矿井通风机的DCS监控系统设计

马 骋

（山西汾西矿业有限责任公司两渡煤业通风队， 山西 灵石 031300）

引言

煤矿井下风阻发生变化时通风机风量输出值同样会出现变化，技术人员需要维持恒风量控制，一般采用调节挡板开度来维持风量或者调整风机叶片安装角度来保证风量。部分系统引入变频调速装置，但大多为手动调节，难以达到恒风量自控的效果。风机DCS监控系统基于PLC系统下PID自调节特点，可实现自动控制风机恒风量的目的。

1 DCS系统构成介绍

该系统为二级分布式DCS结构，分为PLC、工控机、高压变频器、多种传感器以及触摸屏等多个组件，构成示意如图1所示。其中CPU266CN为西门子公司生产的S7-200 PLC系列产品，主要是对高压变频器运行实施控制；PLC作为系统数据汇集中心以及控制核心，经由Profibus-DP网络接口连接上位机CP5611，搭建出Profibus-DP总线系统[1]。

图1 控制系统结构示意

PLC触摸屏为人机交互界面，监控人员利用PCL监测控制各种现场参量，触摸屏主要显示现场信号，并给定风机启停控制等相关主令。

检测模块分为电气参数检测以及多种传感器两大部分，其中电气参数检测为EDA9033模块，主要是对各类电气参数指标进行检测，例如电机电流、功率因数、电压等等，采用modbus-rtu协议与PLC控制模块实施通信，由上位机组态界面与触摸屏予以显示。传感器则分为温度传感器、风量传感器、粉尘传感器以及CH4传感器等多个类型。

工控机利用组态软件实现组态界面的编制操作，对上可搭建以外网，能够与管理计算机实施交互通信；对下可用于监控通风机参量[2]。

2 系统控制要求

1）确保通风机处于恒风量运行状态；

2）风机控制系统共有两套，彼此应保持相互独立的状态，一用一备；

3）通过触摸屏显示风机参数，发出风机指令动作。对设备运行状态、风机工艺流程以及高低压配电系统简图进行分页显示，还可通过实时曲线显示以及历史曲线显示的方法呈现主要参数；此外还具有生产报表自动生成功能；

4）中控室可显示风机参数并操控风机；

5）具有工频/变频、手动/自动切换功能；

6）利用GSM方式发出风机故障以及CH4超标警报；

7）收集通风机工况，并经由高速以太网向调度中心实施传输相关数据，或直接发送至机电设备管理服务器[3]。

3 系统控制方案

1）恒风量控制。基于PID调节特性达到自动控制风机风量的目的，首先通过布设在通风机出口处的风量传感器收集分析风量，并向PID控制模块发送反馈信息；PID模块基于反馈信息输出数字量，经由D/A转换器变换为标准模拟量信号，最后对变频器输出进行控制；操作人员通过触摸屏上设计的数值输入窗口给定风量，不依赖A/D转换器即可给定模拟量。风量传感器通过A/D转换器将反馈量传送至PLC控制模块，PID输出量通过D/A转换器转换后输出至变频器，这一参数是变频调速的模拟控制量，可结合实际情况和需求予以整定。恒风量控制系统运行原理如下页图2所示。

2）切换工作模式。首先是手动与自动方式的切换，前者属于变频器面板操作，后者属于PID恒风量调节，二者可利用设置变频器参数来实现切换。其次为工频/变频切换，利用高压断路器即可实现。

图2 风量PID控制原理示意

4 系统设计

本次所用设备为西门子CPU226CN、AC/DC/RELAY、Idrive高压变频器、TP277-6触摸屏、EDA9033电量参数检测模块和GSM智能报警装置。

4.1 PLC模块设计

1）PID程序。启动编程软件，点击工具菜单中的指令向导，点击PID；选定编译对象，使用符号编址；确认PID指令编号；确定调节基本参数；准确设定输入和输出参数；准确设定输出警报参数；完成PID各项控制参数的设定；完成PID控制子程序以及中断程序名称的设定工作；调用PID进行子程序运算，达到PID控制的效果[4-5]。

2）模拟量处理程序。系统模拟量输入电路主要是将接收自外部的模拟量信号进行转换，使之变为相应的数字量（1个字长），然后传送至映像寄存器区；而输出电路主要是对输出映像寄存器区的数字量（1个字长）进行转换，使之变为标准模拟量输出，二者区域标志符分别为AI、AQ。PLC模块内数字量字长均为2个字节，以偶数的形式表示其地址。

3）Modbus RTU通信程序。该通信程序属于电气参量检测模块，首先进行主站指令库的安装，安装完毕后调用主站初始化以及控制子程序，主站初始化结束后开启功能控制，然后调用主站读写子程序，利用参数模拟开关量以及模拟量的读写缓冲区实现通信功能，进而建构通信区对应关系。

4）声光报警。利用系统基本指令以及比较指令即可完成此类程序的编写工作。

4.2 组态界面设计

采用力控6.0软件进行界面设计，操作如下：启动工程管理器选项，选定“新建”；打开“工程管理器”，点击开发选项，启动系统开发功能；打开工程项目，选定I/O设备组态，然后选择S7-200（MPI），串口通信，MPI地址设定为1或2；建立数值变量，这是组态界面元件与PLC控制系统之间联络的节点，同时也是组态设计流程中的核心。人机界面。可建立包括启动窗口、参数显示、数据历史报表、控制系统运行管理以及警报显示在内的多种窗口，并且可灵活切换。

4.3 触摸屏界面

采用WinCC flexible软件设计触摸屏界面，操作如下：启动软件，打开新建项目，选择相应的触摸屏型号；打开项目视图中的“通信”选项，选定S7-200PLC；变量生成和组态。设计人员可利用变量编辑器创建或者编辑变量，包括内部与外部两种。画面生产和组态。本系统中画面是指触摸屏界面，而组态则是设计界面，囊括各种对象和各类元件[6]。

5 结语

DCS监控系统具备良好的风机监控功能，可满足矿井作业需求，同时也具备与管理层级计算机之间展开网络通信的特点。PLC、工控机、变频器以及触摸屏等部件选择串行通信的方式，大大提升了控制系统的可靠性与反应速度，操作界面更为简洁。基于PLC系统中PID功能自动控制风量，为矿井通风效果提供了有效保障。

[1]玄兆燕，王凯良，吴卓繁，等.基于物联网的矿井通风机远程监测系统设计[J].工矿自动化，2017，43（1）：81-84.

[2]杨军金，傅成华，董子琦，等.基于物联网的矿井通风机监控系统研究[J].电视技术，2015，39（1）：139-141；145.

[3]王辉俊，刘佳，刘殿东，等.基于Zigbee的矿井通风机故障在线监测节点的设计[J].仪表技术与传感器，2014（5）：45-47.

[4]刘健，刘宝华.大型离心通风机的监控小型化平台设计与实现[J].计算机仿真，2016，33（6）：238-241.

[5]余发山，高勇.基于AGA优化BP神经网络的矿井通风机故障诊断[J].软件导刊，2017，16（9）：154-157.

[6]吴奇，叶俊锋.基于PLC的矿井通风机远程监控系统[J].煤矿机械，2015，36（1）：259-261.