基于PLC和组态软件的通风机监控系统设计

摘要：针对当前矿井通风机监控系统集成化和智能化程度不高的现状，为保证通风机的安全、稳定、高效运行，设计了一种基于PLC和组态软件的通风机监控系统。该系统利用西门子S7-300 PLC，结合相应传感器，实现对流量、风压、振动等参数的实时监测，并通过组态王软件实现数据的远程集中监测与控制，大大提升了系统运行的稳定性，提高了系统的自动化程度，具有广阔的应用前景。

关键词：矿井通风机;PLC;组态软件;监控

0 引言

矿井通风机在煤矿井下起着至关重要的作用，类似于矿井生产系统的“肺”，其主要功能是持续不断地为煤矿输送新鲜空气，从而保证矿下工作人员的正常呼吸，并改善矿下环境，稀释矿下瓦斯浓度，使瓦斯浓度维持在安全范围内。矿井通风机能否安全、稳定运行是能否保证煤矿企业安全、稳定生产的基本保证，一旦通风设备发生故障，将会给矿下生产带来安全隐患。因此，实现对矿井通风机的在线监测显得尤为重要。

矿井通风机的主要监测对象包括风量、气体流量、振动、运行温度、电压、电流等参数。通过对以上数据的实时采集，并传送到远程的上位机，实现对矿井通风机的实时监测，从而保证通风机能够长期安全稳定运行，防止危险事故的发生。但是由于矿井通风机硬件及自动化技术、智能化程度落后，因此运行时仍然需要专业人员定期进行巡检，不能保证实时性和智能性。本文针对当前矿井通风系统和煤矿安全生产的实际需要，为了及时监测矿井通风机的运行状态，设计了一种基于PLC和组态软件的通风机在线监测系统。

1 系统总体方案设计

本系统采用西门子S7-300 PLC作为系统的主控制器，采用冗余设计思想进行系统设计与优化。为提高系统的安全性与稳定性，采用一用一备形式的双控制系统，正常运行时两个系统互不干扰，能够通过S7-300 PLC独立实现数据采集、传输与反馈等功能。当系统正常运行时，主CPU工作，实现对系统运行的监测与控制，备用CPU处于休眠准备状态，当主CPU发生故障时，备用CPU迅速切换，进行实时监测与控制。

采用冗余设计思想能够确保通风机的正常运行与监测，需要两台通风机一用一备，交替运行。矿井通风机对控制器的稳定性和兼容性要求较高，因此将S7-300 PLC作为主控制器，并通过工业以太网实现数据传输。上位机通过北京亚控公司的组态王软件实现，通过工业以太网实现控制中心和监控主站上位机的实时通信，实时获取风量、气体流量、振动、运行温度、电压、电流等参数。系统默认处于自动运行状态，当发生故障时，可切换调整为手动状态，方便及时发现与处理问题。系统整体设计方案如图1所示。

2 系统硬件设计

系统硬件主要包含S7-300 PLC和各类系统监测用传感器。结合系统监测的实际需要，选取合适的风量与负压传感器、温度巡检仪、振动传感器和电参数模块等，另外为了保证参数的实时采集与转换，仍然需要应用开关量采集模块（EDA9050）和模拟量采集模块（EDA9015）。

负压和风量传感器选用矿用防爆型，供电电压为24 V，输出信号为4～20 mA的标准电流，数据传输采用两线制，通过电源线和信号线构建回路，通过压差实现风量计算。

温度巡检仪则是通过配备热敏电阻Pt100，实现对电机定子温度与轴承温度的实时获取，并且保证任何一路都可通过温度探头采集并获取相应信号。

振动传感器用于获取风道振动程度参数，分别从风筒的垂直轴线和水平轴线进行安装，并通过变送器转换为4～20 mA的电流信号。

电参数是通过电流互感器和电压互感器获取相应的电流、电压信号数据，将相关信号转换为4～20 mA的标准电流信号。

系统选用的传感器型号及参数如表1所示。

PLC根据实际系统要求，选用西门子S7-300 CPU315-2DP，该模块包含64K字节存储空间，I/O可扩展至1 024点，带1个Profibus-DP接口;电源模块选用PS307-1B，可提供DC24 V/2 A电源;为了保证能够处理温度巡检仪采集的信号，需要配置CP340-1C，RS422/RS485接口;为了保证工业以太网的信息传输，配置了CP343-1通信模块。

3 系统软件设计

3.1    PLC程序设计

系統工作时，首先对系统进行初始化，根据情况选择运行模式，然后PLC对各类运行参数进行采集，并与设定阈值进行比较，若超限则报警，与此同时，实时与上位机组态软件进行数据交换。

3.2    上位机软件设计

系统上位机软件采用北京亚控公司的组态王软件，该组态软件使用方便，并提供常用的PLC及智能器件的驱动。系统选择符合实际要求的工控机作为上位机，将现场控制器S7-300 PLC作为下位机，两者可通过工业以太网实现数据交换。组态王对PLC获取并传输的数据进行处理，对监控现场的风机风量、气体流量、振动、运行温度、电压、电流等参数进行实时采集并处理，同时具有画面直接显示、动画显示、实时曲线显示、报警界面和各类报表打印等功能，通过多种方式解决通风机运行监控系统的各类问题。

4 结语

基于PLC和组态软件的通风机监控系统，实现了对井下通风机的远程集中控制，大大提高了风机运行的自动化和智能化程度，从而保障通风机的安全、稳定、高效运行，降低了矿下安全事故的发生概率。该系统通过现场PLC及传感器，实现对现场通风机运行数据的采集，上位机组态软件实现对现场获取数据的显示、处理及存储，实现对矿井通风机的集中监控。运行结果表明，该系统可较好地实现对通风机的监控，具有良好的应用和推广价值。

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收稿日期：2020-05-26

作者简介：底伟（1971—），男，河北新乐人，工程师，研究方向：电气控制。