基于PLC的煤矿矿井新型通风控制系统设计和应用

1、1 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，煤矿矿井通风系统能否正常工作与矿井内工作环境条件、生产效率、安全生产密切相关。随着我国政府对各行各业安全生产监管力度的不断加强，尤其对煤矿安全生产的要求越来越高，对煤矿矿井通风系统进行技术改造，提高其运行稳定性、可靠性、节能降耗等势在必行。目前在煤矿矿井通风系统中，大多仍采用继电接触器控制系统，但这种控制系统存在着体积大、机械触点多、接线复杂、可靠性低、排除故障困难等很多的缺陷；且因工作通风机一直高速运行，备用通风机停止，不能轮休工作，易使工作通风机产生故障，降低使用寿命。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

2、井气压压力为主控参数，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。PLC控制系统具有对驱动风机的电机过热保护、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具有通风机组的启动、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

3、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）本系统提供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

4、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，工作人员手动切换。（6）为防止通风机的疲劳运行，在任何状态下，风机在累计运行设定时间后都会自动切换至另一台风机组运行。（7）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。（8）有风机组机械卡死指示报警功能。2.2 系统结构及方案通风控制系统主要由2台通风机组成，每台

5、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2x30kW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。其中还包括瓦斯传感器、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，实现对电机和PLC的有效保护，以及对电机的切换控制。3 系统硬件构成及各部分功能2#轴承温度传感器瓦斯浓度传感器开关信号W可编程控制器变频器声光报警控制回路图1硬件系统功能块框架图本控制系统有可编程控制器（PLC）A/D转

6、换模块、D/A转换模块、变频器、传感器部分、监控对象和电控回路组成。其硬件功能框架图如图1所示。3.1 PLC可编程控制器部分3.1.1 PLC概述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。CPU单元由微处理器、系统程序存储器、用户程序存储器以及工作数据存储器等组成，它是PLC的核心部件，是由大规模或超大规模的集成电路微处理芯片构成，主要完成运算和控制任务，可以接收并存储从编程器输入的用户程序和数据。进入运行状态后，用扫

7、描的方式接收输入装置的状态或数据，从内存逐条读取用户程序，通过解释后按指令的规定产生控制信号。分时、分渠道地执行数据的存取、传送、比较和变换等处理过程，完成用户程序所设计的逻辑或算术运算任务，并根据运算结果控制输出设备。存储器单元按照物理性能分为两类，随机存储器（RAM）和只读存储器（ROM）随机存储器由一系列寄存器阵组成，每位寄存器可以代表一个二进制数，在刚开始工作时，它的状态是随机的，只有经过置“1”或清“0”的操作后，它的状态才确定。若关断电源，状态丢失。这种存储器可以进行读、写操作，主要用来存储输入输出状态和计数器、定时器以及系统组态的参数。为防止断电后数据丢失，可采用后备电池进行数据

8、保护，一般可以保存5年，当电池电压降低时，欠电压指示灯发光，提醒用户更换电池。只读存储器在两种，一种是不可擦除ROM，这种ROM只能写入一次，不能改写。另一种是可擦除ROM，这种ROM经过擦除以抂这可以重写。其中EPROM只能用紫外线探险内部信息，E2PROM可以用电擦除内部信息，这两种存储器的信息可以保留10年左右。输入输出单元由输入模块、输出模块和功能模块构成，是PLC与现场输入输出设备或其他外部设备之间的连接部件。PLC通过输入模块把工业设备或生产过程的状态或信息读入中央处理单元，通过用户程序的运算与操作，把结果通过输出模块输出给执行单元。输出模块用于把用户程序的逻辑运算结果输出到PLC

9、外部，输出模块具有隔离PLC内部电路和外部执行单元的作用，还具有功率放大的作用。输出模块有晶体管输出模块、晶闸管输出模块和继电器输出模块。接口单元包括扩展接口、编程器接口、存储器接口和通信接口。扩展接口是用于扩展输入输出单元。它使PLC的控制规模配置得更加灵活。这种接口为总线形式，可以配置开关量的I/O单元，也可以配置如模拟量、高速计数等特殊I/O单元及通信适配器等。编程器接口是连接编程器的，PLC本体通常是不带编程器的。为了能对表1CPU226技术指标程序存储器4096字用户存储器2560字存储器类型EEPROM存储卡EEPROM数据后备（超级电容）190h编程语言LAD、FBD和STL程序

10、组织1个组织块（可以包含子程序和中断程序）本机I/O24点输入/16点输出扩展模块数量7个模块数字量I/O映像区256点（128点输入/128点输出）数字量I/O物理区248点（128点输入/240点输出）模拟量I/O映像区32路畭32路输出模拟量I/O物理区35路（28路畭7路输出）或14路输出布尔指令执行速度0.37ps/指令计数器/定时器256/256个顺序控制继电器256个基本运算指令11项增强功能指令8项FOR/NEXT循环有整数运算（算术运算）有实数运算（算术运算）有内置高速计数器6个(30kHz)内置模拟电位器2个（8位分辩率）脉冲输出2个高速输出（20kHz）通信中断1发送器/

11、2接收器定时中断2个(1255ms)输入中断4个口令保护3级口令保护通信2个RS-485通信接口可用作PPI接口、MPI从站接口和自由口PLC编程及监控，PLC上专门设置有编程器接口。通过这个接口可以接各种形式的编程装置，还可以利用此接口做通信、监控工作。存储器接口是为了扩展存储器而设置的。用于扩展用户程序存储区和用户数据参数存储区，可以根据使用的需要扩展存储器。其内部也是接到总线上的。通信接口是为了在微机与PLC、PLC与PLC之间建立通信网络而建立的接口。3.1.2 PLC选型和性能指标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，本文中所选用的PLC是

12、西门子公司的产品S7-200系列，CPU的型号是CPU2261。表2I/O接口分配表输入输出风机启动SB1I0.0风机组1输出KM1Q0.0风机停止SB2I0.1风机组2输出KM2Q0.1手动自动转换SB3I0.2工频输出KM3Q0.2风机组选择SB4I0.3压力下限指示灯L1Q0.4变频工频转换SB5I0.4风机组1运行指示灯L2Q0.5报警解除按钮SB6I0.5风机组2运行指示灯L3Q0.6风机组1转子测速器输入SB7I0.6风机组1温度上限指示灯L4Q0.7风机组2转子测速器输入SB8I0.7风机组2温度上限指示灯L5Q1.0急停SB9I1.0蜂鸣器1SpeakerQ1.1压力传感器输入

13、AIW0急停指示灯L6Q1.2瓦斯浓度传感器AIW2风机组错选指示灯L7Q1.3风机组1轴温度传感器输入AIW4风机组1机械故障指示灯L8Q1.4风机组1定温度传感器输入AIW6风机组2机械故障指示灯L9Q1.5风机组2轴温度传感器输入AIW8手动自动指示灯L10Q1.6风机组2定温度传感器输入AIW10瓦斯上限指示灯L11Q1.7压力模拟量输出QW0CPU226集成了24点输入和16点输出，共有40个数字量I/O点。可连接7个扩展模块，最大扩展至248点数字量I/O点或35路模拟量I/O。CPU226有13KB程序和数据存储空间，6个独立的30kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。CPU22

14、6配有2个RS-485通信编程口，具有PPI通信、MPI通信和自由方式通信能力，用于较高要求的中小型控制系统。其性能指标如表1。3.1.3 PLC内部分配CPU226I/0接口及内部寄存器分配如表2和表3。表3内部存储器使用触摸屏PID参数设定置VW10风机组启动位M0.0触摸屏PID参数增益VW12瓦斯浓度报警位M0.1触摸屏PID参数采样时间VW14瓦斯浓度断电位M0.2触摸屏PID参数积分时间VW16自动风机组1启动位M1.0触摸屏PID参数微分时间VW18自动风机组2启动位M1.1PID反馈量（PVn）VD100手动风机组1启动位M1.2PID给定置（SPn）VD104手动风机组2启动

15、位M1.3PID输出置（Yn）VD108防止风机组1频繁启动位M1.4PID增益（KC）VD112防止风机组2频繁启动位M1.5PID采样时间（T）VD116压力下限位M2.0PID积分时间（TI）VD120风机组1轴温报警位M20.0PID微分时间（TD）VD124风机组1轴温断电切换位M20.1模拟输入压力值存储VD128风机组1定温报警位M20.2压力下限存储VD132风机组1定温断电切换位M20.3风机组1轴承温度VD180风机组2轴温报警位M20.4风机组1定子温度VD184风机组2轴温断电切换位M20.5风机组2轴承温度VD188风机组2定温报警位M20.6风机组2定子温度VD19

16、2风机组2定温断电切换位M20.7瓦斯浓度存储VD1963.1.4 输入输出外部接线CPU226接线规则如下：（1）DC输入端中1M、10.011.4为第1组，2M、11.512.7为第2组组成，1M、2M分别为各级公共端。DC24V的负极接公共端1N或2M。输入开关的一端接天DC24V的正极，输入开关的另一端连接到CPU226各个输入端。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+分别为公共端。第1组DC24V的负极接1M端，正极接1L+端。输出负载的一端接到1M端，输出负载的另一端接到CPU226各输出端。第2组的接线与第1

17、组相似。SB1I0.01LI0.1Qo.°KM1SB2I0.2SB3Q0.1Q0.2KM2KM3SB5SB6SB7SB8SB934567a血Ioro.ro.IO.口QoSB10M11CLP-711O4r6111QQQ3LKM3EM235模拟量输入输出模块AIN1+QWO+AIN-LIL2L3L4L5SpeakerL6L7L8L9L10L11QF220V图2PLC输入/输出和变频器接线图2)DC输入继电器输出端与CPU226的DC输入DC输出的相同。继电器输出端由3组构成，其中N()IL、QO.OQO.3为第1组，N()2L、QO.4Q1.0为第2组，N()、3L、Q1.1Q1.7为第

18、3组。各组的公共端为1L、2L和3L。第1组负载电源的一端N接负载的N()端，电源的另一L(+、接继电器输出端的1L端。负载的另一端分别接到CPU226各继电器输出端子。第2组、第3组的接线与第1组相似。根据接线规则，PLC输入/输出接线和变频器接线图如图2所示。3.2模数转换模块模数转换模块分为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。PLC根据生产实际要求，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标准电压或电流信号

19、去驱动执行元件。表3EM231性能指标型号6ES7231-7PD22-0XA0模块更新时间405ms模块名称及描述EM231模拟输入热电偶4输入数据字格式-32767到+32767尺寸（mm）WxHxD71.2x80x62基本误差0.1%FS（电压）重量210g丄1丄1、口AA冷端误差±1.5C功耗1.8W重复性0.05%FS+5VDC87mA导线长度到传感器最长100m+24VDC60mA输入阻抗>1MQ输入类型悬浮型热电偶最大输入电压30VDC输入范围TC类型(选择一种)S,T,R,E,N,K,J电压范围：+/-80mV输入滤波衰减-3dbat21kHz输入分辨率0.rC/

20、0.1°F15位加符号位24VDC电压范围20.428.8VDC本系统设计有6路模拟量输入和1路模拟量输出，其中有四路是温度传感器输入。所以本设计选用一块EM231热电偶模拟量输入模块，该模块完成四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，该模块完成两路传感器的模数转换和一路数模转换功能。EM231性能指标如表3所示。热电偶类型选择：表4热电偶类型选择热电偶类型SW1SW2SW3J000K001T010E011R100S101N110+/-80mV111EM231热电偶模块是专门用于对热电偶输出信号进行A/D转换的智能模块。它可以连接7种类型的热电偶（J、K、

21、E、N、S、T和R）,还可以用于测量0+/-80mV范围的低电平模拟信号，所以使用EM231模拟量输入热电偶模块时，需要通过模块右下侧的设置开关进行心要的设置。对热电偶模块，其热电偶的类型通过设置开关SW1、SW2、SW3选择，如表4所示。3.3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是进行模拟量采集，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

22、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型瓦斯浓度传感器是一种智能型检测仪表，具有稳定可靠、使用方便等特点。调零、调精度、报警点设置等均可通过遥控器实现2。其性能指标如表5所示。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0.34.00%CH可任意设置（出厂调至1.0%CH）0

23、.34.00%CH可任意设置（出厂调至1.5%CH）0.34.00%CH4可任意设置（出厂调至1.0%CH4）断电点复电点输出信号报警方式适用于井田测井、制药、纺织等粘稠宜堵、强振动的工业现场。并在国内油田得到很好的应用效果。防爆型式矿用隔爆兼本质安全型工作电压DC924V测量范围04%CH4工作电流DC18V不大于65mA测量误差0.00T.00±0.10标定流量1.003.00±0.10%真值3.004.00±0.30响应时间小于20外形尺寸266X120x45(mm)遥控范围距离不大于5m，角度不大于120"重量1kg表5KGJ16B型瓦斯浓度传感

24、器性能指标报警点KGJ16B-1型：2001000Hz频率，负载电阻大于1.5KQ时，输出高电平大于3V。红色发光二极管H10为频率输出指示，发光二极管亮时，有频率输出，反之则无输出KGJ16B-2型：15mA恒流，负载电阻0500QKGJ16B-3型：RS485接口，通信波特率1200bps蜂鸣器断续鸣叫，响度大于80dB（18V供电，距离1m）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。其性能参数如表6所示。Pt100铂热电阻作为测量温度用的传感器，通常和显示仪表、记录仪表及控制装置配套使用，测量范围-50°C1

25、80°C。可以用在电机的轴承和定子测温，也可以用在纺织、机械、铁路机车等有需要测量温度的场合。该温度传感器采用德国进口薄膜铂热电阻元件，产品质量达到IEC751国际标准。铂电阻的电阻值随着温度的变化而变化。温度和电阻的关系接近于线性关系，偏差极小，且电气性能稳定。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。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3。其性能参数如表7所示

26、。表6HM23Y型压力变送器性能参数测量范围00.5MPa220MPa过载能力2倍满量程压力（其中100Mpa以上过压为1.1倍）压力类型表压或绝压测量介质与316不锈钢兼容的气体或液体供电电源1236VDC(般为24V)信号输出420mA/15VDC/05VDC/0.54.5VDC综合精度±0.1%FS±0.25%FS±0.5%FS长期稳定性±0.1%FS/年使用温度范围-40+150°C补偿温度范围-40+120°C温度性能零点温度系数：±0.02%FS/C灵敏度温度系数：±0.02%FS/C接液材料膜片:17

27、-4PN连接件:1Cr18Ni9Ti响应时间2毫秒负载电阻V(U-10)/0.02Q绝缘电阻100MQ;50VDC外壳防护插头型（IP65）;电缆型（IP67）安全防爆Exiall;CT5重量约0.25公斤3.4 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。变频器的选用：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2x30kW为例，因此可选用

28、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，我们采用西门子MM440、37kw，额定电流为75A的通用变频器。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。表7PtlOO铂热电阻温度传感器性能指标型号WZPM-201测温范围-50C-180C分度号PT100精度等级A0°C阻值100Q0.06Q热响应时间6秒绝缘电阻>200MQ测温端6X18螺纹M8X0.75引线长度引线长度用户规格3X0.2mm材料F46导线耐温200C用途轴

29、承测温传感器工作电流<1mA变频器参数的设置：负载为一大惯性负载，在停车时，为防止因惯性而产生的回馈制动使泵升电压过高的现象，加入制动电阻，斜坡下降时间设定长一些。外接制动电阻的阻值和功率可按公式R>2Ud/1P>(0.30.5)选取。式中：U为变频器直流侧电压，d为变频器的额定电流。本次设计采用西门子与37kW电机配套的制动电阻响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型号模具特殊要求。调速系统电路图如图2。制动电阻的热敏开关4BD22-2EAO，1.5Q，2.2kW4。变频器的各项参数设置如表8所示。3.5 监控对象风机是矿井通风的

30、心脏，所以风机的选择在矿井通风设计中也尤其重要的。本设计以风机组2x30kW为例，选用FBCZ系列煤矿防爆抽出式轴流通风机。FBCZ系列(原BK54、BK55系列)风机是结合中小型煤矿的通风网络参数研制成功的煤矿防爆轴流通风机，具有高效、节能、低噪声的优点，是中小型煤矿专用作11表8变频器性能参数设置参数号设定值说明P0100欧洲/北美设定选择P0300电机类型选择（异步电机）P0304380电机额定电压P030575电机额定电流P030737电机额定功率P03080.87电机额定功率因数P03090.925电机额定效率P031050电机额定频率P03111450电机额定转速P0700基本操作

31、板（BOP）设置P1000变频器频率设定值通过外部模拟量给定P1080电机运行的最小频率P108250电机运行的最大频率P112010斜坡上升时间P112110斜坡下降时间P1060点动斜坡上升时间P1061点动斜坡下降时间P130020变频器频率的运行方式为无速度反馈的矢量控制P070116Din1选择固定频率1运行P070216Din2选择固定频率2运行P070316Din3选择固定频率3运行P0705Din5控制变频器启停P070610Din6正向点动P100120固定频率1P100230固定频率2P100340固定频率3P100445固定频率4P100550固定频率5为主扇的风机。该风

32、机所用的材料，已通过了中国煤炭科学院重庆分院检测中心的13摩擦火花试验，并达到了防爆要求，整机防爆性能已通过了国家防爆电器产品质量检测中心的防爆检验5。主要特点：（1）采用电动机与叶轮直联的风机最简结构，改变了当前煤矿抽出式轴流通风及全部采用皮带传动或长轴传动的复杂结构，利于运行和维修。（2）该系列风机在电机外面安装全封闭型并具有一定耐压强度的密闭散热罩及气压平衡管，使电机始终处于无瓦斯空气中运行，达到了煤矿有关防爆规程的要求。（3）该系列风机为单级工作轮结构，风机可反转反风，其反风量可达正风量的65%85%，不必另设反风道，具有节约基建投资和反风速度快的优点。（4）叶轮的叶片安装角的可调整，

33、可根据生产的要求来调整叶片角度。该风机采用特殊设计，性能曲线无驼峰，在任何网络阻力的情况下，均能稳定运行。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2x30kW为例。所选风机的性能指标如表9所示。表9FBCZ系列性能指标型号转速(r/min)风量(m3/s)风压（Pa）配用电机功率（kW）FBCZ-4-Noll14506.419.23271193304 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。本文中所采用的PLC是西门子公司的产品S7-200系列，CPU的型号是CPU226。西门子PLC编程工

34、具的使用可以参照西门公司的程序使用手册或者在程序中按F1调出帮助文件参考。下面介绍一下PLC程序的主要结构。首先看流程图图3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。所以下面仅对温度、瓦斯、压力和通信控制子程序进行分析。本系统控制程序可见附录。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

35、度（本系统是风机组切换温度）。图3系统总流程图轴承温度保护设置85°C为报警温度，90°C为跳闸温度。定子温度保护设置120°C为报警温度，125°C为跳闸温度。表10工程值与数字量对应关系温度值（°C）数字量电压值（V）12023652.27.3912524347.87.618518782.65.879019478.36.09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）/（A

36、H-AL）=（X-0）/（32000-0）（1）y:转换过后的工程值（多少电流）AH:工程值的上限（电流的上限）AL:工程值的下限（电流的下限）X:工程转换后的数字量值（电流转换后的数字值）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10所示。模拟量信号的类型及范围是通过模拟量模块右下侧的DIP设定开关进行输入和输出信号选择的6。图4温度控制子程序本系统有自动/手动两种控制方式。在自动状态下，根据风机选择按钮的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

37、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ACO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4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

38、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5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

39、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。其控制程序见附图1的网络6和网络7。4.2

40、瓦斯浓度控制部分瓦斯浓度控制部分和温度控制部分相似。本设计用到的瓦斯浓度传感器为KGJ16B型。其性能参数见硬件设计部分。其原理分析参见附图1。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，MO.1闭VD18019478.3VD184VD184M20.2<:VD180>=R23652.2图5温度控制程序合，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

41、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。4.3 压力控制部分图6PID控制系统结构图图7PID参数设置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

42、、微分的总称。其结构如图6所示。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，而身分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。在自动方式下，利用远传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A/D转

43、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。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7所示。图8压力中断子程序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8所示。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

44、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图9压力中断程序到工频运行，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

45、机恢复循环工作。压力中断程序如图9所示。另一部分直接送到ACO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10所示。图10PID运算处理程序4.4 机械故障处理部分风机组长期运行经常会出现一些机械故障，如风机组线圈烧坏或机械卡死等诸多电源通电风机却不运转的故障。本系统利用软件设计了预防这种现象发生而造成重大事故的措施。其程序如图11所示。10.6和10.7分别为转子测速器的输出。所选的测速器输出为数字信

46、号。即转子速度为零时测速器输出为“0”,转子速度大于零时测速器输出为“1。当PLC的Q0.0或Q0.1有输出时，Q0.0或Q0.1触点闭合，若风机组1或风机组2的转子速度不转为零时，10.6或10.7闭合，Q1.4或Q1.5闭合发出报警信息。以警告工作人员风机组出现故障请及时处理。图11机械故障处理程序5 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，不仅简化了系统，提高了设备的可靠性和稳定性，设备的操作和维护方便，节省能耗，同时也大大地提高了煤矿生产的安全系数。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

47、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。致谢在毕业设计期间，一直得到导师的悉心指导和关怀。特别是在课题的设计过程中，对论文的技术问题，导师都花费了大量的心血，付出了大量的劳动，并一直给予我无微不至的指导与多方面的帮助，使我的知识、能力等各方面都有了很大的进步，在此，谨向导师表示最衷心的感谢！在课题进行期间，学院为我们提供了良好的学习和设计环境。在课题的研究和进展中，同组成员也给予了很大的帮助，这里也一同表示感谢！由于时间和知识水平所限，论文中还可能会有许多纰漏或错误之处，恳请各位

48、老师和同学批评指正。参考文献1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，20022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):45463彭桂力，刘知贵集中供热锅炉控制系统的PLC控制J电力自动化设备，2006(9):75774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，20065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):1451476徐国林.PLC应用技术M北京：机械工业出版社，20077陈建明，等.电气控制与PLC应用M.北京：电子工业出版社，20068李国厚，杨青

49、杰，余泽通球磨机润滑站控制系统的设计J金属矿山,2005(9):74-759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):80.8310吴中立矿井通风与安全M徐州：中国矿业大学出版社，1989:13811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，1995:2312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)13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).14石秋洁变频器应用基础M北京：机械工业出版社.200315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

50、，1999,(12):394116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,：272817廖常初.PLC编程及应用M.北京，机械工业出版社,2002,918马国华监控组态软件及其应用M北京，清华大学出版社,2001,319姚福来，等水泵变频调速的节电量计算及系统设计M.北京，科学出版社,199820SiemensAG,SIMATICSTEP7编程手册Z,2004附录程序总图屈络1初始化贬金停揑制凤机停止急停T5区机组启动位R)16瓦斯浓庫斷电位凤1轴帰报雪位<H)16风机廻1輸出YC16.5M0.1凤机启动斑机停止瓦斯沐度斷电位急停凤机组启动位卜1?IC)符号地址

51、注释凤机启动10.0凤机停止10.1风机组启动位M0.0急停11.0瓦斯浓度斷电位M0.227网络411#凤机组目动启动及切换凤机组选择手动自动转换凤机组启动位压力下限位M10.0TH-pHI1I，C)斑潮爲切换位斑机组1输出符号地址拄释凤况温断换隹M20.7风潮温切换位M205凤机组1输出Q0.0凤机组启动位M0.0风机组选挥10.5-手动自动转换10.2压力下限位M2.0M10.0凤1轴温切换位凤1定温切换位凤机组鋪出自动凤1启动位II1，I1，I1IC)符号地址注释风1定温切换位M20.-3凤1轴温切换位M20.1凤机组渐出Q0.1自动凤1启动位M1.0网络G2廿凤机组自动启动泾切携凤机组选择手动自动转换凤机组启动位压力下限位M10.1-PIpHI1I、C)斑1轴爲切换位凤1定谥切换位凤机组渤出#注释10.310.2M10.1凤潮谥切换位凤起温断换位凤机组1输出目动凤垢动位II/'/C)风机组选挥手动自动转换凤机组启动位风1轴温切换位M10.2TI1，i1I1，IC)M10.2凤1定爲切换位凤机组鬲出手动凤1启动位II1'I1，I()风机组选挥手动自动转换凤机组启动位风潮温切换应M10.3T/11/i1I1/1C)符号地