煤矿主通风机PLC控制变频调速系统设计.docx

辽宁科技大学本科生毕业设计 7煤矿主通风机plc控制变频调速系统设计design on coal mine main fan plc control variable frequency speed regulation system 作者姓名： 刘 静专业名称： 自 动 化072指导教师： 徐 建 英联系电话：辽宁科技大学本科生毕业设计 第51页煤矿主通风机plc控制变频调速系统设计摘 要煤炭资源为我国经济建设提供了强有力的能源支持。但是由于落后的煤炭生产工艺，使得我国煤炭行业本身耗能较高，甚至存在浪费能源的现象。其中风机控制浪费电能十分严重。在煤炭生产过程中，对通风机的控制除电能存在浪费现象外，还存在一定的环境污染问题。本文针对煤矿井下环境建立了模型。首先，根据通风机的特性曲线和控制功能要求，选择了合理的系统控制方案再根据选定的控制方案，设计了系统的控制电路，并对plc、变频器、触摸屏等硬件进行了选型配置。在研究风量和瓦斯浓度控制算法的基础上，利用plc编程软件gx8.26完成了控制系统程序的设计，再根据矿井通风机监控系统的功能要求，结合三维力控组态软件和触摸屏技术与三菱plc的应用，通过cc-link现场总线，将对通风机控制系统进行远程控制，完成了通风机监控系统的设计（其中fx2nplc配有触摸屏，提供人机交流信息），并对系统中的三菱fr-e500变频器进行了参数的设置。最后，对整个控制系统的运行进行了模拟调试实验，通过实验室的模拟实验，证明了该控制系统能根据巷道的风量的大小，调整风机的转速大小，满足掘进巷道中安全生产所需要的风压风量。关键词：通风机；变频器；plc；触摸屏；组态 design on coal mine main fan plc control variable frequency speed regulation system abstractcoal resource provides powerful energy support to economic construction in our country. because the processing technique of coal industry is backward, it is highly energy-consuming, even energy-wasting，for example, ventilator control system wastes a lot of electrical energy. the control of ventilator could cause some pollution besides the waste of power when it is working. this paper researched and designed its frequency control system. firstly, the paper chose rational system control scheme based on experimental performance curves and control requirements of mine ventilator. then control circuit was designed on the scheme. at the same time, hardware such as plc,frequency converter, touch screen was distributed. based on the research of air and methane control algorithm, the plc control program of system was designed with gx8.26. after that, according to functional requirements of system, the monitoring system of mine ventilator was designed with force control configuration software and touch screen technology and plc of mitsubishi. the control system of ventilator could be operated by cc-link by distance(fx2nplc with touch screen provides information for man-machine communication).then the parameters of fr-e500 converter were set up. at last, simulation debugging experiments of running system were finished. it was proved that the control system can adjust fan speed to meet wind pressure and rate in heading laneway through simulation debugging experiments in laboratory according to actual wind rate in mine laneway. key words: mine ventilator；frequency converter；plc；touch screen；configuration目录1 绪论11.1 课题的背景及目的11.2 课题的研究方法11.3 国内外的研究状况及相关领域中的研究成果21.4 主要研究内容及任务21.4.1 节能控制21.4.2 环境污染控制31.5 课题的总体设计方案32 通风机变频调速原理及系统设计42.1 变频调速技术的原理及应用42.1.1 变频调速的基本原理42.1.2 变频调速的基本控制方式52.1.3 矿井通风机变频调速的节能原理62.1.4 变频器的结构和选型82.2 可编程控制器的原理及应用92.2.1 plc的工作原理92.2.2 plc的选型原则102.3 现场总线的结构及选型102.3.1 现场总线控制系统的结构和特点102.3.2 现场总线的选型113 系统的构建与功能实现133.1 系统控制方案的选择133.1.1 系统的功能要求133.1.2 系统的控制方案133.1.3 系统的电路设计173.1.4 系统部分硬件说明173.2 控制系统的通信213.2.1 q02hplc与fx系列plc的通信213.2.2 q02hplc与远程i/0模块的通信223.3变频器的参数设定234 系统软件设计244.1 plc的编程语言244.1.1 plc的编程方法244.2 系统的程序设计244.2.1 从站软件设计244.2.2 主站软件设计274.2.3 程序相关参数确定305 监控系统的设计325.1 触摸屏监控界面的设计325.1.1 触摸屏概述325.1.2 三菱触摸屏got1000的简介325.1.3 got1000监控画面的实现335.2 组态监控系统的设计335.2.1工业组态概述335.2.2三维力控软件简介345.2.3煤矿通风机控制系统组态设计346 实验37结论39致谢41参考文献42附录a从站程43附录b主站程序471 绪论1.1 课题的背景及目的随着社会的发展，能源需求快速增长，电能的需求量相当大，其中风机水泵类类负载很大比重。根据不完全统计，1995年我国风机、水泵设备装机总功率达到1.6亿kw，年耗电量3200亿kwh，风机、水泵耗电量就占全国工业耗电量的1/2，而平均效率只有41%-50%。有不少风机、水泵变风量（流量）运行状态，这类电动机的共同特点是风量（流量）小于额定量，电能利用率太低，运行时间长，节能的潜力是很大的1。煤矿风机是保障煤矿安全的主要通风机械，功率较大且365天昼夜运转。按照煤炭安全生产规程。对煤矿井下通风量及风速有严格规定。一般在煤矿矿井设计时，通风机的容量按煤矿生产后期的用风量进行选择。对于传统风机控制方式，风机长期处于全功率下运行，为满足煤炭安全设计规程对矿井通风的要求，一般采用调节导叶角方式控制风量及风压，造成大量电能浪费。在煤炭生产过程中，对通风机的控制除电能存在浪费现象，还存在一定的环境污染问题。一般煤矿采用抽出式通风方式，通风机将矿井巷道里的空气抽出，排放到大气中，其中必然包含大量的粉尘及甲烷一氧化碳的大量可燃的有害气体，造成空气污染2。鉴于以上问题，对煤矿通风系统的改造是很有必要的。1.2 课题的研究方法随着可编程控制器（plc）变频技术的快速发展，plc和变频器己经广泛应用于各种自动化控制领域。在煤炭行业中，利用plc控制的变频器驱动局部通风机运行，不仅可以实现局部通风机的无级平滑调速，还可以根据管网阻力和瓦斯浓度的变化大小进行风量的及时调节，降低风机的能耗，节省大量的电能。同时，该控制系统具有较高的可靠性和较完善的报警功能。若再使用组态监控技术和网络通讯技术对局部通风机的运行进行监控，可使其达到高效、节能、安全运行的效果，大大提高煤矿自动化安全生产的水平。变频调速有多方面的优越性，他可以改善生产工艺，对实现生产自动化,提高产品质量和生产效率，延长设备使用寿命，减少设备维护费用等都有很大益处。除此之外，电机变频调速还有一个重要作用，那就是节能。传统的风机房风机采用继电接触控制系统，由于电机转速恒定,在低负荷运行时，只能依靠调节风门来减少空气流量，浪费了大量电能。而采用变频调速技术对风机进行无级调速控制，可以起到显著的节能作用2。1.3 国内外的研究状况及相关领域中的研究成果但随着电力电子学的飞速发展，各种大功率半导体器件的相继出现，促使交流调速技术飞跃进步。从20世纪60年代开始生产变频器以来，仅仅20多年的时间，交流调速和直流调速在世界发达国家已从根本上调换了位置，目前美国、德国及其它一些发达国家采用变频调速占80%，而直流调速仅占20%3。风机在生产中有着广泛的应用。风机的风量控制，过去多是采用鼠笼式异步电动机拖动，进行恒速转动，当需要调节风量时，实际采用的方法是调节挡风板。这种控制方法虽然简单，但从节约能源的角度来看是极不经济的。近年来，随着半导体器件与控制技术的迅速发展，变频器的价格不断下降，运行可靠性不断增加，变频调速已越来越多地成为现代工业应用中重要的调速手段，这对节约能源、提高经济效益具有重要。变频调速是电动机调速方式中最理想的方案。过去受价格、可靠性及容量等因素的限制在我国风机市场一直未得到广泛应用。近年来，随着电力、电子器件和控制技术的迅速发展，变频器价格不断下降，可靠性不断增加，模块化的设计使变频器的容量几乎不受限，5000kw及以下的通用变频器可以随时按用户要求提供标准产品，满足用户的各种需要。1.4 主要研究内容及任务本设计是在针对现在煤矿通风控制系统存在的问题提出，结合现在技术水平，对通风系统进行改造。系统介绍如下：1.4.1 节能控制风机采用变频控制，通过变频调速的方式，改变风机风量风压输出，达到节能目的。风机为变负载设备，负载的大小与风机转速有直接关系。根据流体力学原理，通流量与转速成正比，流体压力与转速的平方成正比，轴功率p与转速n的三次方成正比。由以上关系可知当风机的转速下降1/2，能耗将量将较低为原功耗量的1/8。可以看出采用变频调速，风机节能潜力巨大。由于风机特点，一台风机由两个电机驱动，所以在变频器驱动方面采用一台变频器同时驱动两台电机运转。变频器采用三菱电机f系列风机专用变频器，驱动方式决定变频器的功率不能小于两台电机功率之和，但考虑到煤矿风机运行特点及资金投入方面，可以采用“小马拉大车”方式，选用变频器功率略小于驱动电机功率。1.4.2 环境污染控制煤矿通风机对环境污染分两部分，其中一部分为，有害气体甲烷、一氧化碳污染，另一部分为粉尘污染。系统首先对风机排风进行有害气体监测，当有害气体浓度达到一定标准时，实行管道分流，将风机排除气体直接送入特制管道，进行点燃处理。当有害气体浓度没有超标时，将风机排出气体送入除尘系统，经除尘后，排放到大气中。1.5 课题的总体设计方案本文针对煤矿井下环境建立模型，以其中的一台轴流式风机为控制对象。首先，根据通风机的特性曲线和控制功能要求，选择合理的系统控制方案再根据选定的控制方案，设计系统的控制电路，并对plc、变频器、触摸屏等硬件进行选型配置。接着，研究风量和瓦斯浓度控制算法并利用plc编程软件gx8.26完成控制系统程序的设计。最后，对整个控制系统的运行进行模拟调试实验，包括风量控制的模拟实验，瓦斯浓度控制的模拟实验，除尘控制的模拟实验。将fx2nplc作为本系统从站对变频器、管道分流系统、除尘系统进行控制，变频器驱动风机运转。qplc作为系统主站通过cc-link现场总线对从站进行控制。主站qplc除对从站控制外，经cc-link对变频器、管道分流系统、除尘系统进行冗余控制，确保从站fx2nplc出现问题时，整个通风系统能够正常工作。2 通风机变频调速原理及系统设计2.1 变频调速技术的原理及应用2.1.1 变频调速的基本原理在工业生产的过程中，生产机械需要电机拖动来满足生产工艺的要求。交流异步电机以其体积小、重量轻、价格低廉、运行性能稳定等优点，在机械的电力传动中应用最为普遍。但是交流电机不像直流电机那样，可以很方便地进行调速，它的调速问题一直比较困难。经过几十年的研究和发展，出现了许多交流电机的调速方式，如异步电机的变极调速、定子电压调速、转子串电阻调速、串级调速、变频调速等。目前，使用最广泛，效果最好的还是变频调速，变频调速技术的迅速发展，使交流电机调速困难的问题得以解决。由电动机的拖动原理，可知交流异步电机的转速表达式为:n=60f11-sp=60w11-s2p (2.1)式(2.1)中:f1定子电源频率;w1相应的角频率;p异步电机的磁极对数;s电动机的转差率。s=n1-nn1=w1-ww1 (2.2) 式（2.2）中:n1异步电机的同步转速;w1固有角频率。n1=60f1/p=60w1/2p (2.3) 由上式(2.1),(2.2)和(2.3)可以看出，如果改变输入到异步电机定子绕组的电源频率f1，就可以改变异步电动机的同步转速n1和转子转速n。由电机学知识可知，交流异步电动机的转速。总是小于同步转速n1，而且它是随着同步转速的变化而变化的。当电源频率f1增加时，同步转速n1增加，交流异步电机的实际转速n也增加。反之，当电源频率f1降低，同步转速n1降低，交流异步电机的实际转速n也降低。这种通过改变电源频率来改变交流电动机转速的调速方式称为变频调速。在变频调速技术中，使用变频器向电动机提供频率可变的电源，去改变电动机的转速。2.1.2 变频调速的基本控制方式根据以上的分析可知，只要改变异步电动机的输入电源频率f1就可以改变电机的转速，但实际上，只改变f1并不能实现正常的调速。这是因为f1的改变会引起电动机一些物理量的变化，从而影响到电动机的机械特性和转差率等调速指标的变化，所以我们必须采取一些控制方式来处理这个问题。一般地来说，交流变频调速有以下三种最基本的控制方式4。1 电源频率低于工频范围调节电机定子绕组内的感应电动势公式 e1=4.44f1wr11 (2.4) 式(2.4)中：w电机定子绕组匝数的常数；r1绕组系数；1电机每极磁通。定子电压u1与定子绕组感应电动势e的关系为： u1=e1+i1z1 (2.5) 式(2.5)中：z1定子绕组每相阻抗；i1定子绕组相电流。若忽略定子压降i1z1则u1e1=4.44f1wr11可简化为：e1=kf11 (2.6) k=4.44wr1 (2.7)1=u1/kf1 (2.8)又由异步电机的电磁转矩te与磁通1的关系： te=cm1i2cos (2.9)式(2.9)中：cm电动机转矩常数；i2转子电流折算到定子一侧的电流有效值；cos转子电路的各相功率因数。由公式(2.8)和(2.9)可知，异步电动机的电磁转矩te与磁通1成正比，若降低电源频率f1，同时也降低u1，使u1f1保持为恒量，则磁通1不变，异步电动机的电磁转矩te也不变，这种控制方式称为恒磁通调压调频调速。2 电源频率高于工频范围调节由于u1不能高于异步电机的额定电压，当电源频率f1增加时，使得变u1f1小。若保持u1不变，由公式(2.9)可知，定子磁通1变小，电机电磁转矩te也变小，使得电动机的实际转速n增加。由于电动机的功率p =tew，其中电动机的转动角速度w=2n，调节的过程中，若使频率f1与转矩te的变化保持一定的关系，可以使电动机功率p保持恒定，这种升频定压的调速方式称为恒功率调速。3转差频率控制异步电动机在稳态运行时，转差率s很小，此时，只要控制定子电流使得电动机的气隙磁通1保持不变，异步电机的电磁转矩te就近似与转差角频率w1成正比。因此，在异步电机中，只要控制频率w1，就能够达到间接控制电磁转矩te的目的，这就是转差频率的控制方式。2.1.3矿井通风机变频调速的节能原理矿井通风机的管网阻力与风量的关系为：p=rq2 (2.10)式中：p通风机的管网阻力损失，pa；r管网的总阻力系数，对于一定的管网为r定值；q通风机管网的风量，m3/s。图2.1为一矿井通风机的压力流量(h-q)特性曲线图，其中曲线a，b为管网阻力的特性曲线(ran2)，交点a，b，c为矿井通风机的工况点。图2. 风机及管网h-q的特性曲线图图2.1中曲线1为风机开始调节前的风压风量(h-q)特性曲线，曲线a为管网风阻特性曲线（管网阻力最小）。假设风机设计工作在a点效率最高，输出风量q1为100，对应的轴功率n1与风量q1和风压拭的乘积面积ah1oq1成正比。如果生产要求风量从q1减少到q2时，若采用减小局部通风机橡胶管道截面积的方法调节，相当于增加管网阻力，使管网阻力特性曲线变化到b，系统工况点也由a点变到b点。从图中可以看出，风量虽然减小了，风压反而增加了，代表轴功率的面积bh2oq2比调节前减少不多。若采用变频调速控制局部通风机的运行，随着风机转速的下降，风压风量特性变为曲线2，系统工况也由a点变到c点，代表轴功率的面积ch 3oq2比采用前一种方法调节显著减少，两者之差即是节省的气体功率5。当通风机稳定运行时，风机的风量、风压、功率与转速有以下比例关系： q1q2=n1n2p1p2=n1n22 n1n2=n1n22 (2.11)式中：n1、n2通风机调节前后的转速，r/min；p1、p2通风机转速调节前后的风压，pa；n1、n2通风机转速调节前后的功率，w。由以上的比例关系，可以看出风机的风量与转速成正比，风压与转速的平方成正比，功率与转速的三次方成正比。如果通风机的转速降低为原来的50%，则风量也变为原来的50%，功率降低为原来的12.5%，这说明通过改变通风机的转速的方式，可以改变通风机的功率输入，可以节省大量的电能。根据上述变频调速的原理，矿井通风机的转速n的改变，可以通过改变通风机输入电源的频率f1来改变，这一过程可以通过变频器来完成。2.1.4变频器的结构和选型变频器按结构来分，分为交-交变频器和交-直-交变频器两种。将工频交流电直接转变成频率和电压均可控制的交流电，又称为直接变频器。交-直-交变频器是把工频交流电经整流器先转换成直流电，然后经滤波环节后，再把直流电转换成频率、电压可控制的交流电，又称为间接变频器。目前，使用最多的通用变频器多是交-直-交变频器，它由主电路，包括整流器、中间直流环节、逆变器和控制电路组成。1整流器整流器即是网侧变流器，它的作用是把三相或单相交流电整流成直流电。整流电路有可控整流电路和不可控整流电路两种。2逆变器逆变器即是负载侧的变流器，它的主要作用在控制电路的控制下将直流电转变成频率、电压调节后的交流电，输出给外部设备。六个半导体主少干关器件组成的桥式电路是常见的逆变电路，通过控制电路控制开关器件的通、断，可以得到所需频率的交流电输出。3中间直流环节中间直流环节又称为中间储能环节，这是因为逆变器的负载多为感性负载，其功率因数小于1，使得在中间直流环节和电动机之间存在着无功率的交换。这种无功能量需要中间直流环节中的电容器或电抗器来进行缓冲。4控制电路控制电路是变频器的核心，它通常由运算电路、检测电路、门极驱动电路、外部接口电路和保护电路等组成，其作用主要是完成对逆变器的开关控制和频率控制、对整流器的电压控制以及完成各种保护功能等。另外，变频器按调制方法来分，分为pam型变频器和pwm型变频器；变频器按用途来分，又分为通用变频器和专用变频器。目前，市场上变频器的品牌很多，国外的有abb、siemens、lenze、vacon、danfoss、keb、lg、samco等，国内的有佳灵、阿尔法、森林、时代等。在工程中使用变频器，我们如何对其进行选型，一般有以下的步骤：（1）分析负载类型，是恒转矩负载、恒功率负载还是平方转矩负载。（2）根据负载类型和控制任务，确定变频器的类型和数目。（3）根据电动机的额定电流和额定功率，确定变频器输出频率和额定电流。（4）进行市场调研，确定合适的变频器品牌。（5）根据变频器的输出频率和额定电流，对该品牌的变频器进行选型。（6）变频器选择好以后，要进行相关的校验。总的来说，变频器的选型可以通过以上的步骤进行，但对于有工作经验的工程师，也可以根据工作经验，直接快速地进行变频器的选型。2.2 可编程控制器的原理及应用2.2.1 plc的工作原理plc工作的全过程分为上电处理、扫描过程、出错处理三个部分。它的工作方式是不断循环的顺序扫描，每次扫描所用的时间称为一个扫描周期，长短与用户程序长短以及plc本身的性能有关，其数量级为ms，典型值为几十ms。plc对程序的扫描顺序是从上到下，从左到右，逐条地读取程序指令，程序结束后，再返回到首条指令开始新的扫描。它对用户程序的扫描主要分为三个阶段，各个阶段的功能如下6：（1）输入采样阶段：plc将扫描的输入端子的状态存入映像寄存器，然后进入程序执行阶段，在此阶段和输出刷新阶段，输入映像寄存器与外界隔离，其内容保持不变，一直到下一个扫描周期的输入采样阶段。（2）程序执行阶段：plc根据读入的输入映像寄存器中的信号状态，按一定的扫描原则执行用户编写的程序，然后把执行结果存入元件映像寄存器中。（3）输出刷新阶段：当所有的程序指令执行完后，元件映像寄存器中所有输出继电器的状态在输出刷新阶段被转存到输出锁存器中，然后一次性的由输出端子输出，驱动外部负载。2.2.2 plc的选型原则目前，plc的品牌和种类很多，大概有300多个品种，以美国、德国、日本的品牌最为显著，在我国也有一些生产plc的厂家。本着选用实验室现有设备的原则本次设计使用三菱系列的plc。2.3 现场总线的结构及选型2.3.1 现场总线控制系统的结构和特点1现场总线控制系统的结构现场总线是当前自动化技术中的一个热点。现场总线的出现使工业控制系统开始网络化的方向发展。生产自动化系统划分为不同的层次，可以用一个垂直分层模型的形式来描述，如图2.2所示7。公司控制层生产控制层过程控制层现场层图2.2 生产自动化的分层模型管理公司的战略性功能在“公司控制层”中执行。公司分层的计划和管理由从属的“生产控制层”执行，该区域也可以命名为“公司或工厂控制层”。在“过程控制层”中，生产命令被转换为相应的工艺过程，而工厂更大的生产线通过这一层中的控制系统进行控制和监视。要求对过程变量进行采集和控制的设备位于自动化的最底层现场层。除了控制单元以外，还包括人机接口/终端、传感器、执行器和各种复杂的驱动系统，此外，智能传感器、测量转换器、驱动系统和控制设备的使用也正逐渐增加。现场总线控制系统是应用于现场层的一种全新分布式控制系统。实现了生产过程现场设备之间的互相联通，并使生产过程的控制与更高的管理层紧密联系在一起。2现场总线控制系统的特点现场总线控制系统是一种全分布式、全数字、全开放性的系统，解决了分布式控制系统的不足，其优点是显而易见的。（1）与传统的dcs相比，fcs控制功能更加分散，它可以由现场仪表组成自治的控制回路。（2）现场总线作为一种数字化的串行网络，具有良好的抗干扰能力，大大提高了控制系统的可靠性。（3）现场总线系统采用彻底分散的分布式结构，传统的控制系统中用于连接传感器和执行器的昂贵布线被现场总线所代替，简化了系统的结构。（4）现场总线系统具有开放性的特点，能够保证良好的互换性和操作性。（5）fcs与dcs相比，便于使用和维护。2.3.2 现场总线的选型二十世纪八十年代，现场总线技术开始形成和发展。目前，多种现场总线技术具有较大的影响力，并获得广泛的应用。表2.1 现场总线主要产品型号国家名称公司名称主要产品几个国家无基金会现场ff总线美国echelon 公司lon works总线德国siemens 公司profuse总线美国rosemont 公司hart总线中国致远和 周立功 公司icon总线日本三菱 公司cc-link总线因为实验室现有三菱的成套设备，再加上其他设备如变频器、plc也都使用三菱的设备，考虑到设备的匹配问题，本次设计也选用三菱的cc-link总线。3 系统的构建与功能实现3.1 系统控制方案的选择3.1.1 系统的功能要求模拟矿井通风环境，包括一台（370w）小功率的轴流通风机及其实验管道。可以模拟井下管网阻力的增加，改变通风机工作的工况点。作为对通风机的设计研究，该通风机的功率比较小。系统具备三层网络结构，fx和q构成主从站关系，fx作为现场控制器，通过控制变频器运行，达到调节风机风速效果，qplc作为上位机通过cc-link现场总线，获取从站fx现场工作状况，通过组态技术，在中央监控室显示。使该控制系统能够实现以下的功能要求1主站qplc除对从站控制外，经cc-link对变频器、管道分流系统、除尘系统进行冗余控制，确保从站fx2n出现问题时，整个通风系统能够正常工作。2通风机处于运行状态时，可以根据巷道风量的大小选择变频器适合的风速段进而改变通风机的转速以维持所需的风量。3当检测到巷道中的瓦斯浓度突然增加，超过了煤矿安全规程所规定的安全标准时，系统发出声光报警，并立即切断系统电源。另外，当巷道中的粉尘浓度超过了煤矿安全规程所规定的安全标准时发出声光报警，并启动除尘器根据粉尘浓度的大小选择除尘的喷水量。4系统具有完善的报警及处理功能，当变频器出现故障时，发出声光报警;当瓦斯浓度达到规定的报警标准时，也发出声光报警。5结合plc与组态软件和触摸屏的应用，在上位机上设计的监控系统，可以实现该通风机运行的在线控制，以及对瓦斯浓度、风量、风压、风机转速等参量进行实时在线监控，也可以在现场进行实时监控。3.1.2 系统的控制方案系统总体构成如图3.1所示，将fx2nplc作为本系统从站对变频器、管道分流系统、除尘系统进行控制，变频器驱动风机运转。qplc作为系统主站通过cc-link现场总线对从站进行控制。主站qplc除对从站控制外，经cc-link对变频器、管道分流系统、除尘系统进行冗余控制，确保从站出现问题时，整个通风系统能够正常工作。qplc组态监控cc-link触摸屏fxplc变频器管道分流除尘装置报警装置风机图3.1 风机控制系统框图整个系统具备可视化化管理特点，中央监控中心通过组态技术对整个系统的工作状况进行远程监控。1fx2nplc+变频器控制系统fx2nplc+变频器控制系统为本系统的关键部分，fx2nplc通过变频器对风机进行变频调速，实现节能目标。系统采用闭环控制的方式，控制风机转速。在风机的出风口装有压力传感器，根据压力传感器输出信号判断煤矿巷道通风情况。当风压和风速不能满足矿井巷道通风要求时调整风机转速，以满足煤矿安全生产通风要求。系统框图如图3.2所示。fxplc变频器压力传感器触摸屏图3.2 风机变频调速控制系统由于煤矿通风机系统对风速没有严格要求，合格风速范围较宽，没有必要对风速进行平凡调节。因此，系统中对风机调速采用“三段速”的方式，当巷道风速不能满足安全生产要求时，采用分段式实现自动调节变频器运行频率，使风速达到安全生产要求。2管道分流由于煤矿井下存在大量有害气体，如果直接排放到大气中，将对空气有很大的污染性。本系统设想当有害气体超标时，系统自动将风机排出气体送入特制管道，对其进行燃烧处理。对于本设计而言，只是对风机排出气体进行管道分流，燃烧系统不进行设计。3除尘装置由于煤矿生产的特殊性，通风机排出气体中含有大量粉尘，如果对粉尘不进行处理，对大气的污染性同样很大。因此，本系统在设计中考虑到除尘环节。当风机排出气体经有害气体检查后，如果有害气体没有超标，将送入除尘装置。除尘装置采用湿式振弦除尘器，在除尘装置入口设有粉尘传感器，对气体中的粉尘含量进行检测确定除尘装置的喷水量，通过调节喷水量进行除尘。控制框图如图3.3所示。fxplc除尘器粉尘传感器触摸屏图3.3 除尘装置控制框图4从站人机交流从站配有触摸屏，提供人机交流信息。通过人机界面可对通风及的启动与停止进行控制，还可以实时看到变频器的输出电压、电流、频率、以及电机转速和煤矿巷道内部空气状况。5组态监控部分组态监控部分，通过组态软件对qplc内部资源进行操作，远程实时监控风机现场运行状况，还可以远程对变频器参数进行设置。另外，设计中组态另一重要功能是为系统模型提供一种模拟实际的信号给定。6主站q02hplc主站q02hplc为整个控制系统的核心，其作用总体分为两部分：从站fx2n冗余。当从站控制系统中的fx2nplc因故障或其他原因，主站qplc能够通过cc-link现场总线，将对通风机控制系统进行远程控制，确保煤矿井下通风不间断。信息采集。在主站，通过程序经过cc-link可对变频器实时输出电压、电流、频率进行读取，在组态界面上显示。同时数据也可以通过cc-link下传到从站fx2nplc，将数据显示在触摸屏上。7报警电路报警电路采用声光报警方式。系统有三种报警方式：变频器停止工作时，报警指示灯将会持续点亮，同时报警器也会发出连续不断的报警声，此时通风机停止运转，煤矿巷道处于危险状态。当从站fx2nplc不工作时，报警电路会发出声光报警，此时的报警电路由主站qplc控制，报警信号采用闪烁声光报警方式。以上两种报警都能够在风机现场体现，也可以在组站组态上体现。当瓦斯浓度超标或粉尘浓度超标时，报警电路同样会发出声光报警，并通过plc控制采取相应的措施。3.1.3 系统的电路设计如图3.4为整个系统的总体拓扑图图3.4 系统的总体拓扑图3.1.4 系统部分硬件说明1传感器的选型（1）瓦斯传感器目前，矿井中常用的瓦斯传感器可分为热导式和热效式两大类。热导式瓦斯传感器是利用瓦斯与空气的导热系数不同而测量瓦斯浓度的。这种传感器在工作时需通入恒定的电流，将其加热到一定的温度，（180摄氏度左右），功耗较大，且其中的半导体热敏电阻式传感器co和水蒸气的影响较大，元件的一致性和互换性也较差。热导式瓦斯检测仪在测定低浓度的瓦斯时，输出信号很小，误差较大。因此，这类传感器制成的瓦斯检测仪适用于测量高浓度的瓦斯，目前这种传感器在矿井中应用较少。热效式瓦斯传感器（又称为热催化式瓦斯传感器），其工作原理是利用可燃气体在催化剂的作用下进行无焰燃烧，产生热量，使元件电阻因温度升高而发生变化，且不受其他燃气和灰尘存在的影响。它的缺点是元件表面温度高（300-450），寿命短（多数国家均保证一年），功耗大（其加热功率大于1w，热催化元件功耗为（0.3-0.75w），易受硫、铅、磷、氯等的化合物干扰而使催化器中毒，降低其灵敏度，甚至误报。国内外近年来研制出采用近红外激光二极管或近红外发光二极管作检测光源的瓦斯传感器。这类瓦斯传感器无论灵敏度或测量范围都达到了一个较高的水平，但近万元的制造成本很难在煤矿生产实际中得到推广应用。结合我们的研发周期情况，我们瓦斯传感器选择kgs-20型可燃气传感器。该传感器由搭载在白金线圈上的敏感材料和镶嵌其中的检测电极组成，to-39金属封装的外壳上部带有100目金属丝网。以二氧化锡为基本敏感材料的，专门用于可燃气浓度检测的一种半导体型气体传感器。它的基本特征是：极高灵敏度和极快的响应速度且功耗低。kgs-20型可燃气传感器适用于对瓦斯等可燃气浓度的检测，用于瓦斯报警器，可燃气报警器，瓦斯检测仪等。具体工作：瓦斯传感器感应瓦斯浓度，当浓度高于设定值时，瓦斯传感器向qplc发出信息，然后，qplc向报警器发出控制信号，进行报警。这样就达到了检测瓦斯浓度的目的。（2）粉尘传感器gcc-1000型粉尘浓度传感器根据mt443-1995煤矿井下环境监测用传感器通用技术条件和gb3836.4-2000标准中exurb i等级防爆设计，吸收消化了国内外先进的测尘技术，利用给暗室里的浮游粉尘照射光时,粉尘性质一定的条件下粉尘的散射光强正比于质量浓度的原理，将散射光强度转换成电信号从而计算出粉尘的相对质量浓度，通过预置k值可直接计算出粉尘的质量浓度。计算出粉尘的质量浓度通过数码管直接显示并转换成频率信号输出，供矿井监测系统或其他测控系统使用。其特点是：测量快速准确、灵敏度高、性能稳定、可预置k值、直接显示并输出粉尘质量浓度。连续监测，公共场所等环境监测，既可以与安全监测系统联网使用，也可单独作现场显示使用。具体工作：粉尘传感器感应粉尘浓度，当浓度高于设定值时，粉尘传感器向qplc发出信息，然后，qplc向报警器发出控制信号，进行报警。这样就达到了检测浓度的目的。（3）压力传感器hdp802差压变送器采用oem硅压阻式差压芯体组装而成，外壳为铝合金结构。两个压力接口为m10螺纹和旋塞结构，可直接安装在测量管道上或通过引压管连接。广泛应用于锅炉送风、井下通风等电力、煤炭行业压力过程控制领域。2除尘器（1）湿式振弦除尘器的应用在煤矿工业中，使用风机时，将大量粉尘、有毒气体等排放到周围环境中，这对人类的生活与健康带来极大的危害。鉴于这一情况，在煤矿产业中，我们必须采用除尘及排毒装置。在此项目中，针对粉尘处理，我们采用了一种工业中高效、节能、并无副产物的湿式振弦除尘器。煤矿用湿式振弦除尘器，由煤矿用防爆抽出式局部通风机与湿式振弦捕尘器组成。配装的风机可选用轴流式、离心式、混流式系列防爆型抽出式局部通风机。除尘器亦可单独连接于通风抽尘管网系统中，在风机动力作用下，对矿山、冶金、电厂、化工、建材、燃煤锅炉等行业粉尘污染进行治理。特点：体积小、重量轻、除尘效率高、结构简、维护少、工作寿命长、能耗低、用水少、应用成本低。（2）湿式振弦除尘器的工作原理含尘空气经风机动力吸（压）入除尘器，通过内部设置的振弦过滤板时，在来流方向上设置的水喷雾器向振弦过滤板上喷雾，附有水幕的纤维能使粉尘湿润增重、凝并或滞留，同时由于通过的含尘气体使纤维在气流冲击下产生振动，强化了水雾雾粒与含尘气体中粉尘的冲突，提高了对微细粉尘的捕获率，振动也提高了振弦过滤板自身纤维的自净能力。由于水喷雾器不断向振弦过滤板喷雾，经过振弦过滤板的含尘气体变成含有水雾与湿润粉尘粒子和粉尘团的混合物，部分尘粒或尘团被捕获，因水幕的加厚或其自重而随水流下降，同时自洁清洗振弦过滤板上的积尘；其余粉尘及微粒经水幕碰撞变成湿润的粉尘、尘团进入脱水装置分离，污水从排污口排出或进入循环过滤水箱重新经喷雾泵站循环使用，净化后的空气从排风口排出。（3）湿式振弦除尘器的工作方式在此设计项目中，采用先进的闭环反馈方式来控制除尘器进行工作。如下图3.6所示：fxplc除尘器粉尘传感器触摸屏粉尘传感器图3.5 除尘器的闭环系统具体工作：粉尘传感器感应除尘后气体中粉尘的浓度，当浓度高于设定值时，颗粒传感器向qplc发出信息，然后，qplc向湿式振弦除尘器发出控制信号，使其喷雾加大。这样就达到了除尘的目的。（4）技术性能参数总粉尘除尘效率：99%呼吸性粉尘除尘效率：90%98%（与滤过风速呈正相关）；设计工作阻力：1200pa液气比：（0.030.09）l/m3（处理风量）喷雾供水压力：0.3mpa工作噪声：85db(a）适用环境温度：0适用粉尘浓度范围：（024000）mg/m3(处理风量）适用粉尘种类：煤、岩、水泥、铁矿尘等亲水性粉尘。3.2 控制系统的通信3.2.1 q02hplc与fx2n系列plc的通信本节对主从站之间的通信的方式和原理进行了说明：q02hplc以cc-link现场总线作为介质与fx2nplc进行通信的，这样就存在q02hplc如何接受和发送cc-link上面的数据，另一方面fx2n系列plc如何接受和发送cc-link上面的数据。在cc-link下，我们把fx2n系列plc作为一个远程设备站，下面就两种情况进行说明。1q02hplc与cc-link的通信本小节主要概述了主站和智能设备站之间的通信：主站和智能设备站之间通过循环传送进行通信和智能设备站之间的交换信号（定位完成，定位开始等等）使用远程输入rx和远程输出ry进行通信。数字数据（定位开始数，当前进给值等）使用远程寄存器rww和远程寄存器rwr进行通信。当plc系统电源接通时，q02hplc中的网络参数传送到主站，cc-link系统自动启动，数据链接开始。智能设备站fx2n系列plc的远程输入rx自动存储（每次链接扫描时）在主站的“远程输入rx”缓冲存储器中。而存储在“远程输入rx”缓冲存储器中的输入状态存储在用自动刷新参数设置的cpu软元件中。与此同时，自动刷新参数设置的cpu软元件的开/关状态存储在“远程输出ry”缓冲存储器中。并且在每次链接扫描时智能设备站的远程输出ry根据“远程输出ry”缓冲存储器中存储的输出状态自动设定为开/关， 在链接描的时候，q02hplc与cc-link上以fx2n系列plc作为智能设备站的远程寄存器的关系。在写入远程寄存器（rww）时，用自动刷新参数设置的cpu软元件的传送数据存储在“远程寄存器rww”缓冲存储器中。而存储在“远程寄存器rww”缓冲存储器中的数据自动发送到智能设备站的远程寄存器rww中。在将信息写入远程寄存器的同时，智能设备站的远程寄存器rwr数据自动存储在主站的“远程寄存器rwr”缓冲存储器中。而存储在“远程寄存器rwr”缓冲存储器中的智能设备站的远程寄存器rwr数据存储在用自动刷新参数设置的cpu软元件中。2fx2n系列plc在cc-link的数据传输 fx2n系列plc是不具备接受和发送cc-link上的数据的功能，所以利用fx2n-32ccl模块作为接口模块将fx2n系列plc作为一块智能单元连接到cc-link上面。这样可以利用plc的内部指令from、to来对fx2nplc缓冲存储器来进行读写。并且fx2n-32ccl作为cc-link的一个远程设备站来进行连接。并且站的远程i/o点数为32个输入点和32个输出点，但是在fx2n-32ccl上面的最高16点作为系统区被cc-link系统专有占用。且站数可以在1到4站之间进行选择。fx2n-32ccl接口模块通过由16位ram存储支持的内置缓冲存储器（bfm）在fx2n系列pc与cc-link系统主站之间传送数据。缓冲存储器由写专用存储器和读专用存储器组成。编号为03分配给每一个缓冲存储器。通过to指令fx2nplc能将数据从fx2n系列plc写入写专用寄存器，然后再将数据传到主站，通过from指令能fx2n系列plc可以从专有存储器中读出有主站传来的数据。主站q02h系列plc到从站fx2n系列plc时，利用了f