基于PLC和LabVIEW的礦井通風機監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

梁 凱

（西山煤電集團職業(yè)病防治所， 山西 太原 030000）

引言

礦井通風機類似于礦井生產(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)標準。礦井通風機的安全穩(wěn)定運行是煤礦企業(yè)穩(wěn)定安全生產(chǎn)的重要保障，一旦通風機發(fā)生故障，會給井下安全生產(chǎn)帶來重大事故隱患。因此，對礦井通風機的生產(chǎn)運行狀況進行實時監(jiān)控尤為重要。

礦井主通風機的主要監(jiān)控參數(shù)包括井下風量的大小、抽采負壓的高低、瓦斯?jié)舛取⑼L機設(shè)備運行溫度、各項電參數(shù)等。建立這種遠程監(jiān)控系統(tǒng)，可以實現(xiàn)通風機的安全可靠運行、事故危險隱患的預防以及高效的通風質(zhì)量。但因為硬件技術(shù)落后，主通風機自動化和智能化程度不高，仍然需要安排礦工人為監(jiān)測。鑒于礦井通風存在的實際問題和安全生產(chǎn)的需要，為了及時了解礦井通風機運行狀態(tài)和相關(guān)參數(shù)的波動，本文利用S7-300PLC可編程控制器和LabVIEW設(shè)計一種全自動的礦井通風機監(jiān)控系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

利用冗余設(shè)計設(shè)計PLC為通風機的主控制器，該系統(tǒng)以S7-300PLC為處理器,為了保障通風機的安全穩(wěn)定性，采用雙控制系統(tǒng)，二者在保障系統(tǒng)穩(wěn)定運行時互不干擾，能獨立完成S7-300PLC處理器的運行、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)反饋等功能。當系統(tǒng)正常運行時，由主CPU控制整個系統(tǒng)的實際輸出控制，備用CPU處于準備狀態(tài)，當主CPU發(fā)生事故或者數(shù)據(jù)傳輸出錯時，處于準備狀態(tài)的CPU立馬切換到工作狀態(tài)，保障系統(tǒng)繼續(xù)正常運行，代替主CPU的輸出控制。

應用冗余設(shè)計確保通風機的正常工作，需要一臺通風機正常使用，一臺備用，交替運行。礦山通風機監(jiān)控對編程控制器的穩(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)來傳輸相應數(shù)據(jù)，并安裝對應的傳感器，通過上位機完成通風機運行參數(shù)和狀態(tài)的視頻監(jiān)控。LabVIEW主要用來編寫上位機軟件程序，通過相應的控制按鈕完成對應操作的控制，即工業(yè)以太網(wǎng)和上位機之間的各種信號數(shù)據(jù)、操作信號、電壓信號、電流信號、溫度信號、瓦斯?jié)舛刃盘柕?。而且，為了?guī)避風險，采用兩種控制模式，一種手動、一種自動。系統(tǒng)正常運行時都處于自動狀態(tài)，出現(xiàn)故障時，可切換到手動狀態(tài)，方便操作人員及時發(fā)現(xiàn)問題和處理問題。系統(tǒng)總體設(shè)計方案如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

2 系統(tǒng)硬件構(gòu)成

系統(tǒng)硬件包括監(jiān)控上位機、電動機、通信電纜、多種傳感器等基本硬件。通風機由南通天燁風機制造有限公司制造，T4-72離心風機主要由葉輪、機殼、進風口等部分配直聯(lián)電機而組成，葉輪由十個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、動平衡校正，空氣性能良好，高效率、低噪聲，運轉(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。電動機采用YB2系列隔爆型三相異步電動機，電機具有體積小、質(zhì)量輕、外形美觀、運行安全可靠、壽命長、性能優(yōu)良、安裝使用維護方便等特點。YB2系列電動機額定電壓為380 V、660 V、380V/660 V，額定頻率為50 Hz、防護等級IP55、冷卻方式IC411、采用F級絕緣，滿載溫升按B級考核，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)運行。把PLC、通信模塊、接口端點、安全開關(guān)全部安置在PLC專用控制柜里。各種運行參數(shù)由傳感器實時采集傳輸給上位機。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要由PLC控制軟件和上位機監(jiān)控軟件兩部分組成。上位機是一個運行參數(shù)顯示和存儲的軟件，由LabVIEW編寫，操作者通過上位機達到與現(xiàn)場運行設(shè)備的數(shù)據(jù)交換和傳輸功能。PLC則主要控制通風機和電機的運行，包括各種信號的獲取功能。

3.1 上位機監(jiān)控軟件設(shè)計

上位機監(jiān)控系統(tǒng)界面利用指示燈來顯示通風機運行模式和運行狀態(tài)，不同顏色表示不同運行狀態(tài)，綠色表示正常運行，紅色表示運行異常，需要及時查看并更改相關(guān)參數(shù)，這是監(jiān)控系統(tǒng)的第一種實現(xiàn)功能，即通風機工作模式和運行狀態(tài)。第二種功能是對通風機和電機相關(guān)運行參數(shù)的監(jiān)控和存儲，包括電壓、電流、功率、溫度等，設(shè)定存儲間隔時間，每5 s保存一次數(shù)據(jù)，并記錄好。控制界面上顯示對應操作按鈕，方便用戶隨時查看各種類型的數(shù)據(jù)，并可以切換到對應參數(shù)的運行圖上，比較直觀和具體，便于工作人員實時掌握和了解通風機和電機運行狀態(tài)[1-2]。

系統(tǒng)在監(jiān)控通風機運行狀態(tài)時，利用LabVIEW攜帶的一款無償?shù)?、大容量、兼容性好的?shù)據(jù)庫訪問工具包LabSQL記錄風機和電機運行參數(shù)，并存儲在數(shù)據(jù)庫中。為了便于用戶操作，LabVIEW將基礎(chǔ)復雜數(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)語言和存儲數(shù)據(jù)庫有效地連接在一起，操作者需要在ODBC上調(diào)取操作源代碼和源程序，編程語言和數(shù)據(jù)庫的連接是以數(shù)據(jù)源為基礎(chǔ)的連接。操作者可以隨時查看不同日期的數(shù)據(jù)記錄，只需設(shè)置好查詢?nèi)掌?，點擊“輸出當日報表”即可得到當天的數(shù)據(jù)記錄。

3.2 基于PLC控制軟件設(shè)計

為了保障監(jiān)控系統(tǒng)的可靠運行，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)定性和準確度。各種電壓、電流、功率、溫度信號采集和傳輸主要由PLC程序來完成。為了滿足現(xiàn)場實際應用，采用每秒千兆的工業(yè)以太網(wǎng)來完成實時傳輸，在上位機監(jiān)控界面實現(xiàn)相應操作的完成，包括啟停通風機、顯示、存儲相關(guān)數(shù)據(jù)，故障異常報警和應急方案陳述。風機啟動程序如圖2所示。

圖2 風機啟動PLC程序

為了達到井下作業(yè)安全穩(wěn)定生產(chǎn)，系統(tǒng)設(shè)計兩種操作模式，一種是自動操作，另一種是手動。正常情況下，系統(tǒng)在自動狀態(tài)下運行，兩臺風機輪流工作，工作間隔時間為3 h。當某一臺風機出現(xiàn)異常時，風機無法完成交替使用，系統(tǒng)會發(fā)出警報并在監(jiān)控界面顯示通風機異常，使得維修人員能及時解除安全隱患。一旦發(fā)生故障或者設(shè)備處于維修階段時，需要采用手動模式來操作風機[3]。

4 遠程監(jiān)控技術(shù)

監(jiān)控分兩個方面：一是遠程實時監(jiān)控主通風機運行參數(shù)并記錄參數(shù)，二是視頻監(jiān)視，主要包括主通風機、高低壓柜、風門、防爆蓋等主要設(shè)備及現(xiàn)場溫度、風量等環(huán)境參數(shù)。根據(jù)這兩部分的分區(qū)監(jiān)測功能和特點，利用傳統(tǒng)的C/S（客戶機/服務器）結(jié)構(gòu)遠程事故判斷系統(tǒng)和基于B/S（瀏覽器/服務器）模式的遠程事故預防結(jié)合方式[4]。

1）C/S模式：網(wǎng)絡連接具有三層結(jié)構(gòu)。C/S模式即客戶端/服務器模式，是一種三層結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡連接模式。用戶下載APP即可在客戶端輸入服務請求以及疑難咨詢和部分邏輯功能，同時服務器端則為用戶的請求做出回應和解答，并將具體操作方案反饋給用戶。優(yōu)勢在于數(shù)據(jù)庫儲存在單獨服務器上，保障了數(shù)據(jù)的安全性，明確了不同軟件的分工任務，阻止了第三方數(shù)據(jù)訪問者對數(shù)據(jù)庫的破壞和非法收集。缺點是客戶必須使用既定應用軟件，缺乏機動性，而這種應用軟件必須在特定環(huán)境下應用，編寫程序的修改也將導致用戶的更新升級。

2）B/S模式即瀏覽器/服務器模型。不同地域的服務器可以接收不同地方的計算機用戶請求，用戶操作端一致使用瀏覽器，服務器根據(jù)用戶請求發(fā)出相應處理，然后反饋到瀏覽器。優(yōu)點是靈活機動，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。缺點是服務器與客戶只能是單向請求，即服務器只能對客戶機的請求做出應答，二者缺乏互動性。

3）C/S和B/S兩種模式結(jié)合應用。B/S模式應用于遠程視頻監(jiān)控，通過網(wǎng)絡發(fā)布的形式，利用WEB服務器連接上位機監(jiān)控系統(tǒng)，方便用戶在瀏覽器端隨時瀏覽。C/S模式應用于遠程監(jiān)測及監(jiān)控，上位機監(jiān)控系統(tǒng)連續(xù)為遠程危險控制平臺傳輸危險事故特征參數(shù)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理如圖3所示。

5 結(jié)語

基于PLC和LabVIEW的通風機遠程監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了遠程控制網(wǎng)絡化，提高了通風機智能化、自動化和安全穩(wěn)定性，保障了設(shè)備的安全運行，降低了事故發(fā)生率，實現(xiàn)了減員增效的目標，提升了礦井現(xiàn)代化水平。通過核心控制器將不同數(shù)字信號傳輸?shù)缴衔粰C監(jiān)控界面，完成了對運行狀態(tài)和運行參數(shù)的收集和存儲，達到了對通風機的實時監(jiān)控。通過現(xiàn)場驗證，初步達到預計功能，但仍需優(yōu)化和升級。

圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理