基于WINCC矿用防爆辅助通风机监控系统的设计

《电气防爆》２０１０，４　基于ＷＩＮＣＣ矿用防爆辅助通风机监控系统的设计　７　基于ＷＩＮＣＣ矿用防爆辅助通风机　监控系统的设计　张浩　，张雅　，宋志杰　（１．南阳防爆集团上海安智电气发展有限公司，上海２０１６１５；　２．南阳市水利建筑勘测设计院，河南南阳４７３０６８）　［关键词］ＷＩＮＣＣ；ＰＬＣ；组态监控；矿用防爆；智能化矿井　［摘要］文章介绍了由组态软件ＷＩＮＣＣ作监控管理画面，以Ｓ７—３００系列ＰＬＣ为主控　制器，对矿用防爆辅助通风机进行检测和控制，详细论述了防爆领域监控系统的软硬件结构及　控制方法，为矿用风机系统提供了完善的智能化控制方案。　［中图分类号］ＴＤ４４１：ＴＤ７６　［文献标识码］Ａ　［文章编号］１００４—９１１８（２０１０）０４一ＯＯ０７—０４　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｏｎ　Ｍｏｎｉｔｏｒｅｄ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｓｙｓｔｅｍ　ｆｏｒ　Ｅｘ　Ａｕｘｉｌｉａｒｙ　Ｖｅｎｔｉｌａｔｏｒ　ｉｎ　Ｃｏａｌ　Ｍｉｎｅ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎⅥ　ＣＣ　ＺＨＡＮＧ　Ｈａｏ　，珊ＡＮＧ　Ｙ　，ＳＯＮＧ　ｉ—ｉｉｅ　（１．Ｎａｎｙａ￣ｇ　Ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ　Ｐｒｏｔｅａｉｏｎ　Ｃ，ｒｏｌｑ￣，　Ｅｌｅａｒｉｃ　Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　Ｃｏ．，　．，　喇２，￣０１６１５；　２．Ｎａｎｙａｎｇ　Ｓｍｅｙｉｒ￣ａｎｄ　９ｅｓｉ￣Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　蹴ｒ　Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ　ａｎｄＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ，ｔｔｅｎａｎ　Ｎｃ￣）＇ａｎｇ　４７３０６８）　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｗ　ＣＣ；ＰｉＥ；ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ　ｍｏｎｉｔｏｒ；ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ　ｉｎ　ｍｉｎｉｎｇ；ｉｎｔｅｌｌｅｃｔｕａｌ—　ｉｚａｆｉｏｎ　ｓｈａｆｔ　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ，ｉｔ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ　ａ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ｗｈｉｃｈ　ａｄｏｐｔｅｄ　ａ　ｃｏｎｉｆｇｕｒａｔｉｏｎ　ＷＩＮＣＣ　ａｓ　ａ　ｍｏｎｉｔｏｒ　ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　ｎ＇￣ｎｔｌ　ａｎｄ　Ｓ７—３００　ｓｅｒｉｅｓ　ＰＪＪＣ　ａｓ　ｔｈｅ　ｍａｓｔｅｒ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　ｔｏ　ｄｅｔｅｃｔ　ａｎｄ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｔｈｅ　Ｅｘ　ａｕｘｉｌｉａｒｙ　ｖｅｎｔｉｌａｔｏｒ　ｉｎ　ｃｏａｌ　ｍｉｌｌｅ．Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｉｓ，ｓｏｆｔ　ｈａｒｄｗａｒｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ　ｍｅａｎｓ　ａｐｐｈｅｄ　ｉｎ　ｍｏｎｉｔｏｒｅｄ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｎ　Ｅｘ　ｆｉｅｌｄ　ａｒｅ　ｄｉＳＣＵＳＳｅｄ　ｉｎ　ｄｅｔａｉｌｓ，ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｗａｙ，ｔｈｅ　ｐｅｒｆｅｃｔ　ｉｎｔｅｌｌｅｃｔｕａｌｉｚａｔｉｏｎ　ｃｏｎｔｒｏＨｉｎｇ￣ｈｅｍｅ　ｉｓ　ｐｒｏｖｉｄｅｄ　ｆｏｒ　ｍｉｌｌｅ　ｖｅｎｔｉｌａｔｏｒ　ｓｙｓｔｅｍ．　０　引言　进行发布。　煤矿用防爆通风机是矿井的四大主要设备之　１系统的构成　一，是整个矿井的“呼吸系统”，称为矿工的第二生　该辅助通风机控制系统包括：防爆通风机系　命，必须寻求在该防爆环境下有效的监管、监控手　统、防爆配电系统、防爆控制系统和在线监控系统　段。对此，我们针对煤矿井下（回风巷）辅助通风　共４大部分组成。　机设备，采用先进、可靠的传感器及计算机技术，　防爆通风机系统采用两套煤矿井下用防爆对　系统性提出防爆通风机的控制和流量监测方法，　旋式辅助通风机（ＦＢＣＤＦ系列对旋轴流式辅助通　实现了煤矿井下对通风系统的风压、流量、通风机　风机），两套风机（每套风机配置２台ＹＢＦ系列对　性能参数、配套电机工作参数及状态的在线实时　旋风机矿用隔爆型三相异步电动机），一用一备，　监测，满足防爆、监控、自动化的要求，有力地保证　符合煤矿安全规程。风机整体采用分段组合式结　了通风机设备的经济、可靠运行。　构，带底脚及行走脚轮，一、二级主机采用横向导　该监控系统软件还具有矿井需求风量核定计　轨侧向移动，方便安装维修。风机外壳上设置在　算功能，便于煤矿对矿井通风风量实施动态管理，　线检测所用的采压环。风机系统整机取得井下用　而且监测数据、历史记录、事故报警、报表日志等　风机的煤安标志证书，采用电机直接反转达到“反　数据部分可上传到上位机存储备份或者通过网络　风”要求，符合井下用通风机的相关规范要求。　［收稿日期］２０１０—０７—２８　［作者简介］张浩，男，１９７６年出生，毕业于合肥工业大学电气自动化专业，助理工程师，主要从事防爆电气和自动化产品设计工　作。　８　基于ＷＩＮＣＣ矿用防爆辅助通风机监控系统的设计　《电气防爆》２０１０，４　防爆配电系统采用单母线分段制方式，采用　通风机２４小时运行的连续性；另外，采用４台矿　２台ＰＢＧ系列矿用高爆开关实现两路可靠电源进　用隔爆兼本质安全型真空磁力启动器或软启动器　线，分别经矿用隔爆型电力变压器进行电压调整　及其内置的微机保护测控装置为风机电机主控设　（可选）、３台采用矿用馈电开关实现两路电源的　备，实现风机电机的启动、运行、反风、保护。　联络和两台风机的配电，即可实现两进线电源的　防爆通风机系统和防爆配电系统见下图１所　互为备用，保证整个系统运行的可靠性，进而保障　示。　图１　防爆通风机系统和防爆配电系统　防爆控制系统采用ＧＫＤ系列矿用一般型控　际运行和保护情况，井上操控台（调度室）非防爆　制柜，内置双电源自备投开关，为矿下风机辅助设　领域选择ＥＶＯＣ品牌工控机、井下防爆控制系统　备如风门电机、冷却风机、润滑设备、仪表等提供　采用Ｓ７—３００一ＰＩＥ主控制器和数套高精度防爆　可靠运行电源。控制部分主要以ｓ７—３００系列可　物理量、电参量变送器来实现数据采集和控制要　编程控制器（ＰＬＣ）为控制器，通过对现场电控、风　求：　机、电机、风门等设备状态数据进行采集、分析、计　工业控制计算机：ＥＶＯＣ品牌Ⅱ】Ｃ一６１０工控　算。该系统就地设置触摸屏，能够就地控制电机　机，１７英寸液晶显示器，配不间断电源ＵＰＳ，激光　及其外围设备，并就地显示设备工作状态与故障　打印机。　类型。该防爆控制系统通过通讯模块与煤矿井上　矿用一般型电气控制柜，内置主控制器：电源　上位机监控系统对话，发出信息和接受指令，具有　模块ＰＳ３０７、ｃＰＵ３１４（型号６ＥＳ７３１４）、数字量输出　漏电闭锁、过流保护、过载保护、断相保护等功能，　模块ＳＭ３２２（型号６ＥＳ７３２２）、数字量输入模块　满足煤矿防爆电气设备技术要求。　ＳＭ３２１（型号６ＥＳ７３２１）、模拟量输入模块ＳＭ３３１（型　风机在线监控系统采用工业计算机做为物理　号６ＥＳ７３３１）。　平台，以组态软件（ＷｌＮＣＣ）做监控管理界面，矿井　压力变送器：防爆压力传感器４路，用于两台　下铺设光纤通讯网络，对ＰＩＥ采集的数据或发给　辅助通风机内静压、全压、动压、风速及风量的测　ＰＩＥ的数据进行管理，实时监测矿井风压和风量、　量。　通风机功效和振动、风机电机的轴承和绕组温度　温度传感器：电机内置温度传感器和防爆轴　以及对主通风机和风门的控制、状态信号反馈，确　承温度传感器ｌＯ路，测温范围一２０　ｑＣ　＋　保及时发现矿井通风异常情况，发出报警信息，并　１８０℃，可对４台电机的Ａ、Ｂ、ｃ相绕组温度及轴　且根据综合信息自动或指导值班员进行电源互　承的温度进行同时监测。　换、风机自备投、反风倒机等措施，实现安全监控。　振动传感器：防爆振动位移变送器４路，振动　１．１系统硬件组成　测量范围０～２０　ｎｍｌ／ｓ，分别用于２台风机水平和　根据煤矿井下辅助通风机及其配套设备的实　垂直方向的振动情况进行实时监测。　《电气防爆》２０１０，４　基于ＷＩＮＣＣ矿用防爆辅助通风机监控系统的设计　９　电量变送器：为适应不同品牌的电机保护产　为０．２级。　品，本系统对电参量采用标准输入信号１００　Ｖ或　综合上述输入、输出参数，可以整理出该系统　５　Ａ，输出信号４—２０　ｍＡ的电量变送器数套，精度　ＰＬＣ的部分Ｉ／Ｏ点简表如下表１所示。　表１　Ｉ／Ｏ点表　符号　地址　数据类型　符号　地址　数据类型　１差压　ＰＩＷ　２５８　Ｗ０ＲＤ　２差压　ＰＩＷ２６２　ｗｏＲＤ　１风门关　Ｉ　１２４．１　ＢＯＯＬ　２风门关　Ｉ　１２４．３　Ｂ０ｏＬ　１风门开　Ｉ　１２４．Ｏ　ＢｏｏＬ　２风门开　Ｉ　ｌ２４．２　ＢＯＯＬ　１负压　ＰＩＷ２５６　ｗｏｆｕ）　２负压　ｐ１ｗ２６ｏ　ｗｏＲＤ　１电流　ｐ１ｗ３ｏ８　ｗｏＲＤ　２电流　ｐ１ｗ　３１ｏ　ｗｏＲＤ　１温度　ＤＢ　ｌ　ＦＢ　２　２电机温度　ＤＢ　２　ＦＢ　２　１电压　ｐｔｗ　３０４　ｗｏＲＤ　２电压　Ｐ１Ｗ３０６　ＷＯＲＤ　１换向柜反转　ｌ　１２５．３　ＢＯ（）Ｌ　２换向柜反转　Ｉ　ｌ２５．５　ＢＯ０Ｌ　１换向柜正转　Ｉ　１２５．２　ＢＯＯＬ　２换向柜正转　】１２５．４　ＢＯＯＬ　１进线柜故障　Ｉ　１２４．７　Ｂ（）０Ｌ　２进线柜故障　Ｉ　ｌ２５．１　ＢＯＯＬ　１进线柜合闸　Ｉ　１２４．６　Ｂ０ｏＬ　２进线柜合闸　Ｉ　ｌ２５．Ｏ　Ｂ００Ｌ　１启动柜故障　Ｉ　１２５．７　ＢＯ０Ｌ　２启动柜故障　Ｉ　１２６．１　Ｂ０ｏＬ　１启动柜合闸　Ｉ　１２５．６　ＢＯＯＬ　２启动柜合闸　Ｉ　１２６．Ｏ　ＢＯＯＬ　１振动　Ｍ　１１．０　ＢｏｏＬ　２振动　Ｍ　ｌ１．１　Ｂ０ｏＩ｜　２．２与上位机的通讯　２．２监控系统的实现　结合煤矿井下防爆要求，为实现井下信号的　根据在线监控系统的功能和需要，采用工控　远距离传输，在防爆控制系统和在线监控系统之　组态软件ＷｉｎＣＣ根据风机运行工艺要求与控制　间增加光纤转换器，采用光纤系统实现信号传输。　内容，完成登录界面（点击登录并且输入用户名和　西门子ｓ７　ＰＬＣ与组态软件Ｗ　Ｃ通过ＭＰＩ　密码）、通风机主界面、１样、２群单台风机运行界　协议通讯，在ＷＩＮＣＣ上对ｓ７　ＣＰＵ的站地址和槽　面、风机参数实时数据曲线、风机性能醢线、报警　号及网卡进行组态。　界面的设计，并同时将需要显示的数据进行实时　ＭＰＩ网卡ＣＰ５６１１插入工控机上，在工控机上　动态显示。系统的各种控制参数、风机和电机参　组态ＰＧ／Ｐ界面；在ＷＩＳＩＣＣ上添加ＳＩＡＭＴＩＣ　Ｓ７通　数及生成的数据库均可自动存储，实时查询，报表　讯协议；选择ＰＲＯＦＩＢＵＳ现场总线并进行系统参　打印。具体界面设计如下：　数设置；建立ＣＰＵ连接，选择ＣＰＵ的站地址和槽　号等，完成通讯连接；将ｓ７—３００与ＷｉｎＣＣ之间　需要通信的数据一一定义标签，即完成了ｓ７—　３００与ＷｉｎＣＣ之间的数据通信。　２控制功能的实现　２．１控制算法　通风机风压的监测：压力监测原理是采用分　体式组合动压管法。设计的分体式组合动压管由　总压管、静压管组成，测得总压和静压。测点选择　在风机的入口，将取得的压力信号通过防爆压力　图２流量监测原理图　传感（变送）器转换成电信号。　运行程序文件后，进入登录界面，点击登录　通风机流量的计算：由总压和静压计算出动　并且输入用户名和密码，可以根据用户需求设置　压，通过如图２所示截面测得的压力并根据公式：　当班值日登录界面。　ｑ　＝ｋ￣／ｐ２一Ｐ　（当流量足够大时式中系数ｋ值为　登录成功后，电机主界面可以观看两个风机　常数），即可计算出流量。　的运行状态，该界面非常友好的模拟显示主通风　１Ｏ　国家防爆电气产品质量监督检验中心顺利通过ＩＥＣＥｘ实验室复评审　《电气防爆》２０１０，４　国家防爆电气产品质量监督检验中心　顺利通过ＩＥＣＥｘ实验室复评审　２０１０年ｌ０月１４日一１５日，由国际电工委员　拥有的完善质量体系以及优秀的试验能力表示高　会防爆电气产品认证体系（简称ＩＥＣＥｘ）专家Ｈｉｅｎｚ　度认可，对ＣＱＳＴ工作人员的专业能力表示高度　Ｂｅｒｇｅｒ先生和Ａｉａｙ　Ｍａｉｒａ先生组成ＩＥＣＥｘ评审组，　赞扬，并得出一致结论：ＣＱＳＴ以零缺陷的优异成　对国家防爆电气产品质量监督检验中心（ＣＱＳＴ）　绩通过ＩＥＣＥｘ复评审，可以继续作为ＩＥＣＥｘ授权　进行了为期两天的ＩＥＣＥｘ实验室复评审。　实验室承担ＩＥＣＥｘ认证试验工作。　评审中，两位专家分别对ＣＱＳＴ的质量管理　此次ＣＱＳＴ通过复评审是继２００５年取得Ｅ】【　体系和试验能力进行了评审和现场目击：评审组　实验室（酞ｒＩＬ）授权之后的又一件大事。作为在业　组长Ｈｉｅｎｚ　Ｂｅｒｇｅｒ先生认真仔细的对ＣＱＳＴ的　内广受好评的ＣＱＳＴ能取得ＩＥＣＥｘ授权成为　ｒＩＬ　ＣＮＡＳ授权试验范围、质量手册、程序文件、作业指　并通过复评审，充分说明了ＣＱＳＴ在防爆领域内　导书、人员资质能力档案、设备校准资料、保密协　的能力已经得到了国际认可，这也是对ＣＱＳＴ人　议等资料进行了抽样审查；评审专家Ａｊａｙ　Ｍａｉｍ　工作认真，作风严谨，思维创新的高度肯定和褒　先生则对ＣＱＳＴ的防尘防水试验、热老化试验、冲　奖；另一方面，这也对我国防爆电气产品生产企业　击试验等１３项试验项目进行了现场目击评审，并　取得国际认证、中国防爆产品走向世界提供了更　对近几年ＣＱＳＴ的ＩＥＣＥｘ试验报告进行了抽样审　加便捷的途径。　查。两位专家对ＣＱＳＴ作为Ｅｘ实验室（ＥｘＴＬ）所　（刘思敬供稿）　机内风向、电机运转方向、风门开闭状态；在此界　操作简单快捷、维护方便。　面实时显示风机运行参数以及井下通风状况。　通风机参数实时监控界面：该界面采用文本　３　结束语　格式全面显示每台电机的电参数、温度参数、风机　本系统综合运用了现代风机通风量监测理　参数以及报警参数的设定。　论，以国家标准“通风机空气动力性能试验方法”　通风机历史数据曲线显示界面：通过归档历　和煤炭行业标准“煤矿用主要通风机现场性能参　史数据生成的历史趋势在系统中的显示，有助于　数测定方法”为依据，结合矿用防爆要求，通过对　管理人员对主风机运行状态实时监控，并能及时、　矿用防爆电器设备的合理设计，将矿井下防爆电　方便地查找出过去运行监控数据。　器设备与井上工业计算机相结合，运用数据采集　为形象、直观、快捷了解通风机配电系统的运　与控制技术，对矿井下防爆通风机进行就近控制　行，指导值班员进行电源切换、主备风机切换、反　和运行状态进行连续在线监控，对通风机运行曲　风演习及控制，特制作配电系统一次模拟线路体　线及风量特性曲线进行优化处理，达到了对煤矿　如下，查看配电系统运行状态。　井下防爆通风机运行的最佳控制和安全运行。本　２．３监控系统的特点　系统经过煤矿井下的实践稳定运行，改变传统的　在通风机风道内没有任何取压装置，采用隔　设备管理方式，保证井下防爆通风机和防爆电控　爆型压力变送器，系统安全性好。　设备的经济、可靠运行，提高煤矿井下防爆通风设　所有防爆变送器均采用稳压电源供电，采用　备的自动化管理水平。　屏蔽电缆传输信号，信号抗干扰能力强，系统可靠　性高。　参考文献　软件采用先进的计算机技术，功能强大，智能　［１］崔坚，李佳．西门子工业网络通信指南（上册）［Ｍ］．北　化程度高；以图形界面显示工作状态，界面友好。　京：机械工业出版社，２ｏｏ８．　防爆电量、物理量传感（变送）器，可靠性好、　［２］胡宗雄，叶汝陵．煤矿用主要通风机现场性能参数测　精度高，监测数据准确。　定方法［Ｍ］．北京：中国煤炭工业出版社，１９９７．