基于plc的煤礦壓風(fēng)機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于plc的煤礦壓風(fēng)機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

0基于plc的煤礦壓風(fēng)機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)煤礦壓力廠承擔(dān)著用于采礦和煉油的動(dòng)力機(jī)械所需的壓縮空氣，如風(fēng)鉗、風(fēng)鉆和開采。它承擔(dān)著采礦和煉油的任務(wù)，為煤炭生產(chǎn)過程中的風(fēng)動(dòng)力提供動(dòng)力。傳統(tǒng)的壓風(fēng)機(jī)控制多數(shù)采用的是人工就地控制方式,壓風(fēng)機(jī)的啟動(dòng)與停止、冷卻水系統(tǒng)的運(yùn)行與關(guān)閉都需要由人工來完成。但壓風(fēng)機(jī)需要根據(jù)風(fēng)包的壓力頻繁啟停,且壓風(fēng)機(jī)房溫度高、噪聲大,工人容易產(chǎn)生疲勞感,不利于煤礦的安全生產(chǎn);單純靠人工開停機(jī)不能很好控制壓風(fēng)機(jī)的運(yùn)行時(shí)間均等,很難保證壓縮空氣的供氣質(zhì)量,也不利于對(duì)壓風(fēng)機(jī)的維護(hù)管理,對(duì)壓風(fēng)機(jī)的使用壽命有很大影響。筆者設(shè)計(jì)了一套基于PLC的煤礦壓風(fēng)機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)的實(shí)施能使井下風(fēng)鎬、風(fēng)鉆、掘進(jìn)機(jī)等氣動(dòng)機(jī)械設(shè)備運(yùn)行安全可靠,提高了礦井自動(dòng)化監(jiān)控水平,降低了事故率,達(dá)到管控一體化,為實(shí)現(xiàn)數(shù)字化現(xiàn)代礦井打下良好的基礎(chǔ)。1plc控制柜及傳感器環(huán)境設(shè)計(jì)組成基于物基于PLC的煤礦壓風(fēng)機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)是針對(duì)老式壓風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)的。老式壓風(fēng)機(jī)采用水冷活塞式、兩級(jí)排氣方式,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,只有簡單的一些模擬儀表,例如一級(jí)、二級(jí)排氣壓力等,壓風(fēng)機(jī)的啟動(dòng)和停止采用手動(dòng)方式。該壓風(fēng)機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)主要由調(diào)度室工控機(jī)、PLC主控制柜、壓力傳感器、溫度傳感器、開停傳感器、風(fēng)包排污管路電動(dòng)閥、高壓控制柜綜合電量采集模塊等組成,結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)通過PLC及控制網(wǎng)絡(luò)采集現(xiàn)場設(shè)備開/停、設(shè)備運(yùn)行參數(shù)及故障狀態(tài)、電動(dòng)機(jī)電壓、電流等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),同時(shí)顯示壓風(fēng)機(jī)的各種運(yùn)行參數(shù),控制壓風(fēng)機(jī)運(yùn)行。地面遠(yuǎn)程調(diào)度中心設(shè)置1臺(tái)工控機(jī),作為監(jiān)控上位機(jī),通過以太網(wǎng)連接在網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)上。上位機(jī)軟件在西門子WinCC組態(tài)軟件的基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā),用戶可以方便快速地構(gòu)造不同需求的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)。工控機(jī)和組態(tài)軟件具備以太網(wǎng)和OPC接口。(1)PLC控制柜現(xiàn)場PLC控制系統(tǒng)選用西門子S7-200PLC作為監(jiān)控核心,它具有多種功能模塊和人機(jī)界面(HMI)可供選擇,其模塊化結(jié)構(gòu),配置相應(yīng)的通信接口與上位計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信(采用Profibus或工業(yè)以太網(wǎng)),系統(tǒng)配置合理,技術(shù)可行,完全可以滿足現(xiàn)場使用要求。該部分主要是根據(jù)設(shè)定的操作方式,實(shí)時(shí)采集總管空氣壓力自動(dòng)控制各臺(tái)壓風(fēng)機(jī)運(yùn)行及保護(hù)功能。PLC控制柜內(nèi)安裝有PLC、模擬量擴(kuò)展模塊、通信擴(kuò)展模塊、觸摸屏、繼電器、接線端子、開關(guān)電源、空氣開關(guān)及避雷器、溫度巡檢儀、各種按鈕、指示燈等器件。由于在本次設(shè)計(jì)中需要采集的模擬量較多,所以PLC控制柜內(nèi)安裝1臺(tái)采集分站,用于模擬量采集和傳輸。PLC控制柜門板上安裝有觸摸屏,極大地方便了用戶的操作以及對(duì)設(shè)備狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。通過觸摸屏可以方便地查看壓風(fēng)機(jī)的各項(xiàng)參數(shù),進(jìn)行參數(shù)的設(shè)定以及進(jìn)行就地控制。PLC控制柜內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。(2)各種傳感器現(xiàn)場傳感器實(shí)時(shí)采集現(xiàn)場物理量號(hào),輸出標(biāo)準(zhǔn)4~20mA電流信號(hào),并配以二線制RVVP電纜單獨(dú)傳送到PLC控制柜。本系統(tǒng)現(xiàn)場使用的傳感器較多,如壓力、溫度、電流、電壓、功率、電量等。各種傳感器的安裝位置如下:(1)在一、二級(jí)氣缸安裝溫度傳感器,監(jiān)測一、二級(jí)排氣溫度;(2)在一、二級(jí)氣缸安裝壓力傳感器,監(jiān)測一、二級(jí)排氣壓力;(3)在風(fēng)包上安裝溫度傳感器,監(jiān)測風(fēng)包溫度;(4)在水泵冷卻水進(jìn)水管路上安裝溫度傳感器,監(jiān)測冷卻水進(jìn)水溫度;(5)在水泵冷卻水出水水管路上安裝溫度傳感器,監(jiān)測冷卻水出水溫度;(6)在冷卻水入口管路安裝供水狀態(tài)傳感器,監(jiān)測冷卻水管路工作狀態(tài);(7)在壓風(fēng)機(jī)齒輪油泵排油管路上安裝壓力傳感器,監(jiān)測壓風(fēng)機(jī)油壓;(8)在后冷卻器和風(fēng)包之間安裝壓力傳感器,監(jiān)測分管路壓力;(9)在總管路出口安裝壓力傳感器,監(jiān)測總管路壓力;(10)在供電電路上安裝開停傳感器;(11)電動(dòng)機(jī)電壓、電流、功率因數(shù)、有功功率、無功功率等電量參數(shù)由綜合電量采集裝置采集,綜合電量采集裝置通過RS485總線連接起來,再連入采集分站的RS485接口;(12)安裝1臺(tái)溫度、濕度傳感器,監(jiān)測環(huán)境溫、濕度。2軟件設(shè)計(jì)2.1系統(tǒng)的硬件組態(tài)根據(jù)各壓風(fēng)機(jī)控制要求不同,由PLC來完成各種不同的信號(hào)控制、信號(hào)的傳送和閉鎖功能,并把數(shù)據(jù)送給上位計(jì)算機(jī)來顯示各種所需參數(shù)。PLC程序使用西門子公司簡單標(biāo)準(zhǔn)版STEP7編程軟件STEP7-Micro/WIN編輯。本次設(shè)計(jì)中采用模塊化方式進(jìn)行軟件編寫,把功能相似、結(jié)構(gòu)大致相同的程序編寫成通用程序模塊。通過組織塊(OB)、功能塊(FB、FC)、數(shù)字塊(DB)等模塊之間的調(diào)用,可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制算法,而程序結(jié)構(gòu)簡潔明了。在設(shè)計(jì)軟件前,需在STEP7軟件中進(jìn)行硬件組態(tài)。將CPU、電源和信號(hào)模塊等設(shè)備安裝到相應(yīng)的機(jī)架上,并對(duì)PLC硬件參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。為了減少掃描時(shí)間,使用STEP7中硬件組態(tài)工具屏蔽未用的模擬量輸入通道,在硬件上還需將未用的通道的輸入端短路,這樣也就加強(qiáng)了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)處理能力。壓風(fēng)機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)程序流程如圖3所示。2.2壓風(fēng)機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)本次設(shè)計(jì)中,上位機(jī)編程采用西門子專業(yè)組態(tài)軟件WinCCV6.0SP3ASIA為開發(fā)平臺(tái),進(jìn)行二次開發(fā),自主研發(fā)的壓風(fēng)機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)人機(jī)操作界面友好,方便對(duì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,對(duì)全廠的生產(chǎn)提供指導(dǎo)。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)了多個(gè)監(jiān)控界面,包括壓風(fēng)機(jī)集控界面、壓風(fēng)機(jī)參數(shù)界面、風(fēng)機(jī)效能曲線界面、報(bào)警查詢界面、報(bào)表查詢界面等。上位機(jī)軟件具備壓風(fēng)機(jī)遠(yuǎn)程控制功能,設(shè)置了操作權(quán)限和密碼,防止非專業(yè)人員誤操作。壓風(fēng)機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)集控界面如圖4所示。3電機(jī)控制系統(tǒng)充放電實(shí)時(shí)監(jiān)控(1)可以監(jiān)控壓風(fēng)機(jī)排氣壓力、排氣溫度、管道流量、管內(nèi)壓力等參數(shù)并將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)秸{(diào)度計(jì)算機(jī)監(jiān)控中心,并提供以上數(shù)據(jù)的歷史數(shù)據(jù)查詢、報(bào)警信息查詢及報(bào)表打印功能;(2)可以提供電動(dòng)機(jī)電壓、電動(dòng)機(jī)電流、電動(dòng)機(jī)功率、壓風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)等主要監(jiān)測數(shù)據(jù)的報(bào)表打印功能;(3)能繪制各參數(shù)隨時(shí)間變化曲線,如電動(dòng)機(jī)電壓-時(shí)間、電動(dòng)機(jī)電流-時(shí)間、電動(dòng)機(jī)功率-時(shí)間、壓風(fēng)機(jī)出口壓力-時(shí)間曲線等;(4)能在線顯示壓風(fēng)機(jī)風(fēng)量曲線、壓力曲線、溫度曲線等,以觀察它們的變化趨勢;實(shí)時(shí)顯示、記錄所監(jiān)測的各個(gè)溫度、壓力值,繪制曲線,并提供歷史數(shù)據(jù)查詢;(5)監(jiān)測參數(shù)和技術(shù)指標(biāo):三相電流、三相電壓、有功功率、無功功率、有功電量、無功電量、功率因數(shù)、頻率等參數(shù),并根據(jù)各個(gè)參數(shù)的實(shí)際情況具有報(bào)警、超高報(bào)警、延時(shí)停機(jī)等功能;(6)顯示系統(tǒng)的實(shí)時(shí)報(bào)警信息,實(shí)時(shí)報(bào)警打印,并提供歷史報(bào)警信息查詢;(7)可查詢過去所有的、或某段時(shí)間內(nèi)的已記錄的數(shù)據(jù)并可以進(jìn)行數(shù)據(jù)打印;(8)具備手動(dòng)/遠(yuǎn)控2種控制方式,能夠?qū)猴L(fēng)機(jī)等設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程啟停控制操作;(9)經(jīng)過一設(shè)定時(shí)間后,自動(dòng)切換主備風(fēng)機(jī),自動(dòng)平衡各機(jī)組的使用時(shí)間,提高機(jī)組壽命;(10)在自動(dòng)集控工作方式時(shí),系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定的供氣壓力值,自動(dòng)控制卸荷或加載,當(dāng)風(fēng)壓達(dá)到設(shè)定值時(shí),自動(dòng)停機(jī)(卸荷);當(dāng)風(fēng)壓降到低值時(shí),自動(dòng)啟動(dòng)或關(guān)閉卸荷閥;(11)系統(tǒng)具有OPC接口,可以接入全礦井綜合自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)集成平臺(tái)。4壓風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)攀煤集團(tuán)小寶鼎礦配備有5臺(tái)老式地面壓風(fēng)機(jī),1臺(tái)是江西氣體壓縮機(jī)廠生產(chǎn)的,3臺(tái)是重慶東方氣體壓縮機(jī)廠生產(chǎn)的,1臺(tái)是沈陽氣體壓縮機(jī)廠生產(chǎn)的,其型號(hào)均為4L-20/8,其參數(shù):功率為118kW,排氣量為21.5m3/min,轉(zhuǎn)速為400r/min,該壓風(fēng)機(jī)為活塞式。5臺(tái)哈爾濱電機(jī)廠生產(chǎn)的電動(dòng)機(jī)型號(hào)為JR127-8,功率為130kW,工作電壓/電流為380V/253A。由于壓風(fēng)機(jī)的各種運(yùn)行數(shù)據(jù)沒有直接顯示,不利于壓風(fēng)機(jī)的安全運(yùn)行。因此,該礦安裝了基于PLC的煤礦壓風(fēng)機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng),用于實(shí)時(shí)監(jiān)測壓風(fēng)機(jī)運(yùn)行參數(shù),如壓風(fēng)機(jī)冷卻水進(jìn)水溫度、壓風(fēng)機(jī)冷卻水流量、一級(jí)排氣溫度、二級(jí)排氣溫度、風(fēng)包溫度、電動(dòng)機(jī)溫度、一級(jí)排氣壓力、二級(jí)排氣壓力、風(fēng)包壓力、潤滑油溫度、壓力等,并將壓風(fēng)機(jī)的各種運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)在壓風(fēng)機(jī)房監(jiān)測室顯示、報(bào)警,通過交換機(jī)進(jìn)入全礦井綜合自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)集成平臺(tái)。現(xiàn)場每臺(tái)電動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)1個(gè)高壓啟動(dòng)柜,高壓啟動(dòng)柜上有3個(gè)電壓互感器、2個(gè)電流互感器,每臺(tái)電動(dòng)機(jī)有1個(gè)勵(lì)磁柜。每臺(tái)壓風(fēng)機(jī)都需安裝測量風(fēng)壓的裝置,每臺(tái)電動(dòng)機(jī)都安裝有1個(gè)開停傳感器,監(jiān)視電動(dòng)機(jī)開停狀態(tài),每臺(tái)電動(dòng)機(jī)已預(yù)埋了定子繞組溫度傳感器、前、后軸承溫度傳感器。當(dāng)監(jiān)測到潤滑油壓力小于0.25MPa時(shí)停機(jī),潤滑油溫度大于60℃報(bào)警,一級(jí)排氣壓力大于0.24MPa時(shí)報(bào)警,二級(jí)排氣壓力大于0.75