基于PLC和組態軟件的通風機監控系統設計

摘要：針對當前礦井通風機監控系統集成化和智能化程度不高的現狀，為保證通風機的安全、穩定、高效運行，設計了一種基于PLC和組態軟件的通風機監控系統。該系統利用西門子S7-300 PLC，結合相應傳感器，實現對流量、風壓、振動等參數的實時監測，并通過組態王軟件實現數據的遠程集中監測與控制，大大提升了系統運行的穩定性，提高了系統的自動化程度，具有廣闊的應用前景。

關鍵詞：礦井通風機;PLC;組態軟件;監控

0 引言

礦井通風機在煤礦井下起著至關重要的作用，類似于礦井生產系統的“肺”，其主要功能是持續不斷地為煤礦輸送新鮮空氣，從而保證礦下工作人員的正常呼吸，并改善礦下環境，稀釋礦下瓦斯濃度，使瓦斯濃度維持在安全范圍內。礦井通風機能否安全、穩定運行是能否保證煤礦企業安全、穩定生產的基本保證，一旦通風設備發生故障，將會給礦下生產帶來安全隱患。因此，實現對礦井通風機的在線監測顯得尤為重要。

礦井通風機的主要監測對象包括風量、氣體流量、振動、運行溫度、電壓、電流等參數。通過對以上數據的實時采集，并傳送到遠程的上位機，實現對礦井通風機的實時監測，從而保證通風機能夠長期安全穩定運行，防止危險事故的發生。但是由于礦井通風機硬件及自動化技術、智能化程度落后，因此運行時仍然需要專業人員定期進行巡檢，不能保證實時性和智能性。本文針對當前礦井通風系統和煤礦安全生產的實際需要，為了及時監測礦井通風機的運行狀態，設計了一種基于PLC和組態軟件的通風機在線監測系統。

1 系統總體方案設計

本系統采用西門子S7-300 PLC作為系統的主控制器，采用冗余設計思想進行系統設計與優化。為提高系統的安全性與穩定性，采用一用一備形式的雙控制系統，正常運行時兩個系統互不干擾，能夠通過S7-300 PLC獨立實現數據采集、傳輸與反饋等功能。當系統正常運行時，主CPU工作，實現對系統運行的監測與控制，備用CPU處于休眠準備狀態，當主CPU發生故障時，備用CPU迅速切換，進行實時監測與控制。

采用冗余設計思想能夠確保通風機的正常運行與監測，需要兩臺通風機一用一備，交替運行。礦井通風機對控制器的穩定性和兼容性要求較高，因此將S7-300 PLC作為主控制器，并通過工業以太網實現數據傳輸。上位機通過北京亞控公司的組態王軟件實現，通過工業以太網實現控制中心和監控主站上位機的實時通信，實時獲取風量、氣體流量、振動、運行溫度、電壓、電流等參數。系統默認處于自動運行狀態，當發生故障時，可切換調整為手動狀態，方便及時發現與處理問題。系統整體設計方案如圖1所示。

2 系統硬件設計

系統硬件主要包含S7-300 PLC和各類系統監測用傳感器。結合系統監測的實際需要，選取合適的風量與負壓傳感器、溫度巡檢儀、振動傳感器和電參數模塊等，另外為了保證參數的實時采集與轉換，仍然需要應用開關量采集模塊（EDA9050）和模擬量采集模塊（EDA9015）。

負壓和風量傳感器選用礦用防爆型，供電電壓為24 V，輸出信號為4～20 mA的標準電流，數據傳輸采用兩線制，通過電源線和信號線構建回路，通過壓差實現風量計算。

溫度巡檢儀則是通過配備熱敏電阻Pt100，實現對電機定子溫度與軸承溫度的實時獲取，并且保證任何一路都可通過溫度探頭采集并獲取相應信號。

振動傳感器用于獲取風道振動程度參數，分別從風筒的垂直軸線和水平軸線進行安裝，并通過變送器轉換為4～20 mA的電流信號。

電參數是通過電流互感器和電壓互感器獲取相應的電流、電壓信號數據，將相關信號轉換為4～20 mA的標準電流信號。

系統選用的傳感器型號及參數如表1所示。

PLC根據實際系統要求，選用西門子S7-300 CPU315-2DP，該模塊包含64K字節存儲空間，I/O可擴展至1 024點，帶1個Profibus-DP接口;電源模塊選用PS307-1B，可提供DC24 V/2 A電源;為了保證能夠處理溫度巡檢儀采集的信號，需要配置CP340-1C，RS422/RS485接口;為了保證工業以太網的信息傳輸，配置了CP343-1通信模塊。

3 系統軟件設計

3.1? ? PLC程序設計

系統工作時，首先對系統進行初始化，根據情況選擇運行模式，然后PLC對各類運行參數進行采集，并與設定閾值進行比較，若超限則報警，與此同時，實時與上位機組態軟件進行數據交換。

3.2? ? 上位機軟件設計

系統上位機軟件采用北京亞控公司的組態王軟件，該組態軟件使用方便，并提供常用的PLC及智能器件的驅動。系統選擇符合實際要求的工控機作為上位機，將現場控制器S7-300 PLC作為下位機，兩者可通過工業以太網實現數據交換。組態王對PLC獲取并傳輸的數據進行處理，對監控現場的風機風量、氣體流量、振動、運行溫度、電壓、電流等參數進行實時采集并處理，同時具有畫面直接顯示、動畫顯示、實時曲線顯示、報警界面和各類報表打印等功能，通過多種方式解決通風機運行監控系統的各類問題。

4 結語

基于PLC和組態軟件的通風機監控系統，實現了對井下通風機的遠程集中控制，大大提高了風機運行的自動化和智能化程度，從而保障通風機的安全、穩定、高效運行，降低了礦下安全事故的發生概率。該系統通過現場PLC及傳感器，實現對現場通風機運行數據的采集，上位機組態軟件實現對現場獲取數據的顯示、處理及存儲，實現對礦井通風機的集中監控。運行結果表明，該系統可較好地實現對通風機的監控，具有良好的應用和推廣價值。

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收稿日期：2020-05-26

作者簡介：底偉（1971—），男，河北新樂人，工程師，研究方向：電氣控制。