礦井通風機的DCS監控系統設計

馬 騁

（山西汾西礦業有限責任公司兩渡煤業通風隊， 山西 靈石 031300）

引言

煤礦井下風阻發生變化時通風機風量輸出值同樣會出現變化，技術人員需要維持恒風量控制，一般采用調節擋板開度來維持風量或者調整風機葉片安裝角度來保證風量。部分系統引入變頻調速裝置，但大多為手動調節，難以達到恒風量自控的效果。風機DCS監控系統基于PLC系統下PID自調節特點，可實現自動控制風機恒風量的目的。

1 DCS系統構成介紹

該系統為二級分布式DCS結構，分為PLC、工控機、高壓變頻器、多種傳感器以及觸摸屏等多個組件，構成示意如圖1所示。其中CPU266CN為西門子公司生產的S7-200 PLC系列產品，主要是對高壓變頻器運行實施控制；PLC作為系統數據匯集中心以及控制核心，經由Profibus-DP網絡接口連接上位機CP5611，搭建出Profibus-DP總線系統[1]。

圖1 控制系統結構示意

PLC觸摸屏為人機交互界面，監控人員利用PCL監測控制各種現場參量，觸摸屏主要顯示現場信號，并給定風機啟停控制等相關主令。

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

工控機利用組態軟件實現組態界面的編制操作，對上可搭建以外網，能夠與管理計算機實施交互通信；對下可用于監控通風機參量[2]。

2 系統控制要求

1）確保通風機處于恒風量運行狀態；

2）風機控制系統共有兩套，彼此應保持相互獨立的狀態，一用一備；

3）通過觸摸屏顯示風機參數，發出風機指令動作。對設備運行狀態、風機工藝流程以及高低壓配電系統簡圖進行分頁顯示，還可通過實時曲線顯示以及歷史曲線顯示的方法呈現主要參數；此外還具有生產報表自動生成功能；

4）中控室可顯示風機參數并操控風機；

5）具有工頻/變頻、手動/自動切換功能；

6）利用GSM方式發出風機故障以及CH4超標警報；

7）收集通風機工況，并經由高速以太網向調度中心實施傳輸相關數據，或直接發送至機電設備管理服務器[3]。

3 系統控制方案

1）恒風量控制。基于PID調節特性達到自動控制風機風量的目的，首先通過布設在通風機出口處的風量傳感器收集分析風量，并向PID控制模塊發送反饋信息；PID模塊基于反饋信息輸出數字量，經由D/A轉換器變換為標準模擬量信號，最后對變頻器輸出進行控制；操作人員通過觸摸屏上設計的數值輸入窗口給定風量，不依賴A/D轉換器即可給定模擬量。風量傳感器通過A/D轉換器將反饋量傳送至PLC控制模塊，PID輸出量通過D/A轉換器轉換后輸出至變頻器，這一參數是變頻調速的模擬控制量，可結合實際情況和需求予以整定。恒風量控制系統運行原理如下頁圖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恒風量調節，二者可利用設置變頻器參數來實現切換。其次為工頻/變頻切換，利用高壓斷路器即可實現。

圖2 風量PID控制原理示意

4 系統設計

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

4.1 PLC模塊設計

1）PID程序。啟動編程軟件，點擊工具菜單中的指令向導，點擊PID；選定編譯對象，使用符號編址；確認PID指令編號；確定調節基本參數；準確設定輸入和輸出參數；準確設定輸出警報參數；完成PID各項控制參數的設定；完成PID控制子程序以及中斷程序名稱的設定工作；調用PID進行子程序運算，達到PID控制的效果[4-5]。

2）模擬量處理程序。系統模擬量輸入電路主要是將接收自外部的模擬量信號進行轉換，使之變為相應的數字量（1個字長），然后傳送至映像寄存器區；而輸出電路主要是對輸出映像寄存器區的數字量（1個字長）進行轉換，使之變為標準模擬量輸出，二者區域標志符分別為AI、AQ。PLC模塊內數字量字長均為2個字節，以偶數的形式表示其地址。

3）Modbus RTU通信程序。該通信程序屬于電氣參量檢測模塊，首先進行主站指令庫的安裝，安裝完畢后調用主站初始化以及控制子程序，主站初始化結束后開啟功能控制，然后調用主站讀寫子程序，利用參數模擬開關量以及模擬量的讀寫緩沖區實現通信功能，進而建構通信區對應關系。

4）聲光報警。利用系統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 組態界面設計

采用力控6.0軟件進行界面設計，操作如下：啟動工程管理器選項，選定“新建”；打開“工程管理器”，點擊開發選項，啟動系統開發功能；打開工程項目，選定I/O設備組態，然后選擇S7-200（MPI），串口通信，MPI地址設定為1或2；建立數值變量，這是組態界面元件與PLC控制系統之間聯絡的節點，同時也是組態設計流程中的核心。人機界面。可建立包括啟動窗口、參數顯示、數據歷史報表、控制系統運行管理以及警報顯示在內的多種窗口，并且可靈活切換。

4.3 觸摸屏界面

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

5 結語

DCS監控系統具備良好的風機監控功能，可滿足礦井作業需求，同時也具備與管理層級計算機之間展開網絡通信的特點。PLC、工控機、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的可靠性與反應速度，操作界面更為簡潔。基于PLC系統中PID功能自動控制風量，為礦井通風效果提供了有效保障。

[1]玄兆燕，王凱良，吳卓繁，等.基于物聯網的礦井通風機遠程監測系統設計[J].工礦自動化，2017，43（1）：81-84.

[2]楊軍金，傅成華，董子琦，等.基于物聯網的礦井通風機監控系統研究[J].電視技術，2015，39（1）：139-141；145.

[3]王輝俊，劉佳，劉殿東，等.基于Zigbee的礦井通風機故障在線監測節點的設計[J].儀表技術與傳感器，2014（5）：45-47.

[4]劉健，劉寶華.大型離心通風機的監控小型化平臺設計與實現[J].計算機仿真，2016，33（6）：238-241.

[5]余發山，高勇.基于AGA優化BP神經網絡的礦井通風機故障診斷[J].軟件導刊，2017，16（9）：154-157.

[6]吳奇，葉俊鋒.基于PLC的礦井通風機遠程監控系統[J].煤礦機械，2015，36（1）：259-261.