模块化编程，系统由若干个子程序构成，包括数据采集子程序、控制量运算子程序、电机控制子程序、报警子程序、风力调节子程序、压力检测子程序、停机“睡眠”子程序等等组成。编程软件采用西门子公司开发的在Windows环境下，实现对现场运行状态和数据的监控及测试；系统寄存器和PLC各种系统参数的设置；程序清单和监控结果等文档的打印；数据传输及文件管理等功能。
4 效果分析
1）将机电控制技术与计算机技术、网络技术和信息技术等现代技术相结合，极大地提高了煤矿掘进通风的智能化、自动化水平，提高局部通风系统管理的现代化水平，实现了无人值守的目标，使掘进通风管理向现代化目标迈进了一大步。
2）采用实时/历史数据库，系统的响应速度、可靠性、容量及对面向过程应用的支持方面有极大优势，采用关系数据库内核的实时数据库而言，由于它们是在关系数据库的基础上增加了实时数据采集和调用机制及面向过程的可视化界面的产品，故系统的开放性、通用性和与关系数据库的互操作性较强。
3）分析了局部通风机的通风量和掘进巷道内的瓦斯浓度变化之间的关系，充分考虑系统的电磁抗干扰能力，既要保证系统本身不受现有系统和电源的干扰，也要保证不会干扰已有系统的运行，通过运用管理系统，可以获得风机、电机、变频器等的相关信息，系统外的信号接入系统时，都采用信号隔离模块进行隔离，硬件设备采用低功耗、散热合理，有利于提高设备运行，提高了通风系统的可靠性。
4）改善局部通风机的启动性能，及时调控风量、风速、风压，保证通风系统的可靠性和稳定性。提高矿井的通风能力和局部通风机自动化水平，节约了资源和电能，取得了良好的经济效益和社会效益。
结束语：计算机远程控制系统在通风机上的应用具有节能、系统运行稳定性能高、安全通风优点，采用PLC做为控制器，硬件结构简单，成本低，系统实现电机的无级调速，依据瓦斯浓度的变化自动调节系统的运行参数。
参考文献：
[1]姬程鹏.矿井掘进面智能通风控制系统设计[J].电子产品世界，2011（09）.
[2]王发达.刘笃鸿.矿井通风瓦斯智能监控报警系统的开发与应用[J].山东煤炭科技，2005（05）.
[3]王洪德.基于粗集—神经网络的矿井通风系统可靠性理论与方法研究[D].辽宁工程技术大学，2004.
[4]刘勇燕.基于网格的矿井通风计算并行处理模式研究[D].西安科技大学，2003.
[5]尚三军.基于PLC控制的单巷掘进多局部通风机集成控制系统的研究[D].太原理工大学，2007.
【关键词】通风机 PLC 计算机 RS-485
中图分类号：TP393.07 文献标识码：A 文章编号：1009―914X（2013）35―514―01
1前言
矿井通风机是煤矿特大型重要负荷设备，通风机常处于超负荷运转及连续工作运行时间，其运行状况直接影响煤矿的安全生产。所谓通风控制，主要是针对矿井风流的控制，通过对通风机进行调速来控制风流状态。通常状况下，井下环境恶劣且通风压力受各种扰动影响而变化无常、难以把握。传统的人工控制模式无法时刻保障通风机矿井风量的准确定位监测，传统的通风控制系统通风电机是不变速拖动，不变速电机的电能大多消耗在适应风量的变化而频繁的开停风机中，电机的频繁开停使设备故障率很高，严重缩短电机的使用寿命，井下的风量具有动态性、随机性等特点，传统的方法很难保障通风的实时性，风机的启停很难把握，可靠性差，故障率高，严重影响了风机的设备寿命及维修难度大。因此，通过将矿井通风机的运行状态采集与计算机技术的处理，对矿井通风实现智能检测与控制，实现以机电控制技术、计算机技术、网络技术和信息技术进行控制，可改善通风机的启动性能，及时调控风量、风速、风压，切实保证主通风机的连续正常运行和井下通风系统合理、稳定，保证通风系统的可靠性和稳定性，并提高煤矿通风设备自动化管理水平，有效地促进煤矿安全生产。
2系统的组成及功能
2.1 系统的组成
矿井主通风机性能在线监测与监控系统，综合利用现代传感技术、微电子技术、自动控制技术、计算机技术、网络通讯技术，基于企业计算机网络实现主风机运行参数、通风数据的实时监测与风机主辅设备控制的一体化，监测内容丰富，控制功能完善，具有实时性强、安全可靠、操作方便的特点。系统的结构框架如图1所示，整个控制系统主要由PLC控制器、变频器、瓦斯传感器、压力传感器、交流异步电机组、通风机组等组成，该系统主控单元采用PLC与上位机进行连接，通过计算机编程实现对现场风机进行数据采集及系统控制，被控元件为变频运行的通风电机，主控参数为瓦斯浓度。
图1 通风机的监测与控制系统结构图
2.2系统的控制原理
通过矿井下瓦斯传感器和压力传感器，将采集信号传给变送器变成标准电信号送入PLC控制器，经运算与给定压力参数进行比较，得出调节参数送给变频器，由变频器控制风机电机的转速.。电机的起、停分别由PLC内部参数所决定。根据所需负压的大小由PLC控制工作组电机数量的增减及变频器对电机的调速，实现稳定的负压值。采用变频器控制通风电机的转速，并自动调节风机的运行台数，完成系统的闭环控制，达到稳定的负压和节能的目的。系统任意设定所需负压值，其反馈值通过PID调节后控制调速装置，以调节通风电机的运行速度，从而调节井内的瓦斯浓度。这与传统的手动控制相比，该控制系统具有通风质量高、灵活性强、能耗少、电动机启/停平稳等许多优点。
图2 系统工作主电路图
2.3 系统的功能特点。
1）现场数据传感器检测系统由瓦斯传感器（实时监测矿井内部瓦斯含量数据）、压力传感器（有风巷静压、动压、全压等传感器）、温度传感器（有前后轴温度传感器、风巷温度传感器、电机定子温度传感器等）、风门开口度传感器及设备运行状态传感器等组成。所有传感器都要经过防干扰处理，经变送器传输给PLC控制器，数据采集变换精度高，信号输出稳定。
2）前端数据采集系统负责将现场各种传感器检测的参数数据传送到上位工控机和PLC模块，与工控机间采用光电隔离的RS485串行通讯，传输速度快，能及时动态响应现场各种状态及控制设备命令，保障设备的有效运行。
3）整个控制系统由数据服务器、PLC、计算机监控画面、打印机，可打印实时数据报表、历史数据报表及报警信息，负责采集现场传来的检测数据，当风机运行时，风机压力、风机转速、风机风量和瓦斯浓度的大小及相关报警信息并在监控界面上显示出来。
4）在主监控界面上，可以实现风机的自动变频、手动变频、工频运行、停止运行、变频器故障复位和瓦斯浓度报警解除的控制，同时还具有风机启动/停止、变频/工频、变频器/风机故障报警和瓦斯浓度超限报警指示的功能。
5）监控画面能够实现对现场风机风压、转速、风量和瓦斯浓度的实时趋势曲线和历史趋势曲线的显示功能，可以进行数据报表的查询、打印以及打印的设置，方便维护人员分析故障及设备状态采集。
6）远程数据传输子系统负责将机房数据监视与设备控制子系统采集的数据通过有线（光缆、双绞线或其他通讯电缆介质）、无线（数传电台、GPRS、CDMA）等方式上传到调度室、通风处、机电处等管理部门，以便远程监控。充分利用计算机网络信息技术的先进性，将通风机等主要设备的运行状况传输到调度室并通过 WEB服务器发布到网络（矿局域网）上，其中WEB浏览子系统由工控机、交换机、光纤和打印机等组成供总工及有关部门随时浏览通风机工作的运行数据。
3 计算机控制功能的实现
计算机与外设通信通常采用RS-485串行口，常用RS-485一端为与计算机相连的9针凸式梯形插头，另一端为与适配器相连的25针凹式梯形插头。若PLC的编程电缆引出口采用的是RS-422串行口，就要使用RS-422/RS-485适配器。将所连FP0的波特率设置为9600bps。9600bps是各编程软件的初始化设置。为方便调试和编程，系统控制器采用模块化编程，系统由若干个子程序构成，包括数据采集子程序、控制量运算子程序、电机控制子程序、报警子程序、风力调节子程序、压力检测子程序、停机“睡眠”子程序等等组成。编程软件采用西门子公司开发的在Windows环境下，实现对现场运行状态和数据的监控及测试；系统寄存器和PLC各种系统参数的设置；程序清单和监控结果等文档的打印；数据传输及文件管理等功能。
4 效果分析
1）将机电控制技术与计算机技术、网络技术和信息技术等现代技术相结合，极大地提高了煤矿掘进通风的智能化、自动化水平，提高局部通风系统管理的现代化水平，实现了无人值守的目标，使掘进通风管理向现代化目标迈进了一大步。
2）采用实时/历史数据库，系统的响应速度、可靠性、容量及对面向过程应用的支持方面有极大优势，采用关系数据库内核的实时数据库而言，由于它们是在关系数据库的基础上增加了实时数据采集和调用机制及面向过程的可视化界面的产品，故系统的开放性、通用性和与关系数据库的互操作性较强。
3）分析了局部通风机的通风量和掘进巷道内的瓦斯浓度变化之间的关系，充分考虑系统的电磁抗干扰能力，既要保证系统本身不受现有系统和电源的干扰，也要保证不会干扰已有系统的运行，通过运用管理系统，可以获得风机、电机、变频器等的相关信息，系统外的信号接入系统时，都采用信号隔离模块进行隔离，硬件设备采用低功耗、散热合理，有利于提高设备运行，提高了通风系统的可靠性。
4）改善局部通风机的启动性能，及时调控风量、风速、风压，保证通风系统的可靠性和稳定性。提高矿井的通风能力和局部通风机自动化水平，节约了资源和电能，取得了良好的经济效益和社会效益。
结束语：计算机远程控制系统在通风机上的应用具有节能、系统运行稳定性能高、安全通风优点，采用PLC做为控制器，硬件结构简单，成本低，系统实现电机的无级调速，依据瓦斯浓度的变化自动调节系统的运行参数。
参考文献：
[1]姬程鹏.矿井掘进面智能通风控制系统设计[J].电子产品世界，2011（09）.
[2]王发达.刘笃鸿.矿井通风瓦斯智能监控报警系统的开发与应用[J].山东煤炭科技，2005（05）.
[3]王洪德.基于粗集—神经网络的矿井通风系统可靠性理论与方法研究[D].辽宁工程技术大学，2004.
[4]刘勇燕.基于网格的矿井通风计算并行处理模式研究[D].西安科技大学，2003.
[5]尚三军.基于PLC控制的单巷掘进多局部通风机集成控制系统的研究[D].太原理工大学，2007.