基于S7-1200PLC采集監(jiān)控的礦井通風(fēng)機(jī)智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

徐宏洋 朱佳惠 楊霄潔 繆亦琦 吳赟煒

摘 要：煤礦需要采用機(jī)械通風(fēng)，通風(fēng)機(jī)是煤礦礦井的心臟，通風(fēng)機(jī)的性能對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行和礦井的安全起到至關(guān)重要的作用。針對(duì)通風(fēng)機(jī)的性能監(jiān)測(cè)，我們?cè)O(shè)計(jì)了基于S7-1200PLC信息采集及自動(dòng)調(diào)節(jié)的礦井通風(fēng)機(jī)智能控制系統(tǒng)，主要是硬件軟件和上位機(jī)界面，以實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦通風(fēng)機(jī)的實(shí)時(shí)狀態(tài)分析。該系統(tǒng)有效提高了礦井通風(fēng)機(jī)運(yùn)行的智能化水平和安全程度。

關(guān)鍵詞：通風(fēng)機(jī);智能控制系統(tǒng);上位機(jī)

一、發(fā)展現(xiàn)狀

目前，國(guó)外已經(jīng)將智能化、自動(dòng)化控制技術(shù)與現(xiàn)代化管理技術(shù)應(yīng)用到煤礦的主通風(fēng)機(jī)安全管理上，而我國(guó)主通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)也從簡(jiǎn)單監(jiān)測(cè)進(jìn)步到智能監(jiān)控，憑借互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了主通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)和全礦綜合調(diào)度的連接，完成了對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控，使礦井的可靠生產(chǎn)得到保證，同時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)化水平也提高了，但依舊存在許多問(wèn)題，如：通風(fēng)設(shè)備的檢修還停留在預(yù)防維修方式上，不能實(shí)現(xiàn)狀態(tài)維修;通風(fēng)設(shè)備的管理還是停留在人為管理上，復(fù)雜的生產(chǎn)系統(tǒng)和設(shè)備依靠單人單機(jī)的管理方式，安全生產(chǎn)的數(shù)據(jù)依靠人為統(tǒng)計(jì)分析，管理還是傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)主義型。

隨著國(guó)家科技興安政策的出臺(tái)和煤礦企業(yè)由粗放型向集約型管理轉(zhuǎn)變的需要，緊緊抓住科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，建立以現(xiàn)代控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，先進(jìn)過(guò)程控制理論與管理有機(jī)結(jié)合的通風(fēng)系統(tǒng)監(jiān)控和管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦安全生產(chǎn)的主通風(fēng)機(jī)的智能控制和綜合管理，對(duì)于降低煤炭企業(yè)生產(chǎn)成本、提高通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和安全性、達(dá)到效益最大化、實(shí)現(xiàn)煤炭企業(yè)又快又好發(fā)展，具有強(qiáng)烈的現(xiàn)實(shí)意義。

二、工作原理

主通風(fēng)機(jī)有抽出式、壓入式和壓抽混合式三種工作方式。本通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用了四臺(tái)通風(fēng)機(jī)，并且兩兩互為備用，當(dāng)一組通風(fēng)機(jī)的一號(hào)通風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，二號(hào)通風(fēng)機(jī)就處于檢修或者備用狀態(tài)。運(yùn)用的對(duì)旋軸流風(fēng)機(jī)，指前后串聯(lián)兩個(gè)直徑和輪轂比都相同但旋轉(zhuǎn)方向相反的葉輪組成的通風(fēng)機(jī)。軸向尺寸小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，縮短了整機(jī)的軸向尺寸。反向性能好，改變?nèi)~輪旋轉(zhuǎn)方向即可反風(fēng)，實(shí)用性和效果很好。結(jié)構(gòu)如圖2.1所示。

風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，風(fēng)機(jī)所配備的傳感器開(kāi)始工作，采集周?chē)h(huán)境的溫度，濕度，風(fēng)壓，瓦斯?jié)舛鹊葦?shù)據(jù)并通過(guò)plc將所采集到的數(shù)據(jù)由模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，經(jīng)過(guò)與所設(shè)定的參數(shù)值比對(duì)分析之后，再次通過(guò)plc將數(shù)字量轉(zhuǎn)化為模擬量，最后通過(guò)轉(zhuǎn)化得到的電壓值對(duì)變頻器進(jìn)行調(diào)節(jié)，各個(gè)數(shù)據(jù)都通過(guò)上位機(jī)顯示出來(lái)。下面介紹其中的一項(xiàng)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行流程。

根據(jù)礦井通風(fēng)系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)及監(jiān)測(cè)控制需求，以通風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的環(huán)境溫濕情況作為基本監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)，通過(guò)高精度溫度濕度傳感器獲取通風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的環(huán)境因素?cái)?shù)據(jù)，將其傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)控制中心內(nèi)對(duì)溫度濕度進(jìn)行分析，完成對(duì)其運(yùn)行情況的在線監(jiān)測(cè)和故障診斷。其智能監(jiān)測(cè)及故障診斷系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖2.2所示中。圖引自【1】。

在煤礦風(fēng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，溫度濕度、風(fēng)量、風(fēng)壓、瓦斯?jié)舛鹊拳h(huán)境因素都受到通風(fēng)機(jī)的影響，因此我們可以利用在這些因素實(shí)現(xiàn)對(duì)通風(fēng)機(jī)的智能調(diào)節(jié)。以大部分人比較熟悉的溫度濕度為例，為了測(cè)量不同位置的溫濕，主分管道上下兩側(cè)都安裝傳感器，即除去4扇門(mén)外管道內(nèi)側(cè)都配置傳感器，具有最佳最全的監(jiān)測(cè)效果，溫度傳感器選擇WZP-100，鉑熱電阻分度號(hào)為pt100，測(cè)量范圍為0～1300℃，允差等級(jí)B，熱響應(yīng)時(shí)間40s，靈敏度高、穩(wěn)定性好。濕敏傳感器選用HG12A，濕度測(cè)量范圍為20-90%RH，精度在±5%RH，響應(yīng)時(shí)間為10s。共7組，每組傳感器的數(shù)量為兩個(gè)，溫濕各一個(gè)。由于組別較多測(cè)量數(shù)據(jù)很多，不需要再在每組用兩個(gè)傳感器取平均值，系統(tǒng)監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性依舊很高。

同時(shí)為了診斷機(jī)械是否有故障問(wèn)題，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)同步對(duì)通風(fēng)機(jī)電流、轉(zhuǎn)速、電壓、振動(dòng)頻率、振幅等狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在環(huán)境因素導(dǎo)致通風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)偏離正常值時(shí)，會(huì)發(fā)出故障紅色預(yù)警信息，如果只是數(shù)據(jù)異常但通風(fēng)機(jī)并未受到影響，只會(huì)以黃色警告出現(xiàn)在記錄中。

2.故障診斷裝置

因?yàn)橥L(fēng)機(jī)智能監(jiān)測(cè)及故障診斷需要對(duì)多種監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行逐級(jí)診斷，故障判別邏輯相對(duì)復(fù)雜，如果出現(xiàn)偏差，會(huì)導(dǎo)致整個(gè)監(jiān)測(cè)及故障診斷系統(tǒng)的運(yùn)行紊亂。在監(jiān)測(cè)過(guò)程中，所有的數(shù)據(jù)都會(huì)記錄在數(shù)據(jù)庫(kù)中，同時(shí)不同類(lèi)型和程度的異常情況會(huì)標(biāo)識(shí)出來(lái)，系統(tǒng)會(huì)對(duì)故障原因進(jìn)行預(yù)判和分類(lèi)，逐步對(duì)故障情況分析進(jìn)行匹配，最終得到正確的診斷結(jié)果并輸出不同級(jí)別的預(yù)警信息和故障診斷報(bào)告。

由于通風(fēng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中具有較大的轉(zhuǎn)速和流量，再加上通風(fēng)通道內(nèi)溫度濕度風(fēng)壓的交叉影響，會(huì)對(duì)各類(lèi)傳感器的監(jiān)測(cè)結(jié)果產(chǎn)生一定的干擾，因此在對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析前需要對(duì)其進(jìn)行濾波處理，以提高數(shù)據(jù)分析的準(zhǔn)確性。在故障判別時(shí)。如果故障現(xiàn)象無(wú)法與數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)已有的故障類(lèi)別高度匹配，則系統(tǒng)進(jìn)入故障預(yù)判模式，使用相似邏輯進(jìn)行預(yù)判比較，將預(yù)判結(jié)構(gòu)傳輸?shù)娇刂平K端，交給人工識(shí)別和確認(rèn)，在故障解決后會(huì)同步更新記錄在數(shù)據(jù)庫(kù)中，既實(shí)現(xiàn)故障診斷速度和診斷準(zhǔn)確性的統(tǒng)一，又通過(guò)反饋更新實(shí)現(xiàn)智能化。

3.監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理

為了提升系統(tǒng)對(duì)故障診斷的智能化程度，在系統(tǒng)內(nèi)加入了自動(dòng)化處理和存儲(chǔ)功能，能夠自主的完成對(duì)不同類(lèi)別的故障現(xiàn)象、故障原因、故障處理方案等的分類(lèi)存儲(chǔ)，同時(shí)極大地加快了數(shù)據(jù)診斷速度和準(zhǔn)確性。系統(tǒng)具有日記功能，每天的監(jiān)測(cè)結(jié)果都行自主分析、匯總到日記中，同時(shí)輸出每日監(jiān)測(cè)分析報(bào)告，工作人員可以定時(shí)查看監(jiān)測(cè)分析報(bào)告，定期對(duì)通風(fēng)機(jī)進(jìn)行維修保養(yǎng)，保證了通風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的相對(duì)穩(wěn)定，也提高了通風(fēng)機(jī)維修的有效性。

4.故障診斷后反饋

在對(duì)礦井通風(fēng)機(jī)故障處理后，對(duì)處理前后及正常情況下的通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效果再次進(jìn)行對(duì)比，以判斷該次診斷的實(shí)際效果，對(duì)每次的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析記錄，可獲取同類(lèi)問(wèn)題的最佳處理方法，這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為后反饋診斷。同時(shí)，每次故障處理效果的差異都會(huì)有記錄，方便每月匯總故障率，故障處理率，故障處理準(zhǔn)確率等系統(tǒng)性能，既使得系統(tǒng)自我完善，又變相穩(wěn)定了通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)

5.非故障自動(dòng)調(diào)節(jié)

以上介紹的是在數(shù)據(jù)有較大影響時(shí)系統(tǒng)的故障診斷調(diào)節(jié)系統(tǒng)。在平時(shí)的運(yùn)行過(guò)程中，通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)也會(huì)改變環(huán)境狀態(tài)，一般情況下不影響運(yùn)行，為了達(dá)到環(huán)境穩(wěn)定性，我們也可以實(shí)現(xiàn)人工設(shè)置自我調(diào)節(jié)，如某一煤礦工作環(huán)境要求為20-26℃，為了運(yùn)行的穩(wěn)定，我們將最佳穩(wěn)定定在23℃，溫度25℃時(shí)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)會(huì)顯示在上位機(jī)中，通過(guò)以上數(shù)據(jù)庫(kù)處理方法調(diào)節(jié)通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行速率，加大風(fēng)量降低溫度。這些數(shù)據(jù)同樣的會(huì)記錄在日記中，并以曲線圖或折線圖的形式顯示。

三、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

我們的智能控制系統(tǒng)主要是實(shí)現(xiàn)通風(fēng)機(jī)狀態(tài)信息采集監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)顯示監(jiān)測(cè)數(shù)在上位機(jī)上，接受上位機(jī)的操作命令，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的變頻器與現(xiàn)場(chǎng)總線進(jìn)行通信，并接受上位機(jī)的程序指令。如果出現(xiàn)問(wèn)題或故障，會(huì)進(jìn)行自動(dòng)控制調(diào)節(jié)，必要時(shí)會(huì)報(bào)警通知人員維護(hù)。信息采集主要采集的數(shù)據(jù)包括環(huán)境因素和器械運(yùn)行狀態(tài)，即溫度濕度，風(fēng)壓風(fēng)量，瓦斯?jié)舛龋L(fēng)機(jī)頻率轉(zhuǎn)速，調(diào)風(fēng)門(mén)的運(yùn)行狀態(tài)，運(yùn)行過(guò)程中的電流電壓等參數(shù)。對(duì)此我們?cè)O(shè)計(jì)了符合需要的硬件軟件，以及一定工作條件，量程，精度的傳感器

1.硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)是指為了達(dá)到系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的需要，設(shè)計(jì)了一定規(guī)格、功能、效果的硬件。確定了功能要求后，我們?cè)O(shè)計(jì)了如下電路圖3.1，3.2

2.軟件設(shè)計(jì)

主通風(fēng)機(jī)智能監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)包括兩部分，即上位機(jī)監(jiān)控界面設(shè)計(jì)和 PLC 程序設(shè)計(jì)，上位機(jī)程序設(shè)計(jì)在最后介紹。本系統(tǒng)采用了博途軟件進(jìn)行編程，plc采用了模塊化設(shè)計(jì)。主要完成了對(duì)礦井通風(fēng)機(jī)的啟停控制，數(shù)據(jù)采集處理，故障報(bào)警處理等。風(fēng)機(jī)的啟?？刂浦饕譃閮煞N，手動(dòng)和自動(dòng)模式。手動(dòng)模式是必須由工作人員發(fā)布命令通過(guò)觸摸屏對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行控制，而自動(dòng)模式是由操作臺(tái)發(fā)布指令，再由plc通過(guò)內(nèi)部邏輯程序來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)的控制。

（1）主通風(fēng)機(jī)啟動(dòng)程序設(shè)計(jì)。研究礦井有4臺(tái)主通風(fēng)機(jī)，均有自動(dòng)控制和手動(dòng)控制。當(dāng)位于自動(dòng)模式時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)頻率判定電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)正常運(yùn)行時(shí)，會(huì)用工業(yè)以太網(wǎng)將主通風(fēng)機(jī)的各項(xiàng)狀態(tài)參數(shù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)控制界面，并正常啟動(dòng);若判定變頻器發(fā)生故障時(shí)，則重啟變頻器，檢查故障源并修理。如果主通風(fēng)機(jī)發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)會(huì)立即啟動(dòng)備通風(fēng)機(jī)，并報(bào)警通知工作人員維修（以風(fēng)機(jī)頻率為例）。

（2）監(jiān)控故障報(bào)警程序設(shè)計(jì)。為了確保礦井主通風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行，需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的程序給予保護(hù)，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)可以發(fā)生聲光報(bào)警，啟動(dòng)相應(yīng)的應(yīng)急措施。

（3）調(diào)節(jié)程序設(shè)計(jì)。（以風(fēng)機(jī)頻率為例）算法優(yōu)化模糊PID控制器，模糊PID控制器在PLC中設(shè)計(jì)分為2步：首先，采用Matlab輔助計(jì)算得出PID控制器的模糊推理查詢(xún)表，然后使用博途軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ);，其次，將頻率比例因子和頻率量化因子存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)模塊中，得到與數(shù)據(jù)分析庫(kù)中頻率偏差變化率和頻率偏差的相關(guān)關(guān)系，利用大數(shù)據(jù)查表，得到相應(yīng)調(diào)節(jié)參數(shù)進(jìn)行自我調(diào)節(jié)。

3.傳感器選型

我們用到的傳感器主要有溫度傳感器、振動(dòng)傳感器、溫度傳感器、風(fēng)壓傳感器、轉(zhuǎn)速扭矩傳感器、流量傳感器。

溫度傳感器型號(hào)為WZP-100，這種鉑熱電阻分度號(hào)為pt100，測(cè)量范圍為0～1300℃，允差等級(jí)B，熱響應(yīng)時(shí)間40s。振動(dòng)傳感器規(guī)格有GBC34，GBD160，GBD20，GBM2000。濕敏傳感器可選用HG11/12/12A，濕度測(cè)量范圍為20-90%RH，精度在±5%RH，響應(yīng)時(shí)間為10s，工作溫度25℃。風(fēng)壓傳感器用型號(hào)為MH30的擴(kuò)散硅風(fēng)壓傳感器，精度0.1，分辨率0.001，工作溫度為85℃。轉(zhuǎn)速扭矩傳感器型號(hào)為WSNJ-101，選擇0.1%的精度，分辨率為0.1%，工作溫度為-40～60攝氏度。流量傳感器使用LUGB-FMT，屬于電磁流量計(jì)，精度選擇±1，公稱(chēng)通徑為DN25～300mm。

四、上位機(jī)界面

上位機(jī)的基本功能有流程畫(huà)面顯示，數(shù)據(jù)分析歸檔，報(bào)警報(bào)表等，是對(duì)整個(gè)系統(tǒng)工藝流程的展現(xiàn)陳列，同時(shí)也是連接不同操作設(shè)備的橋梁。流程畫(huà)面數(shù)據(jù)顯示都是pIc傳送到上位機(jī)的，報(bào)警消息也是pIc程序觸發(fā)。在上位機(jī)軟件中，可以直接通過(guò)系統(tǒng)對(duì)主通風(fēng)機(jī)的風(fēng)量進(jìn)行控制，也可以實(shí)時(shí)調(diào)取數(shù)據(jù);可以實(shí)時(shí)了解主通風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀況，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，上位機(jī)界面可以發(fā)出警報(bào)。如圖4.1，4.2所示

五、總結(jié)

我們的智能控制系統(tǒng)較好的實(shí)現(xiàn)了智能監(jiān)控、智能診斷、智能調(diào)節(jié)。在其他智能控制系統(tǒng)主要以風(fēng)行運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)，我們同時(shí)依據(jù)了溫度、濕度、風(fēng)量、風(fēng)壓、瓦斯?jié)舛鹊仁诊L(fēng)機(jī)影響的外界環(huán)境因素來(lái)智能調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)運(yùn)行功率。國(guó)內(nèi)存在的非狀態(tài)維修和非智能化故障處理在我們的智能系統(tǒng)上也得到了了較好的改善，我們定時(shí)定期的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)和診斷，有效的處理了通風(fēng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的一些問(wèn)題，穩(wěn)定性和安全性也得到了巨大的提升。不過(guò)目前仍存在一些問(wèn)題，比如外界環(huán)境因素的變化并不只與風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)有關(guān)，其變化是復(fù)雜的，如何判定風(fēng)機(jī)的具體運(yùn)行狀態(tài)還是要依據(jù)風(fēng)機(jī)自身的因素。另外環(huán)境與風(fēng)機(jī)狀態(tài)之間的相關(guān)函數(shù)的計(jì)算也較為復(fù)雜，并不能完成準(zhǔn)確無(wú)誤的調(diào)節(jié)，需要多次反饋調(diào)節(jié)。再者利用數(shù)據(jù)庫(kù)處理信息雖然快速高效，工作量也是較大的，對(duì)網(wǎng)絡(luò)、供電等有一定的要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]郭鑫.礦井通風(fēng)機(jī)智能監(jiān)測(cè)及故障診斷系統(tǒng)的應(yīng)用研究.機(jī)械管理與開(kāi)發(fā)，2021（9）：149，272，275

作者簡(jiǎn)介：

徐宏洋（2000-），男，漢族，江蘇南京人，江蘇師范大學(xué)本科在讀，自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)

基金項(xiàng)目：江蘇師范大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目