基于PLC和LabVIEW的礦井通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

梁 凱

（西山煤電集團(tuán)職業(yè)病防治所， 山西 太原 030000）

引言

礦井通風(fēng)機(jī)類似于礦井生產(chǎn)的“肺部器官”，它的功能是持續(xù)往井下輸送大量新鮮空氣，滿足井下作業(yè)人員的正常呼吸，稀釋井下瓦斯?jié)舛?，使得瓦斯?jié)舛冉档桨踩a(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)。礦井通風(fēng)機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行是煤礦企業(yè)穩(wěn)定安全生產(chǎn)的重要保障，一旦通風(fēng)機(jī)發(fā)生故障，會(huì)給井下安全生產(chǎn)帶來重大事故隱患。因此，對(duì)礦井通風(fēng)機(jī)的生產(chǎn)運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控尤為重要。

礦井主通風(fēng)機(jī)的主要監(jiān)控參數(shù)包括井下風(fēng)量的大小、抽采負(fù)壓的高低、瓦斯?jié)舛取⑼L(fēng)機(jī)設(shè)備運(yùn)行溫度、各項(xiàng)電參數(shù)等。建立這種遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)通風(fēng)機(jī)的安全可靠運(yùn)行、事故危險(xiǎn)隱患的預(yù)防以及高效的通風(fēng)質(zhì)量。但因?yàn)橛布夹g(shù)落后，主通風(fēng)機(jī)自動(dòng)化和智能化程度不高，仍然需要安排礦工人為監(jiān)測(cè)。鑒于礦井通風(fēng)存在的實(shí)際問題和安全生產(chǎn)的需要，為了及時(shí)了解礦井通風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)和相關(guān)參數(shù)的波動(dòng)，本文利用S7-300PLC可編程控制器和LabVIEW設(shè)計(jì)一種全自動(dòng)的礦井通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

利用冗余設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)PLC為通風(fēng)機(jī)的主控制器，該系統(tǒng)以S7-300PLC為處理器,為了保障通風(fēng)機(jī)的安全穩(wěn)定性，采用雙控制系統(tǒng)，二者在保障系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)互不干擾，能獨(dú)立完成S7-300PLC處理器的運(yùn)行、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)反饋等功能。當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，由主CPU控制整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)際輸出控制，備用CPU處于準(zhǔn)備狀態(tài)，當(dāng)主CPU發(fā)生事故或者數(shù)據(jù)傳輸出錯(cuò)時(shí)，處于準(zhǔn)備狀態(tài)的CPU立馬切換到工作狀態(tài)，保障系統(tǒng)繼續(xù)正常運(yùn)行，代替主CPU的輸出控制。

應(yīng)用冗余設(shè)計(jì)確保通風(fēng)機(jī)的正常工作，需要一臺(tái)通風(fēng)機(jī)正常使用，一臺(tái)備用，交替運(yùn)行。礦山通風(fēng)機(jī)監(jiān)控對(duì)編程控制器的穩(wěn)定性和兼容性要求較高，所以選用S7-300PLC作為控制樞紐，通過工業(yè)以太網(wǎng)來傳輸相應(yīng)數(shù)據(jù)，并安裝對(duì)應(yīng)的傳感器，通過上位機(jī)完成通風(fēng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)和狀態(tài)的視頻監(jiān)控。LabVIEW主要用來編寫上位機(jī)軟件程序，通過相應(yīng)的控制按鈕完成對(duì)應(yīng)操作的控制，即工業(yè)以太網(wǎng)和上位機(jī)之間的各種信號(hào)數(shù)據(jù)、操作信號(hào)、電壓信號(hào)、電流信號(hào)、溫度信號(hào)、瓦斯?jié)舛刃盘?hào)等。而且，為了規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)，采用兩種控制模式，一種手動(dòng)、一種自動(dòng)。系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)都處于自動(dòng)狀態(tài)，出現(xiàn)故障時(shí)，可切換到手動(dòng)狀態(tài)，方便操作人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題和處理問題。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

2 系統(tǒng)硬件構(gòu)成

系統(tǒng)硬件包括監(jiān)控上位機(jī)、電動(dòng)機(jī)、通信電纜、多種傳感器等基本硬件。通風(fēng)機(jī)由南通天燁風(fēng)機(jī)制造有限公司制造，T4-72離心風(fēng)機(jī)主要由葉輪、機(jī)殼、進(jìn)風(fēng)口等部分配直聯(lián)電機(jī)而組成，葉輪由十個(gè)后傾的圓孤薄板型葉片、曲線型前盤和平板后盤組成，均用鋼板制造，并經(jīng)靜、動(dòng)平衡校正，空氣性能良好，高效率、低噪聲，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)。主軸轉(zhuǎn)速1 450 r/min,流量 23 612～30 052 m3/h,全壓 23 612～30 052 Pa。電動(dòng)機(jī)采用YB2系列隔爆型三相異步電動(dòng)機(jī)，電機(jī)具有體積小、質(zhì)量輕、外形美觀、運(yùn)行安全可靠、壽命長(zhǎng)、性能優(yōu)良、安裝使用維護(hù)方便等特點(diǎn)。YB2系列電動(dòng)機(jī)額定電壓為380 V、660 V、380V/660 V，額定頻率為50 Hz、防護(hù)等級(jí)IP55、冷卻方式IC411、采用F級(jí)絕緣，滿載溫升按B級(jí)考核，可以在溫度不高于35℃（煤礦井下）或40℃（工廠）的環(huán)境條件下連續(xù)運(yùn)行。把PLC、通信模塊、接口端點(diǎn)、安全開關(guān)全部安置在PLC專用控制柜里。各種運(yùn)行參數(shù)由傳感器實(shí)時(shí)采集傳輸給上位機(jī)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要由PLC控制軟件和上位機(jī)監(jiān)控軟件兩部分組成。上位機(jī)是一個(gè)運(yùn)行參數(shù)顯示和存儲(chǔ)的軟件，由LabVIEW編寫，操作者通過上位機(jī)達(dá)到與現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行設(shè)備的數(shù)據(jù)交換和傳輸功能。PLC則主要控制通風(fēng)機(jī)和電機(jī)的運(yùn)行，包括各種信號(hào)的獲取功能。

3.1 上位機(jī)監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)界面利用指示燈來顯示通風(fēng)機(jī)運(yùn)行模式和運(yùn)行狀態(tài)，不同顏色表示不同運(yùn)行狀態(tài)，綠色表示正常運(yùn)行，紅色表示運(yùn)行異常，需要及時(shí)查看并更改相關(guān)參數(shù)，這是監(jiān)控系統(tǒng)的第一種實(shí)現(xiàn)功能，即通風(fēng)機(jī)工作模式和運(yùn)行狀態(tài)。第二種功能是對(duì)通風(fēng)機(jī)和電機(jī)相關(guān)運(yùn)行參數(shù)的監(jiān)控和存儲(chǔ)，包括電壓、電流、功率、溫度等，設(shè)定存儲(chǔ)間隔時(shí)間，每5 s保存一次數(shù)據(jù)，并記錄好?？刂平缑嫔巷@示對(duì)應(yīng)操作按鈕，方便用戶隨時(shí)查看各種類型的數(shù)據(jù)，并可以切換到對(duì)應(yīng)參數(shù)的運(yùn)行圖上，比較直觀和具體，便于工作人員實(shí)時(shí)掌握和了解通風(fēng)機(jī)和電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)[1-2]。

系統(tǒng)在監(jiān)控通風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，利用LabVIEW攜帶的一款無(wú)償?shù)?、大容量、兼容性好的?shù)據(jù)庫(kù)訪問工具包LabSQL記錄風(fēng)機(jī)和電機(jī)運(yùn)行參數(shù)，并存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中。為了便于用戶操作，LabVIEW將基礎(chǔ)復(fù)雜數(shù)據(jù)整理成API函數(shù)，操作者可直接輸入相關(guān)數(shù)據(jù)和查詢數(shù)據(jù)。ODBC把數(shù)據(jù)語(yǔ)言和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)有效地連接在一起，操作者需要在ODBC上調(diào)取操作源代碼和源程序，編程語(yǔ)言和數(shù)據(jù)庫(kù)的連接是以數(shù)據(jù)源為基礎(chǔ)的連接。操作者可以隨時(shí)查看不同日期的數(shù)據(jù)記錄，只需設(shè)置好查詢?nèi)掌?，點(diǎn)擊“輸出當(dāng)日?qǐng)?bào)表”即可得到當(dāng)天的數(shù)據(jù)記錄。

3.2 基于PLC控制軟件設(shè)計(jì)

為了保障監(jiān)控系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，需要使用穩(wěn)定性高、可靠性高的系統(tǒng)，擬采用S7-300PLC控制器作為系統(tǒng)的核心控制器，該控制器具有較高穩(wěn)定性和準(zhǔn)確度。各種電壓、電流、功率、溫度信號(hào)采集和傳輸主要由PLC程序來完成。為了滿足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用，采用每秒千兆的工業(yè)以太網(wǎng)來完成實(shí)時(shí)傳輸，在上位機(jī)監(jiān)控界面實(shí)現(xiàn)相應(yīng)操作的完成，包括啟停通風(fēng)機(jī)、顯示、存儲(chǔ)相關(guān)數(shù)據(jù)，故障異常報(bào)警和應(yīng)急方案陳述。風(fēng)機(jī)啟動(dòng)程序如圖2所示。

圖2 風(fēng)機(jī)啟動(dòng)PLC程序

為了達(dá)到井下作業(yè)安全穩(wěn)定生產(chǎn)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)兩種操作模式，一種是自動(dòng)操作，另一種是手動(dòng)。正常情況下，系統(tǒng)在自動(dòng)狀態(tài)下運(yùn)行，兩臺(tái)風(fēng)機(jī)輪流工作，工作間隔時(shí)間為3 h。當(dāng)某一臺(tái)風(fēng)機(jī)出現(xiàn)異常時(shí)，風(fēng)機(jī)無(wú)法完成交替使用，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出警報(bào)并在監(jiān)控界面顯示通風(fēng)機(jī)異常，使得維修人員能及時(shí)解除安全隱患。一旦發(fā)生故障或者設(shè)備處于維修階段時(shí)，需要采用手動(dòng)模式來操作風(fēng)機(jī)[3]。

4 遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)

監(jiān)控分兩個(gè)方面：一是遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控主通風(fēng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)并記錄參數(shù)，二是視頻監(jiān)視，主要包括主通風(fēng)機(jī)、高低壓柜、風(fēng)門、防爆蓋等主要設(shè)備及現(xiàn)場(chǎng)溫度、風(fēng)量等環(huán)境參數(shù)。根據(jù)這兩部分的分區(qū)監(jiān)測(cè)功能和特點(diǎn)，利用傳統(tǒng)的C/S（客戶機(jī)/服務(wù)器）結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)程事故判斷系統(tǒng)和基于B/S（瀏覽器/服務(wù)器）模式的遠(yuǎn)程事故預(yù)防結(jié)合方式[4]。

1）C/S模式：網(wǎng)絡(luò)連接具有三層結(jié)構(gòu)。C/S模式即客戶端/服務(wù)器模式，是一種三層結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)連接模式。用戶下載APP即可在客戶端輸入服務(wù)請(qǐng)求以及疑難咨詢和部分邏輯功能，同時(shí)服務(wù)器端則為用戶的請(qǐng)求做出回應(yīng)和解答，并將具體操作方案反饋給用戶。優(yōu)勢(shì)在于數(shù)據(jù)庫(kù)儲(chǔ)存在單獨(dú)服務(wù)器上，保障了數(shù)據(jù)的安全性，明確了不同軟件的分工任務(wù)，阻止了第三方數(shù)據(jù)訪問者對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的破壞和非法收集。缺點(diǎn)是客戶必須使用既定應(yīng)用軟件，缺乏機(jī)動(dòng)性，而這種應(yīng)用軟件必須在特定環(huán)境下應(yīng)用，編寫程序的修改也將導(dǎo)致用戶的更新升級(jí)。

2）B/S模式即瀏覽器/服務(wù)器模型。不同地域的服務(wù)器可以接收不同地方的計(jì)算機(jī)用戶請(qǐng)求，用戶操作端一致使用瀏覽器，服務(wù)器根據(jù)用戶請(qǐng)求發(fā)出相應(yīng)處理，然后反饋到瀏覽器。優(yōu)點(diǎn)是靈活機(jī)動(dòng)，客戶只需安裝瀏覽器軟件，極大地方便了使用程序，增加了用戶體驗(yàn)。缺點(diǎn)是服務(wù)器與客戶只能是單向請(qǐng)求，即服務(wù)器只能對(duì)客戶機(jī)的請(qǐng)求做出應(yīng)答，二者缺乏互動(dòng)性。

3）C/S和B/S兩種模式結(jié)合應(yīng)用。B/S模式應(yīng)用于遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控，通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)布的形式，利用WEB服務(wù)器連接上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，方便用戶在瀏覽器端隨時(shí)瀏覽。C/S模式應(yīng)用于遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)及監(jiān)控，上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)連續(xù)為遠(yuǎn)程危險(xiǎn)控制平臺(tái)傳輸危險(xiǎn)事故特征參數(shù)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理如圖3所示。

5 結(jié)語(yǔ)

基于PLC和LabVIEW的通風(fēng)機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制網(wǎng)絡(luò)化，提高了通風(fēng)機(jī)智能化、自動(dòng)化和安全穩(wěn)定性，保障了設(shè)備的安全運(yùn)行，降低了事故發(fā)生率，實(shí)現(xiàn)了減員增效的目標(biāo)，提升了礦井現(xiàn)代化水平。通過核心控制器將不同數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)監(jiān)控界面，完成了對(duì)運(yùn)行狀態(tài)和運(yùn)行參數(shù)的收集和存儲(chǔ)，達(dá)到了對(duì)通風(fēng)機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。通過現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，初步達(dá)到預(yù)計(jì)功能，但仍需優(yōu)化和升級(jí)。

圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理