PLC在矿井通风控制系统中的应用

论文题目： PLC 在矿井通风控制系统中的应用 学生姓名： 所在院系： 机电学院 所学专业： 电气工程及其自动化 导师姓名： 完成时间： 摘 要 本系统将 PLC与变频器有机地结合起来，采用以矿井气压压力和瓦斯浓度为主控参数，实现对电动机工作过程和 运转速度的有效控制，使矿井通风机通风高效、安全，达到了明显的节能效果。且 PLC控制系统具有对驱动风机的电机有过热保护、故障报警、 机械故障报警和瓦斯浓度断电等功能特点，为煤矿矿井通风系统的节能技术改造提供一条新途 径。 与常规继电 器实施的通风系统相比， PLC系统具有故障率低、可靠性高、接线简单、维护方便等诸多优点， PLC的控制功能使通风系统的自动化程度大大提高，减轻了岗位人员的劳动强度。 关键词： PLC， 变频器 ， 传感器，通风机 组 ，压力检测 The Application of the Mine Ventilation System in Controller Based on the PLC Summary The system PLC and inverter organically are combined with the pressure and the gas pressure in order to mine the concentration of controlling the parameters of the working process and operation of the motor speed control, so mine ventilation fan efficiency, safety, achieved significant energy savings. And the PLC control system on the drive fan motor with overheating protection, fault alarm, mechanical failure alarm and the concentration of power and other features of gas for coal mine ventilation system to provide a new way to energy transformation. Here to enter the need to translate words and general relay in the implementation of the ventilation system, the system has the plc failure rate low and high reliability, the simple, easy and with the advantage of the plc, the control function of the ventilation system of automation is greatly increased, the posts of staff labour intensity. Keywords: PLC, Inverter, Sensors, Ventilation units, Pressure testing 目 录 1 引言 . 1 2 系统结构和控制方案 . 1 2.1 系统的设计功能 . 1 2.2 系统组成及方案 . 2 3 系统硬件构成及各部分功能 . 3 3.1 PLC 可编程控制器部分 . 3 3.1.1 PLC 概述 . 3 3.1.2 PLC 的一般构成和基本工作原理 . 3 3.1.3 可编程控制器的工作方式 . 4 3.1.4 PLC 选型及特点 . 4 3.1.5 PLC 内部分配 . 5 3.1.6 CPU 模块的外部连接 . 5 3.1.7 扩展模块的外部连接 . 5 3.2 传感器部分 . 8 3.3 变频器部分 . 9 3.3.1 变频器的基本构成 . 9 3.3.2 变频器选型 . 10 3.3.3 变频器与 PLC 的外部连接 . 10 3.4 通风机组部分 . 10 3.41 KXJT 型矿用通风机结构 . 10 3.42 KXJT 型矿用通风机技术参数 . 11 4 软件设计 . 11 4.1 温度控制部分 . 12 4.2 瓦斯浓度控制部分 . 14 4.3 压力控制部分 . 15 5 结束语 . 19 致谢 . 19 参考文献 . 19 附录 (程序清单 ) . 21 1 1 引言 煤矿矿井通风系统是煤矿矿井安全生产的重要组成部分，合理，稳定，可靠的矿井通风系统是保证矿井安全生产的基础，矿井随着深度的增加，开采强度的增大，综合机械化程度的提高，瓦斯压力，瓦斯含量和瓦斯涌出量越来越大，使得矿井通风线路长，通风阻力大，同时矿井和采区所需风量也大幅度增加，为此需及时 改进矿 井通风系统，对已不 能满足矿井安全生产需要和矿井通风能力要求的通风系统进行技术改造。 针对这一系列问题，本系统将 PLC与变频器有机地结合起来，采用 以矿井气压压力 和瓦斯浓度 为主 控参数，实现对电动机工作过程和运转速度的有效控制，使矿井通风机通风高效、安全，达到了明显的节能效果。且 PLC控制系统具有对驱动风机的电机 有 过热保护、故障报警、机械故障报警和瓦斯浓度断电等功能特点，为煤矿矿井通风系统的节能技术改造提供一条新途径。 2 系统结构和控制方案 2.1 系统的设计功能 本控制系统采用 通风机组的启动、互锁和过热保护等功能。与常规继电器实施的通风系统相比， PLC系统具有故障率低、可靠性高、接线简单、维护方便等诸多优点， PLC的控制功能使通风系统的自动化程度大大提高，减轻了岗位人员的劳动强 度。 PLC和变频器与空气压力变送器配合使用，使系统控制的安全性、可靠性大大提高，也使通风机运行的故障率大大降低，不仅节约了电能，而且还提高了设备的运转率。为满足矿井通风系统自动控制的要求，系统的具体设计要求如下： （ 1）本系统采用手动自动两种工作模式，具有状态显示以及故障报警等功能。 （ 2）模拟量压力输入经 PID运算，输出模拟量控制变频器。 （ 3）在自动方式下，当井下压力低于设定压力下限时，两组风机将同时投入工作运行，同时并发出指示和报警信号。 （ 4）模拟量瓦斯输入，当矿井瓦斯浓度大于设定报警上限时，发出 指示和报警。当瓦斯浓度大于设定断电上限时， PLC将切断工作面和风机组电源，防止瓦斯爆炸。 （ 5）运用温度传感器测定风机组定子温度或轴承温度，当定子温度或轴承温度超过设定报警上线时，发出指示和报警信号。当定子温度或轴承温度超过设定风机组转换温度界线时， PLC将切断指示和报警信号并自动切断当前运行风机组，在自动方式下并能自动接入另一台风机组运行，若在手动方式下，工 2 作人员 手动切换。 （ 6）手动方式下，有防止风机组频繁启动功能。由于定子温度或轴承温度过高，若当前风机组停止运行后，当其温度下降到设定下限时该风机组不能 连续二次启动，只有接入另一台风机组进行工作，即防止温度在临界线状态而频繁启动。 2.2 系统组成及方案 通风控制系统主要由系统主要由通风机组，可编程控制器 (PLC)、空气压力变送器，变频器、瓦斯浓度传感器、温度传感器，接触器、中间继电器、热继电器、矿用防爆型磁力起动器、断路器等系统保护电器等组成。通风机组由 2台通风机组成，每台通风机有 2 台电机，每台电机驱动 1 组扇片， 2 组扇片是对旋的， 1 组用于吸风， 1 组为增加风速，对井下进行供风。根据井下用风量的不同，采用不同型号的风机。本设计以风机组 2 30kW 为例，选用 1 台西门子S7 200 可编程控制器 (PLC)，空气压力变送器等组成一个完整的闭环控制系统1。瓦斯传感器、温度传感器、实现对电机和 PLC 的有效保护，以及对电机 的切换控制。其硬件功能框架图如图 1 所示 。 图 1 硬件功能框架图 控制回路 气压给定 瓦斯浓度 给定定 显示部分 报警部分 P L C 控 制 器 开关信号 EM231 扩展模块 1#定子温度传感器 1#轴承温度传感器 EM235 扩展模块 变频器 1 变频器 2 2#定子温度传感器 2#轴承温度传感器 空气压力传感器 瓦斯浓度传感器 矿井 2# 1# 通风机组 3 3 系统硬件构成及各部分功能 本控制系统有可编程控制器（ PLC）、 A/D转换模块、 D/A转换模块、变频器、传感器部分、通风机和电控回路组成。 3.1 PLC可编程控制器部分 3.1.1 PLC概述 国际电工委员会 (IEC)对 PLC 的 定义是可编程逻辑控制器是一种数字运算操作的电子系统，是用来取代用于电机控制的顺序继电器电路的一种器件，专为在工业环境下应用而设计。它采用一种可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制，定时、计 数和算术操作等面向用户的指令， 并通过数字式或模拟式输入输出 来 控制各种类型的机械或生产过程 。 3.1.2 PLC的一般构成和基本工作原理 PLC是以微处理器为核心的一种特殊的工业用计算机，其结构与一般的计算机相类似，由中央处理单元（ CPU）、存储器（ RAM、 ROM、 EPROM、 EEPROM等）、输入接口、 输出接口、 I/O扩展接口、外部设备接口以及电源等组成。 结构如图 2所 示 。 图 2 PLC 的一般构成 (1)中央处理单元 (CPU) 中央处理单元 (CPU)中央处理单元是 PLC 的控制中枢，它按照 PLC 系统程序赋予的功能接收、存储从编程器键入的用户程序和数据 ； 检查电源、存储器、I/O 和警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。 (2)存储器 存储器存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。 PLC 常用的存储器类型有 RAM、 EPROM、 EEPROM 4 等。 (3)电源 PLC 的电源在整个系统中起着十分重要的作用 ， 一般交流电压波动在(10%)范围内，可以不采取其它措施而将 PLC 直接连接到交流电网上去。 PLC通常使用 220V 的交流电源，内部的开关电源为 PLC 的中央处理器、存储器等电路提供 +5V、 +12V、 +24V 的直流电源，使 PLC 能正常工作。 (4)I/O 接口 输入、输出接口电路是 PLC 与现场 I/O 设备相连接的部件。它的作用是将输入信号转换为 PLC 能够接收和处理的信号，将 CPU 送来的弱电信号转换为外部设备所需要的强电信号。 3.1.3 可编程控制器的工作方式 PLC 的 CPU 则采 用顺序逻辑扫描用户程序的运行方式，即如果一个输出线圈或逻辑线圈被接通或断开，该线圈的所有触点，不会立即动作，必须等扫描到该触点时才会动作。 PLC 采用了一种不同于一般微型计算机的运行方式 循环扫描技术。循环扫描技术是指，当 PLC 投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，如图 3 所示，即输入采样、用户程序执行和输出刷新。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间， PLC 的 CPU 以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。 图 3 PLC 工作过程 3.1.4 PLC选型 及特点 根据系统的应用领域、采集数据的类型和大小、 I/O 点数、以及设置数据需要得内存大小，本系统选用 西门子 公司 S7-200 系列 CPU 为 226 型号 的 PLC3。该系列可以单机运行，容易地组成 PLC 网络，同时具有功能齐全的 编程和工业控制组态软件，具有可靠性高，运行速度快的特性，使用方便 灵活等特点。所以在规模不太大的领域是较为理想的控制设备。 第 N-1 扫描个周期 输出刷新 第 N 扫描个周期 第 N+1 扫描个周期 用户执行程序 输入采样 输入采样 输出刷新 5 3.1.5 PLC内部分配 CPU226I/O接口及内部寄存器分配如表 1所示。 表 1 I/O接口分配表 输入 输出 风机启动 SB1 I0.0 风机组 1 输出 KM1 Q0.0 风机停止 SB2 I0.1 风机组 2 输出 KM2 Q0.1 手动自动转换 SB3 I0.2 工频输出 KM3 Q0.2 风机组选择 SB4 I0.3 压力下限指示灯 L1 Q0.4 变频工频转换 SB5 I0.4 风机组 1 运行指示灯 L2 Q0.5 报警解除按钮 SB6 I0.5 风机组 2 运行指示灯 L3 Q0.6 风机组 1 转子测速器输入 SB7 I0.6 风机组 1 温度上限指示灯 L4 Q0.7 风机组 2 转子测速器输入 SB8 I0.7 风机组 2 温度上限指示灯 L5 Q1.0 急停 SB9 I1.0 蜂鸣器 1 Q1.1 压力传感器输入 AIW0 急停指示灯 L6 Q1.2 瓦斯浓度传感器输入 AIW2 风机组 1 机械故障指示灯 L7 Q1.4 风机组 1 轴温度传感器输入 AIW4 风机组 2 机械故障指示灯 L8 Q1.5 风机组 1 定温度传感器输入 AIW6 手动自动指示灯 L9 Q1.6 风机组 2 轴温度传感器输入 AIW8 瓦斯上限指示灯 L10 Q1.7 风机组 2 定温度传感器输入 AIW10 压力模拟量输出 L11 AQW0 3.1.6 CPU模块的 外部 连接 CPU226接线规则： （ 1） 输入端接线： DC24V电源的正极接输入开关，连接到 CPU226各个输入端；负极接公共端 1M， 2M；一般规定 DC输入端中 1M、 I0.0 I1.4为第 1组， 2M、I1.5 I2.7为第 2组组成（ 1M、 2M分别为各级公共端）。 （ 2）输出端接线： DC24V电源的正极接 1L+端；负极接 1M端，输出负载的一端接到 1M端，另一端接到 CPU226各输出端；一般规定 DC输出端中 1M、 1L+、Q0.0 Q0.7为第 1组， 2M、 2L+、 Q1.0 Q1.7为第 2组组成（ 1L+、 2L+分别为公共） 。 PLC输 入 /输出接线图如图 4所示。 3.1.7 扩展模块的外部连接 模数转换模块分为 A/D转换模块和 D/A转换模块。 PLC模拟量处理功能主要通过模拟量输入输出模块及用户程序来完成。模拟量输入模块接受各种传感器输 6 出的标准电压信号或电流信号，并将其转换为数字信号存储到 PLC中。通过用户程序对转换后的信息进行处理并将处理结果通过模拟量输出模块转换为 PLC能识别的数字信号。本系统设计有 6路模拟量输入和 1路模拟量输出组成： 6路模拟量输入包括 4路温度传感器输入和 1路瓦斯传感器输入及 1路压力传感器输入； 1路模拟 量输出是与变频器的 连接的压力输出。 图 4 PLC输入 /输出接线图 本设计选用一块 EM231热电偶模拟量输入模块，来完成 4路温度传感器的模数字量转换功能；一块 EM235模拟量 输入 输出模块，该模块完成瓦斯传感器和压力传感器的模数转换和 1路变频器的数模转换功能。扩展模块接线规则： 1 模拟量输入接线方法（如 EM231温度测量输入扩展模块） 输入接线分为 4组，每组占用 3个连接端，分别为 RN， N+， N-（ N分别为 A，B， C， D四区），可以连接模拟电压与电流的输入。 （ 1） 模拟电压接线 ： N+， N-用于连接电压模拟量的“ +“” -“端， 输入电压可以是 0 10V单极性或 -5 +5V， -2.5 +2.5V的双极性信号， RN端不连接。 （ 2） 模拟电流接线： RN需与 N+并联，连接传感器的电流输入端； N-用于连接电流输入的“ -“端，输入电流为 0 20MA的直流电流。注意：为了防止干扰输入，对于为使用的输入端，需要将 N+， N-短接，模块需要外部 DC24直流电源，直流电源从 L+， M端输入。扩展输入模块接线如图 5所示。 7 2 模拟量输出接线方法：（以 EM235输入 /输出混合扩展模块为例） 输出连接分 2组，每组占用 3个连接端，分别 V0/I0/M0与 V1/I1/M1，可以连接模拟电压与电流输出。 图 5 EM231扩展模块接线 (1) 输出为模拟电压时： V0/M0（ V1/M1）用于连接电压模拟量输出的“ +”“ -”端，输出电压范围为 -10V-+10V， I0（ I1）不连接。 (2) 输出为模拟电流时： I0/M0（ I1/M1）用于连接电流模拟量输出的“ +”“ -”端，输出电流为 0-20MA的直流电流 V0（ V1） 不连接。注意：模块需要外部提供DC24V直流电源，从 L+， M端输入。 EM235扩展模块接线如图 6所示 。 图 6 EM235扩展模块接线 8 3.2 传感器部分 该 控制系统中存在大量的模拟量信号，这些信号的输入都要通过传感器进行模拟量采集，将采集的模拟量信号送入 PLC输入模块进行模数转换，将连续的变化量（大部分为 4 20mA的电流信号， 0 5V或 0 10V的电压信号）转换离散的数字量，存储到 PLC内存里；输出是由模拟量输出模块将我们要输出的存储在内存中的数字离散信号转换为电压信号或者电流信号。 本系统模拟量传感器选用有 KGJ16B型瓦斯传感器用于检测煤矿井下空气中的瓦斯含量， HM23Y矿井专用型压力变送器用于检测矿井的井巷气压， Pt100铂 热电阻作为测量温度用的传感 器用于检测风机组轴承和定子温度。要想正确的使用它们，首先了解各个传感器的性能指标。 KGJ16B型瓦斯浓度传感器用于检测矿井下空气中的瓦斯含量，具有多种标准信号制式输出，联检后能与煤矿安全检测系统，风电瓦斯闭锁装置及瓦斯断电仪器配套使用。该传感器是一种智能型检测仪表，具有稳定可靠，使用方面等特点。性能指标 如表 2所示 ： 表 2 KGJ16B型瓦斯浓度传感器性能指标 防爆型式 矿用隔爆兼本质安全型 工作电压 DC 9 24 V 测量范围 0 4%CH 工作电流 DC18V 不大于 65 mA 报警方式 红色灯光 闪烁蜂鸣器断续鸣叫，响度大于 80dB HM23Y型压力变送器采用欧洲先进的溅射薄膜压力传感器作为敏感元件，和电子线路做成一体化结构该型号压力变送器为全不锈钢圆柱型结构，使用方便。特别适用 于井田测井、制药、纺织等粘稠宜堵、强振动的工业现场。并在国内矿井 得到很好的应用效果。该压力变送器有高温、高压、高精度、高稳定性、抗振动、冲击、耐腐蚀全不锈钢结构、体积小、重量轻直接过程安装等特点。 性能指标 如表 3所示 ： 表 3 HM23Y型压力变送器性能指标 测量范围 0 0.5MPa 220Mpa 供电 12 36V DC（一般为 24V） 输出 4 20 mA 1 5 V Pt100铂电阻温度传感器是利用金属铂在温度变化时自身电阻值也随之改变的特性来测量温度的，能够准确的测出轴承或定子的温度并将它们传给 PLC模数转换电路。当被测介质中存在温度梯度时，所测得的温度是感温元件所在范围内介质层中的平均温度。这样型号传感器特点：耐振动、可靠性高，同时具有精确灵敏、稳定性好、产品寿命长和安装方便等优点 4。性能指标 表 4所示 ： 9 表 4 Pt100铂电阻温度传感器性能指标 型号 WZPM-201 测温范围 -60 175 热响应时间 6 秒 用途 轴承测温 3.3 变频器部分 本系统选用的是西门子全新一代标准变频器 MicroMaster440功能强大，应用广泛。它采用高性能的矢量控制技术，提供低速高转矩输出和良好的动态特性，同时具备超强的过载能力，以满足广泛的应用场合。 3.3.1 变频器的基本构成 变频器分为交 -交和交 -直 -交两种形式。变频器的基本构成如图 7 所示，由主电路 (包括整流器、 平滑回路 、逆变器 )和控制电路组成，分述如下： 图 7 变频器的基本构 成 （ 1） 整流器 ： 电网侧的变流器 I 是整流器，它的作用是把三相（也可以是单相 )交流电整流成直流电。 （ 2） 逆变器 ： 负载侧的变流器 II 为逆变器。最常见的结构形式是利用六个半导体主开关器件组成的三相桥式逆变电路。有规律地控制逆变器中主开关器件的通与断，可以得到任意频率的三相交流电输出。 （ 3） 平滑回路 ： 由于逆变器的负载为异步电动机，属于感性负载。无论电动机处于电动或发电制动状态，其功率因数总不会为 1。因此，在 平滑回路 和电动机之间总台有无功功率的交换。这种无功能量要靠 平滑回路 的储能 元件 (电容器或电抗器 )来缓冲。 （ 4） 控制电路 ： 控制电路常由运算电路、检测电路、控制信号的输入、输出电路和驱动电路等构成。其主要任务是完成对逆变器的开关控制、对整流器的电压控制以及完成各种保护功能等 。 整流器 平滑电路 逆变器 控 制 回 路 M E 电源 异步电动机 电压 /电流频率 10 3.3.2 变频器选型 变频器的选用应满足以下规则，变频器的容量应大于负载所需的输出；变频器的容量不低于电机的容量；变频器的电流大于电机的电流。由于本设计以风机组 2 30kW为例，因此可选用 37kW，额定电流 75A的变频器。考虑到改进设计方 案的可行性，调速系统的稳定性及性价比 .本系统选用的是西门子 MM440，237kw，额定电流为 75A 的通用变频器 5。该变频器采用高性能矢量控制技术，提供低速高转矩输出和良好的动态特性，同时具备超强的过载能力，可以控制电机从静止到平滑起动期间提供 3S，有 200 的过载能力 。 3.3.3 变频器与 PLC的外部连接 本次设计采用西门子与 37k电机配套的制动电阻的阻值和对转速调整的要求，系统用模拟量输入作为附加给定，与固定频率设定相叠加以满足不同要求。PLC与 变频器的外部连接 如图 8所示 。 图 8 PLC与变频器通信电路图 3.4 通风机组部分 本系统选用 KXJT 型矿用通风机 ，主要适用于煤矿井下局部通风机正常通风及排放瓦斯两种生产 过程全自动化控制。由变频调速器、自动控制系统组成。外接瓦斯浓度传感器、断电仪和通风机，实现了按设定瓦斯浓度值，自动调节通风机转速，达到按需定量通风的目的。同时实现在瓦斯积聚后，安全、有效、快速地排放瓦斯，防止“一风吹”，实现了对瓦斯浓度最大效率的安全排放。为煤矿的安全生产需要提供一种一机多用、高效节能的自动化控制装备。 3.41 KXJT型矿用通风机结构 11 结构特征：本型产品具有结构紧凑、噪声小、风压高、风量大、效率高等特点，其结构紧凑方便运输和安装。对 旋局部通风机与普通轴流通风机相比，在产生同样的风量和风压，使用对旋局部通风机可减少通风机数量或增加通风距离，亦可在根据不同的通风要求，采用分级使用以节省能源。 结构主要由隔爆箱体、散热器、人机操作界面、进出线接线腔、变频控制系统、 PCD1控制系统、瓦斯信号采集、转换及处理等单元组成 2。 结构 如图 9所示。 1：隔爆箱体 2：进出线接线腔 3： PCD1 控制系统 4：变频控制系统 5：瓦斯信号采集，转换，处理单元 7：散热器 图 9 KXJT型矿用通风机结构 3.42 KXJT型矿用通风机技术参数 表 5 KXJT型矿用通风机技术参数 电源输入电压 660 V AC 输出电压 18V/360mA DC 输入频率 48 52Hz 输出频率范围 F10.0 F50.0Hz 适配通风机功率 2 30(kW) 额定容量 70(kVA) 4 软 件设计 本控制系 统的软件设计是分四部分实现的，主要包括手动自动控制部分、温度转换控制部分、瓦斯浓度控制部分和压力 PID控制部分。 流程图如图 10所示 。 由系统流程图可以看出本控制系统的软件设计是由六部分来实现的，主要包括手动 /自动控制部分、温度转换控制部分、瓦斯浓度控制部分、 压力 PID控制部分、 PLC与变频器通信和机械故障处理部分。（其中手动和自动控制部分是在温度、瓦斯和压力控制中使用的） 12 图 10 系统的软件设计流程图 4.1 温度控制部分 本设计的风机组设有轴承温度和定子温度过热保护。综合所选用的风机组自身特性和国家规定标准，设置了风机组轴承温度和定子温度报警温度和跳闸温度 ： 轴承温度保护设置 85为报警温度， 90为跳闸温度。定子温度保护设置120为报警温度， 125为跳闸温度。 温度控制部分用到的内部存储器如表 6所 示。 表 6 温度控制内部存储器 风机组 1轴承温度 VD180 风机组 1定子温度 VD184 风机组 2轴承温度 VD188 风机组 2定子温度 VD192 风机组 1轴温报警位 M20.0 风机组 1轴温断电切换位 M20.1 风机组 1定温报警位 M20.2 风机组 1定温断电切换位 M20.3 风机组 2轴温报警位 M20.4 风机组 2轴温断电切换位 M20.5 风机组 2定温报警位 M20.6 风机组 2定温断电切换位 M20.7 由于 PLC所能识别的是数字量信号，所以要对传感器采集的电压或电流信号的输入信 号进行转换。若输入电压范围为 0 10V的模拟量信号，则对应的数字量结果应为 0 32000或需要的数字。 模拟量和数字量的转换公式为： (y-AL)/(AH-AL)=(X-0)/(65535-0) （ 1） Y： 转换过后的工程值 AH： 工程值的上限 AL：工程值的下限 X：工程转换后的数字量值 若数据格式为单极性，模拟量信号的类型为电压信号，满量程为 0 10V，手动控制 温度状态采集 瓦斯浓度采集 PLC 主程序 通电初始化 数据转换 数据转换 自动控制 压力中断 数据转换 PID 转换 压力浓度采集 结束 13 那么根据公式（ 1）可得 轴承温度和定子温度报警温 度和跳闸温度所对应的数量和电压的关系：如 表 7所示。 表 8 工程值与数量对应关系 温度值（ ） 数字量 电压值（ V） 120 23652.2 7.39 125 24347.8 7.61 85 18782.6 5.87 90 19478.3 6.09 本系统有自动 /手动两种控制方式。在自动状态下，根据风机选择按钮 选择风机组运行工作。在没有出现异常的情况下，风机组 1 和风机组 2 根据需要所设定的时间交替运行工作。主程序每次扫描都要调用温度子程序 ， 调用子程序后首先对程序中反复用到的累加器 AC0 清零。若运行的是 风机组 1，那么风机组 1 运行后其定子温度和轴承就会上升，温度传感器将其连续变化的温度转换为 0 10V 的电压送入 A/D 转换模块 EM231，由 EM231 将连续的电压信号转换为 PLC 能识别的离散数字量，并将其存入 AIW4 和 AIW6。为了提高运算精度，将 AIW4 和 AIW6 存储的数据转换为实数进行处理，分别存储到 VD180 和VD184 中。温度控制子程序图如图 11 所示。 自动方式下，存储到 VD180和 VD184中的数据与设定的报警温度上线进行比较，当轴承温度 VD180或定子温度 VD184的值过高超出设定置上线时， M20.0或M20.2闭合，指示灯 Q0.7闭合，蜂鸣器 Q1.1也闭合，系统发出报警并有指示灯指示。若温度继续上升，当其温度超过风机组转换温度上线时， M20.1或 M20.3闭合， PLC将自动将风机组 1的电源切断，并将风机组 2接入运行。此时，若风机组选择按扭仍选风机组 1，系统将发出指示并报警，只有工作人员将其按钮拨到风机组 2才能解除报警和指示。同理，当风机组 2的轴承温度或定子温度超出设定的报警温度或风机切换温度时，将出现同上情况。其控制程序如图 12所示 。 在手动方式下，若风机组选择按扭拨到风机组 1，按下启动按钮后风机组 1将投入运行。风机组 1的轴承温度和定子温度经温度传感器将连续变化的温度转换为 1 10V的电压，然后送入 EM231模拟量输入模块，通过内部的采样，滤波，转换为 PLC能识别的二进制信号。当风机组 1的轴承温度或定子温度超出设定的报警温度或风机切换温度时，风机组将报警并指示。当其温度超过一切风机组的温度时， PLC将切断风机 1的控制回路，风机组 1停止工作，同时发出指示和报警。此时，当风机组 1的轴承温度或定子温度降低，即便再次低于设定的报警温度或风机切换温度时，风机组 1也不能再次启动，只有工作人员将风机组选择按扭拨向风 机组 2时，风机组 2投入运行工作，同时并切断风机组 1的指示和报警。同理， 14 若风机组 2的轴承温度或定子温度超限时，处理方式同上。 图 11 温度控制子程序 4.2 瓦斯浓度控制部分 瓦斯浓度控制部分和温度控制部分原理相似，瓦斯浓度传感器将连续变化的瓦斯浓度信号转换为 4 20毫安的电流，然后经 A/D转换模块 EM235，通过其内部的采样、滤波，转换为 PLC能识别的二进制信号存储到 VD196中。在风机运行过程中若矿井工作面的瓦斯浓度大于设定的报警瓦斯浓度上线时， M0.1闭合，Q1.1也闭合，系统将发出指示并报警。以警 示工作人员工作面瓦斯涌出量已有安全隐患，做好排放瓦斯的准备。若井巷工作面瓦斯浓度继续增大，当 VD196的存储值大于设定的断电瓦斯浓度上线时， M0.2闭合， PLC将发出切断电源的指令，将 PLC所有输出和内部位复位，并切断风机电源各井巷工作面的电源，防止有明火引起与其爆炸。同时并发出报警。抽放瓦斯后，当瓦斯浓度 VD196的存储值再次下降到小于断电瓦斯浓度上线时，风机组并不能重新运行工作。只有当瓦斯浓度 VD196的存储值下降到小于瓦斯浓度报警上线时， PLC才恢复风机组再次启动并将风机组运行工作。 (见附录 程序 25、 26) 15 图 12 温度控制程序 4.3 压力控制部分 压力是本控制系统的主控参数，在压力数据处理过程中运用到 PID算法。所谓的 PID就是比例、积分、微分的总称。其结构如图 13所示。 图 13 压力控制部分 PID运算中的积分作用可以消除系统的静态误差，提高精度，加强对系统参数变化的能力，而本身作用可以克服惯性滞后，提高抗干扰能力和系统的稳定性， 可改善系统动态响应速度。因此，对于速度、位置等快过程扩散温度、化工合成等慢过程， PID控制都具有良好的实际 效果。 在系统稳态运行时， PID控制器的作用就是通过调节其输出使偏差为零。偏PID 变频调速系统 压力反馈量 PV 偏差 e PID 输出 Y 过程变量 + 压力 给定量 SP 16 差由定量（ SP，希望值）与过程变量（ PV，实际值）之差来确定。系统 PID调节的微分方程式由比例项、积分项和微分项组成。 压力控制部分用到的内部存储器如表 8所示 。 表 8 压力控制内部存储器 PID反馈量（ PVn） VD100 PID给定置（ SPn） VD104 PID输出置（ Yn） VD108 PID增益（ KC） VD112 PID采样时间（ T） VD116 PID积分时间（ TI） VD120 PID微分时间（ TD） VD124 模拟输入压力值存储 VD128 压力下限存储 VD132 压力下限位 M2.0 在自动方式下，利用远程空气压力传感器检测矿井内的气压信号，用变送器将现场的模拟压力信号变换成统一的 1 10V直流电压信号，送人 A D转换模块进行模数转换，转变为 PLC内部能识别的二进制信号。压力参数的设置与矿井的深度、巷道的截面等诸多因素有关，所以本设计利用触摸屏进行 PID参数设置。其设置调用了压力子程序见附图 1。 PID参数设置好后要分别对压力设定值、增益值、采样值、积分时间和微分时间进行填表。程序图如图 14所示 。 ENINE N 0OUTM O V _ RV D 5 0ENINE N 0OUTM O V _ RV D 5 4ENINE N 0OUTM O V _ RV D 5 8ENINE N 0OUTM O V _ RV D 6 2ENINE N 0OUTM O V _ RV D 6 6S M 0 .0P I D 给定值 ( S P n )P I D 增益 ( K C )P I D 采样时间 ( T )P I D 积分时间 ( T )P I D 微分时间 ( T )图 14 PID参数设置 本系统的压力控制是用 SMB34定时设定的时间周期进行中断处理的，利用 17 SMB34固定的时间间隔作为采样周期，对模拟量 AIW0输入进行采样，然后通过A/D转换模块进行模数转换。中断子程序如图 15所示。 S M 0 .0ENINE N 0OUTM O V _ B1 0 0 S M B 3 4ENINE N 0E V N TI N T _ 010A T C H（ E N I）图 15 压力中断子程序 压力中断程序分两部分进行处理数据，一部分将转换后的数据存储到 VD128中与设定的压力值进行比较处理。假设矿井内的气压在一个大气压或在设定的某个大气压力数值以上， PLC通过控制变频器，工作通风机与备用通风机循环工作，由矿井的气压参数通过 PLC运算去控制变频器来达到风 机的转速的控制；当出现 突发事故，或矿井内的气压低于设定的某个气压参数时， VD128的压力值与工频压力值 VD136进行比较，若 VD128小于或等于 VD136的值，则当前运行通风机将由变频转到工频运行， 所谓工频运行， 就是工业上的交流电源的频率，在此频率下通风机达到额定功率，也即在最大负荷下工作，我国的标准工频定为 50HZ。所谓变频，就是改变供电频率，变频的核心技术是变频器，它通过对供电频率的转换来实现电动机运转速度率的自动调节，把 50HZ的电网频率改为 30 130HZ的 变化频率 ，同时还是电源电压适用范围达到 142 270V解决了由于电网电压的不稳定而影响电器工作的难题 。 此时如果仍满足不了通风的需要时，工作通风机与备用通风机不再循环工作，并自动切换为同时工作，另外，接入的备用通风机根据矿井的气压参数进行变频运行，加大对矿井内的通风量，直至矿井内的气压生至设定的大气压力数值以上，工作通风机与备用通风机恢复循环工作。压力中断程序如图 16所示 。 另一部分直接送到 AC0中进行 PID运算，因参与 PID运算的过程量要求均为实数格式，且要求转换为无量纲的 0.0 1.0之间的标准数，所以要对实际工程值进行标准化处理。处理过的标准 化值经 PID运算后再转换为实际工程值进行输出，送到 QW0中去控制变频器。其控制程序如图 17所示。 18 S M 0 .0ENINE N 0OUTW X O R _ D WA C 0A C 0ENINE N 0OUTM O V _ WENINE N 0OUTD I _ RENINE N 0OUTM O V _ RENINE N 0OUTD I V _ RENINE N 0OUTM O V _ RI N 12A C 03 2 0 0 0 .0I N 12A C 0A C 0A C 0A C 0A I W 0A C 0A C 0V D 1 2 8A C 0V D 1 0 0图 16 压力中断程序 S M 0. 0ENINE N 0OUTT R U N CENINE N 0OUTM O V _ WENINE N 0OUTM U L _RA C 03 20 0 0 .0A C 0I N 12V D 10 8ENT B LE N 0L O O PV B 10 0A C 0A C 0A Q W 0P I D0图 17 PID运算处理