實驗用通風(fēng)機性能監(jiān)測系統(tǒng)研發(fā)

王啟立, 竇東陽, 李小川, 何京敏

(中國礦業(yè)大學(xué) 化工學(xué)院, 江蘇 徐州　221116)

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實驗用通風(fēng)機性能監(jiān)測系統(tǒng)研發(fā)

王啟立, 竇東陽, 李小川, 何京敏

(中國礦業(yè)大學(xué) 化工學(xué)院, 江蘇 徐州221116)

為增強本科生的工程實踐背景和創(chuàng)新精神,培養(yǎng)學(xué)生綜合利用所學(xué)知識解決實際問題的能力,促進(jìn)高校實驗教學(xué)改革,設(shè)計了以小型對旋軸流通風(fēng)機為實驗對象,以可編程控制器和組態(tài)軟件為核心的通風(fēng)機性能監(jiān)測與控制系統(tǒng),為過程控制專業(yè)和自動化專業(yè)實驗教學(xué)提供多功能平臺,獲得較好效果。

通風(fēng)機; 性能監(jiān)測； 實驗教學(xué); 組態(tài)軟件； 可編程控制器

近年來,隨著高等教育的迅速發(fā)展,尤其是工程教育認(rèn)證在國內(nèi)的全面開展,高校培養(yǎng)的本科人才與市場要求還有差距,重要原因之一就是高校的理論教學(xué)和實驗、實踐訓(xùn)練脫節(jié)。通過大量調(diào)研發(fā)現(xiàn),在實驗教學(xué)和實踐訓(xùn)練環(huán)節(jié)存在一些問題,比如:實驗設(shè)備陳舊,沒有工程背景,遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于生產(chǎn)實踐中的現(xiàn)代要求；自制實驗設(shè)備少,大多為教儀廠生產(chǎn),功能單一,只能針對一門課程開設(shè)；驗證性實驗設(shè)備多,綜合設(shè)計、研究性實驗設(shè)備少,不能支撐學(xué)生開展課外創(chuàng)新實踐訓(xùn)練。結(jié)果就是在實驗與實踐教學(xué)環(huán)節(jié)中,學(xué)生為了實驗任務(wù)而實驗,沒有主動性和創(chuàng)新性,無法培養(yǎng)對工程實踐的興趣, 導(dǎo)致學(xué)生走上工作崗位后動手能力差,無法有效地綜合利用自己學(xué)習(xí)的知識解決生產(chǎn)實踐中的實際問題。國內(nèi)已有高校已經(jīng)認(rèn)識到這些問題,在改革實驗教學(xué)體系,改進(jìn)實驗教學(xué)方法方面做了大量探索與實踐,獲得了很多有益的成效[1-7]。

在長期從事教學(xué)工作和指導(dǎo)大學(xué)生開展各級別的課外實踐創(chuàng)新訓(xùn)練過程中,我們發(fā)現(xiàn),培養(yǎng)學(xué)生工程實踐興趣和實踐能力,最有效的方式就是自制儀器設(shè)備,通過開發(fā)貼近生產(chǎn)實際的研究型實驗系統(tǒng),可以有效地融合本專業(yè)的多門課程知識,鍛煉學(xué)生綜合利用所學(xué)知識解決實際問題的能力。比如,在電氣、過程控制等專業(yè)的實驗教學(xué)中增加了設(shè)備工程應(yīng)用背景,培養(yǎng)學(xué)生利用所學(xué)的機械、電氣、儀表及自動化相關(guān)學(xué)科知識,解決實踐中的具體應(yīng)用問題[8-11]。本文以生產(chǎn)實踐中的典型設(shè)備“通風(fēng)機”為例,設(shè)計開發(fā)一套實驗室用通風(fēng)機性能監(jiān)測和控制系統(tǒng),用于本科生的實驗教學(xué)和課外實踐創(chuàng)新活動,鍛煉學(xué)生的實踐和創(chuàng)新能力。

1　系統(tǒng)功能及總體方案

以某小型軸流對旋通風(fēng)機為研究對象,模擬其在煤礦及化工領(lǐng)域生產(chǎn)實踐中的運行情況,監(jiān)測與控制要求與生產(chǎn)實踐中的要求完全一致。為了鍛煉學(xué)生綜合利用機械、電氣、儀表自動化等多學(xué)科知識,該系統(tǒng)設(shè)計采用模塊化思想。該系統(tǒng)由測量傳感器、信息采集、信號處理、界面組態(tài)、控制等多個功能塊組成。設(shè)計包括方案設(shè)計、硬件設(shè)計、人機界面組態(tài)設(shè)計、擴展功能設(shè)計,總體方案見圖1。實現(xiàn)功能如下:

(1) 實現(xiàn)通風(fēng)機運行過程參數(shù)檢測與控制功能的硬件系統(tǒng)構(gòu)建,模擬通風(fēng)機在煤礦及化工廠運行情況；

(2) 實現(xiàn)通風(fēng)機運行參數(shù)信號處理與轉(zhuǎn)換,主要參數(shù)包括溫度、振動、電量、壓力、流量等；

(3) 實現(xiàn)通風(fēng)機運行過程的人機界面組態(tài)、顯示、存儲、報警等功能；

(4) 實現(xiàn)通風(fēng)機運行過程典型控制功能；

(5) 預(yù)留數(shù)據(jù)傳輸、網(wǎng)絡(luò)共享、硬件擴展等接口和功能,為多樣化的創(chuàng)新設(shè)計提供平臺支撐。

圖1　實驗系統(tǒng)總體方案

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計

該系統(tǒng)硬件設(shè)計主要包括傳感器選型設(shè)計、信號采集和轉(zhuǎn)換設(shè)計、控制元件選型設(shè)計、監(jiān)控電腦及輔助器件選型設(shè)計。根據(jù)實驗教學(xué)需要和當(dāng)前工控領(lǐng)域現(xiàn)狀,選型過程遵從以下幾個原則:一是滿足系統(tǒng)技術(shù)要求；二是選擇當(dāng)前主流、高性價比產(chǎn)品；三是通用性好,有利于擴展和改進(jìn)[12-13]。

該系統(tǒng)需要測量電機的軸承溫度與定子溫度,測量傳感器由廠家在出廠前預(yù)埋,采用工業(yè)中廣泛應(yīng)用的Pt100溫度傳感器,系統(tǒng)需配置相應(yīng)的采集模塊。風(fēng)機壓力測量包括靜壓和動壓2個參數(shù),需要配置2個壓力傳感器。實驗室環(huán)境較好,無需設(shè)計除塵、除濕環(huán)節(jié),直接通過壓力傳感器采集壓力信號,再由PLC站的模塊實現(xiàn)信號采集。同樣,配置速度傳感器1個,實現(xiàn)流速測量。為了實時監(jiān)測旋轉(zhuǎn)機械振動情況,為故障診斷提供依據(jù),配置4個振動傳感器,分別測量風(fēng)機前后軸承座在水平、垂直方向的振動信號,通過信號采集模塊接入上級系統(tǒng)。電量參數(shù)包括電機的三相電壓、二相電流、有功及無功功率、功率因數(shù),通過綜合電量測量模塊實現(xiàn)上述參數(shù)測量,每臺電機只需1個測量模塊即可實現(xiàn)。

該系統(tǒng)信號采集與轉(zhuǎn)換采用西門子S7-300系列可編程控制器(PLC)。根據(jù)前述各類測量傳感器選型結(jié)果,考慮信號類型和冗余,配置相應(yīng)的PLC信號模塊。通風(fēng)機的啟停控制通過PLC的數(shù)字量輸出模塊控制中間繼電器,從而實現(xiàn)相關(guān)電路的分合閘來實現(xiàn)通風(fēng)機的啟停。PLC與上位監(jiān)控計算機的通信,可采用MPI通信或以太網(wǎng)通信方式實現(xiàn)。MPI方式受通信距離限制,也不能實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)間通信；TCP/IP通信可以克服上述缺點。系統(tǒng)配置以太網(wǎng)通信模塊,實現(xiàn)PLC站與上位監(jiān)控計算機通信。系統(tǒng)主要硬件配置見表1。

表1　系統(tǒng)硬件配置

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件編程主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與轉(zhuǎn)換、上位電腦監(jiān)控界面組態(tài)、PLC站與上位電腦通信。因此,該系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包括3個方面：一是PLC程序設(shè)計,二是人機界面(HMI)設(shè)計,三是數(shù)據(jù)交換和擴展功能設(shè)計。該系統(tǒng)采用西門子系列PLC作為控制器,PLC編程采用Step 7 V5.5實現(xiàn),上位人機界面基于西門子組態(tài)軟件WinCC V6.2開發(fā),監(jiān)測主界面見圖2。

PLC編程實現(xiàn)2個功能：一是輸入輸出信號數(shù)據(jù)處理,二是與上位組態(tài)軟件通信。編程中所使用的功能塊及數(shù)據(jù)塊見表2。

圖2　上位人機界面

序號功能塊說明1OB1主程序塊2OB86系統(tǒng)故障處理3OB100初始化4FC1模擬量信號處理5FC2開關(guān)量信號處理6DB21數(shù)據(jù)存儲

主程序塊OB1完成循環(huán)調(diào)用程序,FC1完成模擬量輸入信號(DI)信號處理,FC2完成開關(guān)量輸出信號(DO)處理,數(shù)據(jù)存儲在共享數(shù)據(jù)塊DB10中,上位組態(tài)軟件WinCC通過TCP/IP方式讀/寫DB存儲塊數(shù)據(jù),實現(xiàn)信息交換。

上位人機界面基于西門子WinCC6.2組態(tài)軟件開發(fā),最大的優(yōu)勢是與西門子PLC程序可實現(xiàn)無縫連接,實現(xiàn)過程自動化集成,可采用多種通信方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換[14]。人機界面設(shè)計主要功能塊(見表3)包括數(shù)據(jù)處理、在線監(jiān)測、控制、數(shù)據(jù)存儲與查詢等。

表3　人機界面設(shè)計主要功能塊

數(shù)據(jù)處理功能塊完成變量建立、變量讀取及腳本處理。首先在WinCC6.2中建立外部變量,通過TCP/IP通信協(xié)議與Step程序中的DB塊建立變量對應(yīng)關(guān)系,實現(xiàn)WinCC6.2與Step7之間數(shù)據(jù)交換。在線監(jiān)測模塊主要功能是人機界面組態(tài),包括系統(tǒng)圖、數(shù)據(jù)采集界面、模擬棒圖、實時曲線界面、歷史曲線界面,方便觀察實驗過程,記錄實驗數(shù)據(jù)?？刂乒δ苣K實現(xiàn)風(fēng)機的啟停操作控制。數(shù)據(jù)存儲模塊完成監(jiān)測參數(shù)短期、長期歸檔,可進(jìn)行實時和歷史數(shù)據(jù)查詢。輔助功能模塊主要實現(xiàn)用戶權(quán)限分配,防止不熟練者誤操作,簡單的系統(tǒng)幫助有助于使用者盡快熟悉該實驗系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)交換和擴展功能主要針對不同的數(shù)據(jù)處理軟件和平臺,實現(xiàn)本監(jiān)測系統(tǒng)參數(shù)與第三方軟件的數(shù)據(jù)共享與交換。系統(tǒng)通過軟件配置,主要以O(shè)PC、OLE、DDE 3種方式,實現(xiàn)以下功能:(1)與第三方組態(tài)軟件(如MCGS、組態(tài)王、IFIX)實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換；(2)與VB等可視化編程語言實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換,方便學(xué)生自行編程進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；(3)與Excel、Access等日常數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,方便實驗數(shù)據(jù)處理；(4)與攝像頭等視頻工具實現(xiàn)信號接入,將實驗過程視頻信號整合到人機界面中顯示。

4　系統(tǒng)實踐與應(yīng)用

該實驗系統(tǒng)以煤礦和化工領(lǐng)域常用的軸流通風(fēng)機為監(jiān)控對象,對其運行過程進(jìn)行檢測、模擬、控制,在實踐應(yīng)用中體現(xiàn)出如下特點:

(1) 該實驗系統(tǒng)涵蓋多專業(yè)、多學(xué)科交叉知識,功能強大,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了同類教儀產(chǎn)品。根據(jù)實驗?zāi)康牟煌?該系統(tǒng)可以開展通風(fēng)機性能測試實驗、可編程控制器實驗、振動信號測試實驗,稍加改進(jìn)可開展流量調(diào)節(jié)實驗,既包括一般驗證性實驗,又包括綜合設(shè)計性實驗,可為動力工程、電氣工程、過程控制專業(yè)的流體機械、泵與風(fēng)機、控制工程基礎(chǔ)、可編程控制器原理及應(yīng)用、儀器儀表與自動化等多門課程服務(wù)。

(2) 該實驗系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計,可靈活改進(jìn)和替換,在不同方面訓(xùn)練學(xué)生能力。在信號采集、PLC編程、HMI界面組態(tài)環(huán)節(jié),完全可以變換對象,提出不同要求,針對學(xué)生某一方面的能力進(jìn)行重點訓(xùn)練。

(3) 該實驗系統(tǒng)具備靈活的擴展功能,可靈活模擬工程實際,開展工程教育訓(xùn)練和研究。對流體介質(zhì)、取壓環(huán)節(jié)進(jìn)行改進(jìn),即可模擬煤礦井下氣流、化工廠多相流氣體、隧道氣體及工廠含塵氣流的輸送過程,貼近工程實際；開展通風(fēng)機性能調(diào)節(jié)、噪聲治理、故障診斷等方面的研究工作。

(4) 該實驗系統(tǒng)既為本科實驗教學(xué)服務(wù),也為科研訓(xùn)練和課外實踐創(chuàng)新活動提供支撐。近3年來,該實驗系統(tǒng)為本科生的10余項國家級、省級和校級實踐創(chuàng)新課題提供了訓(xùn)練平臺,覆蓋流體機械、儀表與傳感器、自動化控制、節(jié)能降耗等領(lǐng)域,學(xué)生在實踐能力、科技論文撰寫、專利申請方面獲得了顯著的進(jìn)步。

5　結(jié)語

通過自主開發(fā)研制貼近生產(chǎn)實踐、涵蓋多學(xué)科的綜合型實驗教學(xué)系統(tǒng),并應(yīng)用于本科實踐教學(xué)和課外實踐創(chuàng)新訓(xùn)練環(huán)節(jié),對加強學(xué)生的工程觀念、鍛煉學(xué)生的實踐創(chuàng)新能力和解決實際問題的能力都有較大的促進(jìn)作用,該實驗系統(tǒng)有效地將理論教學(xué)與實驗教學(xué)相互銜接了起來,有利于提高實驗教學(xué)質(zhì)量。

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R&D of performance monitoring system for experimental fans

Wang Qili, Dou Dongyang， Li Xiaochuan, He Jingmin

(School of Chemical Engineering and Technology, China University of Mining & Technology, Xuzhou, 221116, China)

In order to enhance the undergraduates’ engineering practical background and innovative spirit, train the ability to solve practical problems by their comprehensive knowledge, and promote the experimental teaching reform in colleges and universities, a performance monitoring system of the small fan is developed. Based on the small axial fan, programmable logic controller and configuration software, this system can be used in the experimental teaching, which provides a multifunctional experimental platform for the undergraduates of the Process Control specialty and Automation specialty. Consequently, good results are achieved in experimental teaching.

fan; performance monitoring; experimental teaching; configuration software; PLC

10.16791/j.cnki.sjg.2016.03.021

2015- 09- 21修改日期:2015- 10- 21

中國礦業(yè)大學(xué)教改項目(2014YB23);江蘇省教改項目(2013JSJG024);中國礦業(yè)大學(xué)“礦物加工工程”專業(yè)主干課國家級教學(xué)團(tuán)隊建設(shè)基金支持；中國礦業(yè)大學(xué)“礦物加工工程”國家特色專業(yè)建設(shè)基金支持

王啟立(1980—),男,四川資陽,博士,副教授,從事過程裝備與過程控制工程的教學(xué)和科研工作.

TP273;G484

A

1002-4956(2016)3- 0078- 04