基于plc的煤礦壓風機自動控制系統(tǒng)設計

基于plc的煤礦壓風機自動控制系統(tǒng)設計

0基于plc的煤礦壓風機自動控制系統(tǒng)的特點煤礦壓力廠承擔著用于采礦和煉油的動力機械所需的壓縮空氣，如風鉗、風鉆和開采。它承擔著采礦和煉油的任務，為煤炭生產(chǎn)過程中的風動力提供動力。傳統(tǒng)的壓風機控制多數(shù)采用的是人工就地控制方式,壓風機的啟動與停止、冷卻水系統(tǒng)的運行與關閉都需要由人工來完成。但壓風機需要根據(jù)風包的壓力頻繁啟停,且壓風機房溫度高、噪聲大,工人容易產(chǎn)生疲勞感,不利于煤礦的安全生產(chǎn);單純靠人工開停機不能很好控制壓風機的運行時間均等,很難保證壓縮空氣的供氣質(zhì)量,也不利于對壓風機的維護管理,對壓風機的使用壽命有很大影響。筆者設計了一套基于PLC的煤礦壓風機自動控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)的實施能使井下風鎬、風鉆、掘進機等氣動機械設備運行安全可靠,提高了礦井自動化監(jiān)控水平,降低了事故率,達到管控一體化,為實現(xiàn)數(shù)字化現(xiàn)代礦井打下良好的基礎。1plc控制柜及傳感器環(huán)境設計組成基于物基于PLC的煤礦壓風機自動控制系統(tǒng)是針對老式壓風機設計的。老式壓風機采用水冷活塞式、兩級排氣方式,結(jié)構(gòu)復雜,只有簡單的一些模擬儀表,例如一級、二級排氣壓力等,壓風機的啟動和停止采用手動方式。該壓風機自動控制系統(tǒng)主要由調(diào)度室工控機、PLC主控制柜、壓力傳感器、溫度傳感器、開停傳感器、風包排污管路電動閥、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)絡采集現(xiàn)場設備開/停、設備運行參數(shù)及故障狀態(tài)、電動機電壓、電流等實時數(shù)據(jù),同時顯示壓風機的各種運行參數(shù),控制壓風機運行。地面遠程調(diào)度中心設置1臺工控機,作為監(jiān)控上位機,通過以太網(wǎng)連接在網(wǎng)絡交換機上。上位機軟件在西門子WinCC組態(tài)軟件的基礎上進行二次開發(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界面(HMI)可供選擇,其模塊化結(jié)構(gòu),配置相應的通信接口與上位計算機進行通信(采用Profibus或工業(yè)以太網(wǎng)),系統(tǒng)配置合理,技術可行,完全可以滿足現(xiàn)場使用要求。該部分主要是根據(jù)設定的操作方式,實時采集總管空氣壓力自動控制各臺壓風機運行及保護功能。PLC控制柜內(nèi)安裝有PLC、模擬量擴展模塊、通信擴展模塊、觸摸屏、繼電器、接線端子、開關電源、空氣開關及避雷器、溫度巡檢儀、各種按鈕、指示燈等器件。由于在本次設計中需要采集的模擬量較多,所以PLC控制柜內(nèi)安裝1臺采集分站,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設備狀態(tài)的實時監(jiān)控。通過觸摸屏可以方便地查看壓風機的各項參數(shù),進行參數(shù)的設定以及進行就地控制。PLC控制柜內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。(2)各種傳感器現(xiàn)場傳感器實時采集現(xiàn)場物理量號,輸出標準4~20mA電流信號,并配以二線制RVVP電纜單獨傳送到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、二級氣缸安裝溫度傳感器,監(jiān)測一、二級排氣溫度;(2)在一、二級氣缸安裝壓力傳感器,監(jiān)測一、二級排氣壓力;(3)在風包上安裝溫度傳感器,監(jiān)測風包溫度;(4)在水泵冷卻水進水管路上安裝溫度傳感器,監(jiān)測冷卻水進水溫度;(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)在壓風機齒輪油泵排油管路上安裝壓力傳感器,監(jiān)測壓風機油壓;(8)在后冷卻器和風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)電動機電壓、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臺溫度、濕度傳感器,監(jiān)測環(huán)境溫、濕度。2軟件設計2.1系統(tǒng)的硬件組態(tài)根據(jù)各壓風機控制要求不同,由PLC來完成各種不同的信號控制、信號的傳送和閉鎖功能,并把數(shù)據(jù)送給上位計算機來顯示各種所需參數(shù)。PLC程序使用西門子公司簡單標準版STEP7編程軟件STEP7-Micro/WIN編輯。本次設計中采用模塊化方式進行軟件編寫,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,可以實現(xiàn)復雜的控制算法,而程序結(jié)構(gòu)簡潔明了。在設計軟件前,需在STEP7軟件中進行硬件組態(tài)。將CPU、電源和信號模塊等設備安裝到相應的機架上,并對PLC硬件參數(shù)進行設置。為了減少掃描時間,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,這樣也就加強了系統(tǒng)的實時處理能力。壓風機自動控制系統(tǒng)程序流程如圖3所示。2.2壓風機自動控制系統(tǒng)本次設計中,上位機編程采用西門子專業(yè)組態(tài)軟件WinCCV6.0SP3ASIA為開發(fā)平臺,進行二次開發(fā),自主研發(fā)的壓風機自動控制系統(tǒng)人機操作界面友好,方便對生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行處理,對全廠的生產(chǎn)提供指導。該系統(tǒng)設計了多個監(jiān)控界面,包括壓風機集控界面、壓風機參數(shù)界面、風機效能曲線界面、報警查詢界面、報表查詢界面等。上位機軟件具備壓風機遠程控制功能,設置了操作權限和密碼,防止非專業(yè)人員誤操作。壓風機自動控制系統(tǒng)集控界面如圖4所示。3電機控制系統(tǒng)充放電實時監(jiān)控(1)可以監(jiān)控壓風機排氣壓力、排氣溫度、管道流量、管內(nèi)壓力等參數(shù)并將數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)秸{(diào)度計算機監(jiān)控中心,并提供以上數(shù)據(jù)的歷史數(shù)據(jù)查詢、報警信息查詢及報表打印功能;(2)可以提供電動機電壓、電動機電流、電動機功率、壓風機運行狀態(tài)等主要監(jiān)測數(shù)據(jù)的報表打印功能;(3)能繪制各參數(shù)隨時間變化曲線,如電動機電壓-時間、電動機電流-時間、電動機功率-時間、壓風機出口壓力-時間曲線等;(4)能在線顯示壓風機風量曲線、壓力曲線、溫度曲線等,以觀察它們的變化趨勢;實時顯示、記錄所監(jiān)測的各個溫度、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)和技術指標: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)各個參數(shù)的實際情況具有報警、超高報警、延時停機等功能;(6)顯示系統(tǒng)的實時報警信息,實時報警打印,并提供歷史報警信息查詢;(7)可查詢過去所有的、或某段時間內(nèi)的已記錄的數(shù)據(jù)并可以進行數(shù)據(jù)打印;(8)具備手動/遠控2種控制方式,能夠?qū)猴L機等設備進行遠程啟?？刂撇僮?(9)經(jīng)過一設定時間后,自動切換主備風機,自動平衡各機組的使用時間,提高機組壽命;(10)在自動集控工作方式時,系統(tǒng)根據(jù)設定的供氣壓力值,自動控制卸荷或加載,當風壓達到設定值時,自動停機(卸荷);當風壓降到低值時,自動啟動或關閉卸荷閥;(11)系統(tǒng)具有OPC接口,可以接入全礦井綜合自動化監(jiān)控系統(tǒng)集成平臺。4壓風機控制系統(tǒng)攀煤集團小寶鼎礦配備有5臺老式地面壓風機,1臺是江西氣體壓縮機廠生產(chǎn)的,3臺是重慶東方氣體壓縮機廠生產(chǎn)的,1臺是沈陽氣體壓縮機廠生產(chǎn)的,其型號均為4L-20/8,其參數(shù):功率為118kW,排氣量為21.5m3/min,轉(zhuǎn)速為400r/min,該壓風機為活塞式。5臺哈爾濱電機廠生產(chǎn)的電動機型號為JR127-8,功率為130kW,工作電壓/電流為380V/253A。由于壓風機的各種運行數(shù)據(jù)沒有直接顯示,不利于壓風機的安全運行。因此,該礦安裝了基于PLC的煤礦壓風機自動控制系統(tǒng),用于實時監(jiān)測壓風機運行參數(shù),如壓風機冷卻水進水溫度、壓風機冷卻水流量、一級排氣溫度、二級排氣溫度、風包溫度、電動機溫度、一級排氣壓力、二級排氣壓力、風包壓力、潤滑油溫度、壓力等,并將壓風機的各種運行狀態(tài)參數(shù)在壓風機房監(jiān)測室顯示、報警,通過交換機進入全礦井綜合自動化監(jiān)控系統(tǒng)集成平臺?，F(xiàn)場每臺電動機對應1個高壓啟動柜,高壓啟動柜上有3個電壓互感器、2個電流互感器,每臺電動機有1個勵磁柜。每臺壓風機都需安裝測量風壓的裝置,每臺電動機都安裝有1個開停傳感器,監(jiān)視電動機開停狀態(tài),每臺電動機已預埋了定子繞組溫度傳感器、前、后軸承溫度傳感器。當監(jiān)測到潤滑油壓力小于0.25MPa時停機,潤滑油溫度大于60℃報警,一級排氣壓力大于0.24MPa時報警,二級排氣壓力大于0.75