馬 騁

（山西汾西礦業(yè)有限責(zé)任公司兩渡煤業(yè)通風(fēng)隊， 山西 靈石 031300）

引言

煤礦井下風(fēng)阻發(fā)生變化時通風(fēng)機(jī)風(fēng)量輸出值同樣會出現(xiàn)變化，技術(shù)人員需要維持恒風(fēng)量控制，一般采用調(diào)節(jié)擋板開度來維持風(fēng)量或者調(diào)整風(fēng)機(jī)葉片安裝角度來保證風(fēng)量。部分系統(tǒng)引入變頻調(diào)速裝置，但大多為手動調(diào)節(jié)，難以達(dá)到恒風(fēng)量自控的效果。風(fēng)機(jī)DCS監(jiān)控系統(tǒng)基于PLC系統(tǒng)下PID自調(diào)節(jié)特點，可實現(xiàn)自動控制風(fēng)機(jī)恒風(fēng)量的目的。

1 DCS系統(tǒng)構(gòu)成介紹

該系統(tǒng)為二級分布式DCS結(jié)構(gòu)，分為PLC、工控機(jī)、高壓變頻器、多種傳感器以及觸摸屏等多個組件，構(gòu)成示意如圖1所示。其中CPU266CN為西門子公司生產(chǎn)的S7-200 PLC系列產(chǎn)品，主要是對高壓變頻器運行實施控制；PLC作為系統(tǒng)數(shù)據(jù)匯集中心以及控制核心，經(jīng)由Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)接口連接上位機(jī)CP5611，搭建出Profibus-DP總線系統(tǒng)[1]。

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

PLC觸摸屏為人機(jī)交互界面，監(jiān)控人員利用PCL監(jiān)測控制各種現(xiàn)場參量，觸摸屏主要顯示現(xiàn)場信號，并給定風(fēng)機(jī)啟?？刂频认嚓P(guān)主令。

檢測模塊分為電氣參數(shù)檢測以及多種傳感器兩大部分，其中電氣參數(shù)檢測為EDA9033模塊，主要是對各類電氣參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行檢測，例如電機(jī)電流、功率因數(shù)、電壓等等，采用modbus-rtu協(xié)議與PLC控制模塊實施通信，由上位機(jī)組態(tài)界面與觸摸屏予以顯示。傳感器則分為溫度傳感器、風(fēng)量傳感器、粉塵傳感器以及CH4傳感器等多個類型。

工控機(jī)利用組態(tài)軟件實現(xiàn)組態(tài)界面的編制操作，對上可搭建以外網(wǎng)，能夠與管理計算機(jī)實施交互通信；對下可用于監(jiān)控通風(fēng)機(jī)參量[2]。

2 系統(tǒng)控制要求

1）確保通風(fēng)機(jī)處于恒風(fēng)量運行狀態(tài)；

2）風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)共有兩套，彼此應(yīng)保持相互獨立的狀態(tài)，一用一備；

3）通過觸摸屏顯示風(fēng)機(jī)參數(shù)，發(fā)出風(fēng)機(jī)指令動作。對設(shè)備運行狀態(tài)、風(fēng)機(jī)工藝流程以及高低壓配電系統(tǒng)簡圖進(jìn)行分頁顯示，還可通過實時曲線顯示以及歷史曲線顯示的方法呈現(xiàn)主要參數(shù)；此外還具有生產(chǎn)報表自動生成功能；

4）中控室可顯示風(fēng)機(jī)參數(shù)并操控風(fēng)機(jī)；

5）具有工頻/變頻、手動/自動切換功能；

6）利用GSM方式發(fā)出風(fēng)機(jī)故障以及CH4超標(biāo)警報；

7）收集通風(fēng)機(jī)工況，并經(jīng)由高速以太網(wǎng)向調(diào)度中心實施傳輸相關(guān)數(shù)據(jù)，或直接發(fā)送至機(jī)電設(shè)備管理服務(wù)器[3]。

3 系統(tǒng)控制方案

1）恒風(fēng)量控制?；赑ID調(diào)節(jié)特性達(dá)到自動控制風(fēng)機(jī)風(fēng)量的目的，首先通過布設(shè)在通風(fēng)機(jī)出口處的風(fēng)量傳感器收集分析風(fēng)量，并向PID控制模塊發(fā)送反饋信息；PID模塊基于反饋信息輸出數(shù)字量，經(jīng)由D/A轉(zhuǎn)換器變換為標(biāo)準(zhǔn)模擬量信號，最后對變頻器輸出進(jìn)行控制；操作人員通過觸摸屏上設(shè)計的數(shù)值輸入窗口給定風(fēng)量，不依賴A/D轉(zhuǎn)換器即可給定模擬量。風(fēng)量傳感器通過A/D轉(zhuǎn)換器將反饋量傳送至PLC控制模塊，PID輸出量通過D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后輸出至變頻器，這一參數(shù)是變頻調(diào)速的模擬控制量，可結(jié)合實際情況和需求予以整定。恒風(fēng)量控制系統(tǒng)運行原理如下頁圖2所示。

2）切換工作模式。首先是手動與自動方式的切換，前者屬于變頻器面板操作，后者屬于PID恒風(fēng)量調(diào)節(jié)，二者可利用設(shè)置變頻器參數(shù)來實現(xiàn)切換。其次為工頻/變頻切換，利用高壓斷路器即可實現(xiàn)。

圖2 風(fēng)量PID控制原理示意

4 系統(tǒng)設(shè)計

本次所用設(shè)備為西門子CPU226CN、AC/DC/RELAY、Idrive高壓變頻器、TP277-6觸摸屏、EDA9033電量參數(shù)檢測模塊和GSM智能報警裝置。

4.1 PLC模塊設(shè)計

1）PID程序。啟動編程軟件，點擊工具菜單中的指令向?qū)Вc擊PID；選定編譯對象，使用符號編址；確認(rèn)PID指令編號；確定調(diào)節(jié)基本參數(shù)；準(zhǔn)確設(shè)定輸入和輸出參數(shù)；準(zhǔn)確設(shè)定輸出警報參數(shù)；完成PID各項控制參數(shù)的設(shè)定；完成PID控制子程序以及中斷程序名稱的設(shè)定工作；調(diào)用PID進(jìn)行子程序運算，達(dá)到PID控制的效果[4-5]。

2）模擬量處理程序。系統(tǒng)模擬量輸入電路主要是將接收自外部的模擬量信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使之變?yōu)橄鄳?yīng)的數(shù)字量（1個字長），然后傳送至映像寄存器區(qū)；而輸出電路主要是對輸出映像寄存器區(qū)的數(shù)字量（1個字長）進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使之變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)模擬量輸出，二者區(qū)域標(biāo)志符分別為AI、AQ。PLC模塊內(nèi)數(shù)字量字長均為2個字節(jié)，以偶數(shù)的形式表示其地址。

3）Modbus RTU通信程序。該通信程序?qū)儆陔姎鈪⒘繖z測模塊，首先進(jìn)行主站指令庫的安裝，安裝完畢后調(diào)用主站初始化以及控制子程序，主站初始化結(jié)束后開啟功能控制，然后調(diào)用主站讀寫子程序，利用參數(shù)模擬開關(guān)量以及模擬量的讀寫緩沖區(qū)實現(xiàn)通信功能，進(jìn)而建構(gòu)通信區(qū)對應(yīng)關(guān)系。

4）聲光報警。利用系統(tǒng)基本指令以及比較指令即可完成此類程序的編寫工作。

4.2 組態(tài)界面設(shè)計

采用力控6.0軟件進(jìn)行界面設(shè)計，操作如下：啟動工程管理器選項，選定“新建”；打開“工程管理器”，點擊開發(fā)選項，啟動系統(tǒng)開發(fā)功能；打開工程項目，選定I/O設(shè)備組態(tài)，然后選擇S7-200（MPI），串口通信，MPI地址設(shè)定為1或2；建立數(shù)值變量，這是組態(tài)界面元件與PLC控制系統(tǒng)之間聯(lián)絡(luò)的節(jié)點，同時也是組態(tài)設(shè)計流程中的核心。人機(jī)界面?？山▎哟翱?、參數(shù)顯示、數(shù)據(jù)歷史報表、控制系統(tǒng)運行管理以及警報顯示在內(nèi)的多種窗口，并且可靈活切換。

4.3 觸摸屏界面

采用WinCC flexible軟件設(shè)計觸摸屏界面，操作如下：啟動軟件，打開新建項目，選擇相應(yīng)的觸摸屏型號；打開項目視圖中的“通信”選項，選定S7-200PLC；變量生成和組態(tài)。設(shè)計人員可利用變量編輯器創(chuàng)建或者編輯變量，包括內(nèi)部與外部兩種。畫面生產(chǎn)和組態(tài)。本系統(tǒng)中畫面是指觸摸屏界面，而組態(tài)則是設(shè)計界面，囊括各種對象和各類元件[6]。

5 結(jié)語

DCS監(jiān)控系統(tǒng)具備良好的風(fēng)機(jī)監(jiān)控功能，可滿足礦井作業(yè)需求，同時也具備與管理層級計算機(jī)之間展開網(wǎng)絡(luò)通信的特點。PLC、工控機(jī)、變頻器以及觸摸屏等部件選擇串行通信的方式，大大提升了控制系統(tǒng)的可靠性與反應(yīng)速度，操作界面更為簡潔。基于PLC系統(tǒng)中PID功能自動控制風(fēng)量，為礦井通風(fēng)效果提供了有效保障。

[1]玄兆燕，王凱良，吳卓繁，等.基于物聯(lián)網(wǎng)的礦井通風(fēng)機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J].工礦自動化，2017，43（1）：81-84.

[2]楊軍金，傅成華，董子琦，等.基于物聯(lián)網(wǎng)的礦井通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)研究[J].電視技術(shù)，2015，39（1）：139-141；145.

[3]王輝俊，劉佳，劉殿東，等.基于Zigbee的礦井通風(fēng)機(jī)故障在線監(jiān)測節(jié)點的設(shè)計[J].儀表技術(shù)與傳感器，2014（5）：45-47.

[4]劉健，劉寶華.大型離心通風(fēng)機(jī)的監(jiān)控小型化平臺設(shè)計與實現(xiàn)[J].計算機(jī)仿真，2016，33（6）：238-241.

[5]余發(fā)山，高勇.基于AGA優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的礦井通風(fēng)機(jī)故障診斷[J].軟件導(dǎo)刊，2017，16（9）：154-157.

[6]吳奇，葉俊鋒.基于PLC的礦井通風(fēng)機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)[J].煤礦機(jī)械，2015，36（1）：259-261.