南大傲拓NA400系列PLC在主扇风机控制系统中应用

1、引言
     煤矿主通风机是煤矿的四大主要设备之一，作为矿井主通风，它每天24小时不停地运转，是整个矿井的“呼吸”系统。然而随着开采及掘进的不断延伸，巷道延长，所需的风量也将不断增加，风机所用功率也将加大。四季的交替，冷热的变化，所需的风量也需不断调节。
    煤矿由于受复杂的生产条件和环境影响，在矿用设备选型上都采用功率比较大的型号，电机全速运行，大马拉小车现象非常普遍，耗能十分严重。传统的调节系统，是根据风量所需的多少，靠调节风门、叶片角度来实现的。从通风机选型的过程和煤炭生产的实际情况，通风机恒速运行存在以下几个问题: 
    1．电能的严重浪费，大型煤矿的服务年限大多在几十年以上，投产初期到井田稳定开采一般在十年以上，但是一般主扇风机设计上余量特别大，在相当长的时间主扇风机一直处在较轻负载下运行。由于煤矿主扇风机一般采用档板调节，因此造成能源浪费，增加了生产成本。
    2．启动困难，机械损伤严重  主扇风机采用直接启动，启动时间长，启动电流大，对电动机的绝缘有着较大的威胁，严重时甚至烧毁电动机。而高压电动机在启动过程中所产生的单轴转矩现象使风机产生较大的机械振动应力，严重影响到电动机、风机及其它机械的使用寿。 
    3．自动化程度低,主扇风机依靠人工调节档板，更不具备风量的自动实时调节功能，自动化程度低.如何以技术进步和技术创新为先导，降低企业的生产成本，提高劳动生产率是煤炭生产企业需要解决的迫切课题。   
    采用南大傲拓科技NA400PLC实现的“矿井主扇自动化节能控制系统”具有完善的故障诊断功能，大大提高了设备的可靠性，同时按需调节井下风量，不仅可以有效的改善井下的空气质量，还可节约电能，节能可达30%-50%以上。系统在山西煤销集团多座矿井中应用，受到用户好评。
2、系统结构
    本项目以山西煤销集团某煤矿2台主扇风机为控制对象，基于南大傲拓 NA400PLC和组态王软件的监控系统设计。系统由上位机监控系统、高低压配电系统(提供整个系统供电回路)、变频控制系统（对通风机进行无级调整控制）、PLC控制系统、传感器检测系统（采集系统压力、温度、风量、瓦斯浓度等参数）组成。 正常工作流程是一台风机运行，另一台备用，当运行单元有故障时或输出气体压力不足时 ，自动切换到备用单元。系统框图如下图所示。
 

2.1上位机监控系统
    在“集控”状态下，用户可通过监控系统实现对主扇相关机械、电气设备实现实时在线监控，用户可以直接在上位计算机的图形窗口中进行相关操作，实现相关的控制要求。在“手动”状态下用户只能对系统状态进行监视，需通过手动操作按键实现控制要求。在线监控系统框图如下图所示。
 

上位计算机采用组态软件对系统进行组态，主要画面包括：
① 通风系统全貌
 

② 高低压供电系统图
 

③ 电机轴承和绕组温度动态曲线图
 

④ 压力、风量动态曲线图
 

⑥ 历史记录及报警记录
 

2.2  PLC控制系统
    PLC控制系统采用南大傲拓NA400系列PLC，主扇风机作为煤矿上的四大件之一，绝对不允许停机。为此PLC系统采用了硬冗余系统，核心CPU采用两套，一用一备，当前工作CPU出现故障停机时，备用CPU会自动将控制任务接手，不需要人为干预。待先前故障CPU恢复后，作为备用CPU继续运行，极大的提高了主扇风机的可靠性和稳定性。
    上位机和调度中心通过交换机以工业以太网通讯方式来进行数据交换，CPU与上位机使用以太网通讯，CPU的作用是实现对变频系统的控制、风门电机、风机传感器检测。
    PLC控制站与变频器之间采用Profibus通讯，主要完成变频器控制及变频器运行状态监控任务。
NA400系列PLC是本公司推出的中型高性能可编程控制器，除具有一般PLC的优点外，在系统体系结构、功能、可靠性等方面具有鲜明的特点。
 稳定可靠
①　全智能I/O设计和一系列安全性、可靠性设计为系统的安全可靠运行提供了保障；
②　提供冗余系统的解决方案，支持电源冗余、CPU冗余、以太网冗余、总线冗余，切换无扰动；
③　具有通信故障时的输出保持功能；
④　模块支持带电热插拔，更换模块时无需中断系统运行，并且对于信号线及其它输入/输出无干扰；
⑤　CPU与I/O信号、通讯网络、电源采用隔离保护措施；
⑥　具备良好的电磁兼容性；
⑦　用户程序、数据永久保存；
⑧　设置密码，保护用户知识产权。
 功能全面
①　类型丰富的模块以适应各种不同应用领域，包括电源模块、CPU模块、通信模块、数字量输入模块、中断量模块、数字量输出模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块、温度量模块、脉冲量模块、综合量模块等；
②　采用嵌入式实时多任务操作系统，支持多任务分配，合理使用CPU资源；
③　开放式网络：100M以太网，支持MODBUS/TCP协议；多串口通讯，支持MODBUS及自定义协议；现场总线，支持CANOpen、Profibus-DP等；
④　丰富的内置集成功能，除提供各种标准操作符、控制功能模块、标准函数外，还提供PID、SOE等实用性功能模块，低成本解决高端控制应用需求；
⑤　支持包括硬件看门狗在内的广泛故障监视和诊断。
 性价比高
①　CPU模块集成以太网接口（节省了以太网模块）；
②　通信模块提供了丰富的通信接口；
③　插箱的扩展无需扩展模块（节省了扩展模块）；
④　双机热备冗余仅靠一条冗余电缆即可完成（节省了热备模块）。
 编程调试方便快捷
①　支持IEC61131-3国际标准；
②　具有系统配置、数据库组态、程序编写、在线监测、在线修改、在线调试、在线仿真功能；
③　支持5＋1种编程语言：梯形图LD、指令表IL、结构文本ST、顺序控制图SCC、功能块图FBD、顺序功能图SFC；
④　中/英文编程，大大提高了程序的可读性；
⑤　提供智能化的图形及文本编辑功能，界面友好；
⑥　支持远程编程与调试；
⑦　智能化帮助。
 远高于其它PLC的电磁兼容性
    电磁兼容性设计贯穿了从原理设计、线路板设计到系统结构设计整个开发过程。EMC指标多数超过国际标准3级的水平，静电、快速瞬变达到了4级的水平。
 现场总线技术
    NA-PLC采用现场总线网络，除具有通信速率快、抗干扰能力强、成本低、结构简单、实时性好等特点，还具有很好的扩展性，易于实现模块的灵活配置，大大提高了对现场环境及安装要求的适应性。
 全智能I/O设计和一系列安全性、可靠性设计为系统的安全可靠运行提供了保障
①　数字量输入模块的通道全部采用光电隔离，同时具有软件滤波功能，每一通道可以设置相应的滤波时间，可以有效地避免因现场信号抖动而产生的误动作信号；
②　数字量输出模块采用输出回路密码锁设计，通过模块的反读、校核及执行的联合控制保证在任何情况下不会发生误动。由于模块本身具有CPU可以实现精确的脉冲型输出脉宽的控制，和其它通用PLC不同，NA- PLC的脉冲宽度控制是由模块来控制的，CPU模块将动作信息和动作时间发送到输出模块，输出模块完成输出动作及动作时间的控制；
③　模拟量采集采用了飞度电容的设计方法，保证了内部电路和外界干扰的绝对隔离，大大提高了采集精度，最大限度地降低了模拟量漂移；
④　温度量模块设计突破了常规温度量模块所有通道共用一路恒流源的设计，采用了先进的每路独立恒流源设计，因此有效地避免了因一路信号干扰过大而使其它各路产生串扰的问题，从而大大提高了采集速度和抗干扰性。

3、系统功能设计
①　上位机利用组态软件编制相应的程序，实现对工艺流程图和测量数据的显示，通过上位机由人工选定其操作的方式即自动手动、自动集控、手动操作。
②　自动手动就是利用鼠标起动\停止单个的可控设备；    
③　手动操场利用现场操作台上的按钮起动\停止单个的可控设备；
④　自动集控就是整个控制系统从起动、运行、停止及运行过程中的故障报警、保护停机等整个过程的自动运行及在线监视。
3.1 NA400PLC软件设计
  程序控制系统的软件设计采用梯形图，并采取了模块化的设计方式，把整个控制系统所需要完成的功能分成若干模块，然后分别进行设计，这样做的优点是设计方便，便于修改程序，使得程序条理清晰。
①　自动集控功能模块设计
②　自动手动功能模块设计
③　模拟量处理模块设计
④　与组态王通讯模块设计
⑤　报警模块设计
3.2 组态王软件设计 
  组态王软件包由TOUCHEXPLORER、TOUCHVIEW、DDE服务程序等主要部分组成，分别负责系统工程的建立、操作画面的制作，操作画面的运行，以及系统中NAPLC和组态王之间的数据通讯。
①　监控画面制作
②　参数配置画面制作
③　报警画面制作
④　建立数据库
⑤　实时趋势图和历史趋势图
⑥　数据的存储与查询
3.3 系统主要功能 
① 实时监测通风机(设备)性能参数：矿井负压、流量、全/静压、风速。
② 实时监测风机配用电机的电气参数：电流、电压、功率（通过综保或其他测控单元）。
③ 实时监测设备的运行参数：振动烈度、轴承温度。
④ 通过现场总线通讯将变频器的电流、电压、频率、转速直接采集到PLC中，实时性好。
⑤ 数据实时显示、存储、查询、打印以及远程传输。
⑥ 对通风机运行故障在线报警；显示当前运行机号、正反转信号、风机开停状态、累计当前风机运行时间等。
⑦ 在模拟动画图上实现监测参数的实时显示，将监测参数存储到数据库中，可以以数据和趋势图等多种方式实现监测结果的再现，实现小时、日等多种形式时间间隔的数据查询，查询结果以报表形式打印。
⑧ 系统采用双CPU硬冗余工作方式，当一套PLC出现故障时，能自动切换到另一套PLC运行。并且系统具有自诊断功能和执行监测功能，即系统在每次运行前，对参与系统运行的设备进行检测和判断，及时报警提供，决不允许设备在带有故障的情况下启车。
⑨ 预留有以太网接口，可直接与全矿综合自动化网络相连。
4、主要特点
4.1高可靠性
① 设计上充分考虑系统的电磁抗干扰能力，既要保证系统本身不受现有系统和电源的干扰，也要保证本项目不会干扰已有系统的运行，系统外的信号接入系统时，都采用信号隔离模块进行隔离。
② 采用低功耗、散热好的硬件设备，散热系统设计合理。
③ 严格的器件选型：系统的所有硬件器件都选用国内外知名品牌。
④ 严格的系统测试，数据采集站要经过高低温试验、湿度试验、电磁兼容性试验；系统软件要经过功能测试、容量测试、异常测试等。
4.2实用、易操作性
① 功能设计全面实用，界面设计专业、友好，让用户全面了解各种监测信息。
② 以专业设计的简捷流程实现复杂的功能，最大限度地减少用户学习操作的时间。
4.3监测信息全面
① 监测指标包括：各类开关量，振动量，性能参数，如电量、负压、风量、瓦斯浓度、温度量、风机效率等。
② 可根据用户需求增加监测内容。
4.4传输方式灵活
可采用光缆、同轴电缆、双绞线等多种传输介质。采用光缆、同轴电缆传输距离不限，采用双绞线传输距离约 10 公里。
4.5可扩充性
① 硬件采用模块化设计，用户可在不影响已有系统结构的条件下，扩展新的采集通道。
② 软件采用多层结构设计，极大减少了模块之间的耦合性，提高了系统的可扩充性。
4.6可维护性
① 系统具备自诊断功能，能识别传感器、数据库等的异常，便于用户进行维护。
② 完善的在线帮助系统和用户使用手册，指导用户更好地使用和操作系统。
5、总结
 该控制系统已经在山西煤销集团多座矿井中投入运行，并取得了较好的使用效果，整个程序控制系统很大程度上提高了设备的运行和控制水平。系统的各个操作步骤都可以在主控制室通过自动控制完成，运行过程中的风量、压力、温度等各个参数可以在主控制画上显示，打印机打印输出运行参数，数据查阅方便。