基于PLC的矿井通风控制系统改造设计

本科毕业设计（论文）摘 要随着煤矿工业的发展，安全生 产已经成为其中重要的组成部分，为确保煤矿的安全生产，矿井通风成为煤矿安全生产的重要要保障。本 论文针对某煤 矿主通风机控制系统存在的问题， 设计出一种基于PLC 的矿 井主通风机组的变频控制系 统。 该系统采用西门子S7200PLC来设计矿井主通风机组自动化监控系统，以 矿井气压压力 和瓦斯浓度为主控参数，利用先 进可靠的传感器进行信号采集，再 经过变送器将现场信号变换 成统一的标准信号,送入A/D转换模块进行模数转换,然后送入PLC， PLC将检测到的数值信号与设定参数进行比较来调节通风机组电机的启/停与转速从而 实现最优控制， 实现了实时监测及远程通讯，达到了安全监控与节能目的，保证了主通 风机经济、可靠地运行。关键字：西门子 S7-200PLC，通 风机，变频器， 传感器。1PLC-based design of the mine ventilation system design transformationAbstractAlong with the coal industry development,the safety in production ready became important part.In order to guarantee the coal min the safety in production,mine ventilation is an important. safeguard to the coal mine production security.Aim at the monitoring system of the main fan in coal mine,which had some problem,one kind of the conversion control system which based on the PLC was designed.The main contents of the disquisition is to use the Simmens S7200 PLC to design fanner automation supervion system,regarding gas and gas pressure consistency as the control parameter,The use of advanced sensors and reliable signal acquisition,and then to the scene by the transmitter signal into the A/D converter digital-analog conversion module,and then into the PLC,PLC to detect the signal and the numerical values set parameters to regulate ventilation units from the motor on/off and speed in order to achieve optimal contral.adjust the rotational speed of local fan motor to realize optimum control,achieve remote detection and remote communication,safe monitor and saving energy,ensure the fan reliable operation of the economy.Keywords：S7-200PLC, Main Fan, Inverter, Sensor2目 录1 绪论 .12 系统结构和控制方案 .12.1 系统的设计功能 .12.2 系统组成 及方案 .23 通风机组部分 .33.1 KXJT 型矿用通风机结构 .33.2 KXJT 型矿用通风机技术参数 .34 系统硬件构成及各部分功能 .44.1 PLC 可编 程控制器部分 .44.1.1 PLC 概述 .44.1.2 PLC 的一般构成和基本工作原理 .44.1.3 可编程控制器的工作方式 .54.1.4 PLC 选 型及特点 .54.1.5 PLC 内部分配 .54.1.6 CPU 模块的外部连接 .64.1.7 扩展模块的外部连接 .64.2 传感器部分 .94.3 变频器部分 .104.3.1 变频器的基本构成 .104.3.2 变频器选型 .104.3.3 变频器与 PLC 的外部连接 .115 软件设计 .115.1 温度控制部分 .125.2 瓦斯浓度控制部分 .1435.3 压力控制部分 .156 结束语 .19致谢 .19参考文献 .20附 录(程序清 单) .2141 绪论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， 为此需及时调整矿井通风系统， 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，5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 230kW 为例，选用 1 台西门子 S7200 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。6图 1 硬件功能框架图3 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。3.1 KXJT型矿用通风机结构结构特征：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2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2 KXJT型矿用通风机结构3.2 KXJT型矿用通风机技术参数表1 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 4852Hz 输出频率范围 F10.0F50.0Hz7适配通风机功率 230(kW) 额定容量 70(kVA)4 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。4.1 PLC可编程控制器部分4.1.1 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。4.1.2 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3所示。图 3 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8器称为用户程序存储器。PLC 常用的存储器类型有 RAM、EPROM、 EEPROM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。4.1.3 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 4 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 4 PLC 工作过程4.1.4 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，使用方面灵活等特点。所以在规模不太大的领域是较为理想的控制设备。94.1.5 PLC内部分配CPU226I/O接口及内部寄存器分配如表3所示。表3 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 AQW04.1.6 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、 I0.0I1.4 为第1组，2M、I1.5I2.7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+、Q0.0Q0.7为第 1组， 2M、2L+、Q1.0Q1.7 为第2组组成（1L+、2L+分别为公共）。PLC 输入/输出接 线图如图5所示。4.1.7 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10输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5 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010V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020MA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6所示。112 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6 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。EM253扩展模块接线如图7所示。12图7 EM253扩展模块接线4.2 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420mA的电流信号，05V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5所示：表5 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 924 V测量范围 04%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6所示：表6 HM23Y 型压力变送器性能指标测量范围 00.5MPa220Mpa供电 1236V DC（一般为 24V）输出 420 mA 15 VPt100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13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7所示：表7 Pt100铂电阻温度传感器性能指标型号 WZPM-201测温范围 -60175热响应时间 6 秒用途 轴承测温4.3 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。4.3.1 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 8 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 8 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14控制以及完成各种保护功能等。4.3.2 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。4.3.3 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9所示。图9 PLC与变频器通信电路 图5 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15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）图10 系统的软件设计流程图5.1 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8所示。表8 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010V的模 拟量信号，则对应的数字量结果应为032000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16AL：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010V，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9所示。表 9 工程值与数量对应关系温度值（） 数字量 电压值（V）120 23652.2 7.39125 24347.8 7.6185 18782.6 5.8790 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 010V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110V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17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，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5.2 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420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18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)图 12 温度控制程序5.3 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，19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10所示。表10 压力控制内部存储器PID反 馈量（PVn） VD100 PID给定置（SPn） VD104PID输出置（Yn） VD108 PID增益（KC） VD112PID采样时间（T） VD116 PID积分时间（TI） VD120PID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110V直流电压 信号，送人 AD 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。20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。21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，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0.01.0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。22图 16 压力中断程序图17 PID运算处理程序236 结束语西门子PLC控制 变频器在煤矿矿井通风系统中的应用后，电机的电压、 电流明显下降， 电机输入功率明 显减少。由于 变频器直接控制电机，通 过调速来驱动风机工作，从而提高了风机的 传动效率，另外 变频器加减速时间可以任意设定，避免了风机全负荷启动时的大电流冲击，有利于延长设备使用寿命。此系统操作方便，控制精度高，响应速度快，使整个系 统工作平 稳。而且节电率在20%70%之间，具有巨大的节效益。致谢经过半学期的忙碌，本次毕业设计已经接近尾声，在此，我要感 谢每一个帮助过我的人。首先感谢我的 导师刘老师，刘老 师平日里工作繁多，但在我做 毕业设计的每个阶段，都给予我悉心的指导和帮助。可以说，没有刘老 师的悉心指导和帮助，我是不可能顺利完成我的毕业设计的。另外，他的治学 严谨和科学研究的精神也是我永远学习的榜样，并将积极影响我今后的学习和工作。同时我还要感谢同组的同学们，感谢大家在我遇到困难和疑惑时真诚的帮助我、支持我。借此机会，还要感谢大学四年中，我所有的任课老师，他 们在这四年间对我的教诲与帮助，我永远都不会忘记 。这次毕业论文能够最终顺 利完成，也 归功于他们的认真负责，使我能够很好的掌握专业知识，并在 论文中得以体现。最后我要感 谢我的亲人和朋友，是亲人含辛茹苦把我抚养成人，是朋友在百忙之中给我鼓励并且提供必要的论文资料。随着毕业论文写作的完成，我的大学生活也即将结束，我要感谢在我人生中最美丽的四年里出现并给予我无私帮助的所有人，我向你们致以最诚挚的谢意！感谢你们！24参考文献1刘法治PLC 在矿井通风控制系 统的应用J中 图分类 号: TP273 文献标识码: B 文章编号: 100023932 (2007) 06200882022坪岛茂彦，中村修照电动机实用技术M北京：科学出版社，20033殷洪义可编程控制器选择、 设计与维护M北京：机械工业出版社， 20024周九宁可编程控制器在矿山设备中的应用J采矿技术，2004， 4(1)：45465马宁，孔红S7-300PLC 和 MM440 变频器的原理与应用 M北京：机械工业出版社，20066许明，言自行，刘坚大型泵 机组状态监测及工况调控系统的研制J机械工程学报，2002，(7)：1451477徐国林PLC 应用技术M北京：机械工 业出版社，20078陈建明，等电气控制与 PLC 应用M北京：电子工业出版社，20069李国厚，杨青杰，余 泽通球磨机润滑站控制系统的设计J金属 矿山，2005(9)：74-7510丁纪凯，许逸舟基于 PLC 和现场总线的污水处理系统 J机电一体化，2006(1)：808311吴中立矿井通风与安全M徐州：中国矿业大学出版社，1989：13812傅贵，秦跃平，杨伟民，等矿井通风系统分析与优化M北京：机械工业出版社，1995：2313高广军，贾世胜，朱学军，等通风系统调整中常见问题及对策J山西煤炭，2002，(2)14徐鹏张双楼矿西翼通风系统调整及经济效果分析J煤矿安全，2001， (4)15石秋洁变频器应用基础M北京：机械工业出版社200316陈仕玮矿井主要用通风机在线监测监控现状及展望J煤矿安全，1999， (12)：394117李月红，吴永祥变电所监控及其网络系统的设计J工矿自动化，2005，(3)：272818廖常初. 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