通风机工作状态PLC控制设正文2Word文件下载.docx
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附录2（指令表）.........................................................15
参考文献.............................................................16
1引言
1.1煤矿通风概况
据统计,我国煤矿事故因瓦斯爆炸死亡人数是世界上主要采煤国家,死亡总人数的4倍,百万吨煤死亡率是美国的近20倍,印度的12倍.地面空气进入井下后,因发生物理和化学两种变化,使其混入了有毒性,窒息性和爆炸性的气体和粉尘,为创造井下良好的工作环境,防止各种伤害和爆炸事故,保障井下人员身体健康和生命安全,对通风设施进行系统化管理和监控的工作显得尤为重要.矿井通风系统主要是为了解决矿井内空气的流通问题,使在井下作业的矿工能够正常工作并使有害气体能够及时地疏散到矿外大气中去.煤矿主通风机是实现矿井通风的作业的重要的设备,它担负着向煤矿井下生产及生产辅助系统输送新鲜空气,并将粉尘和污浊风流抛弃出地面,为井下生产现场的工作人员创造较好的气候条件,使他们能保持良好的精神状态,提高生产效率,确保矿井安全生产.矿井的气候条件常用风流的温度,湿度及风速三个参数进行综合评价.井下工作地点最适宜的气候条件是:
空气温度为15~20℃,空气相对湿度是:
50％～60％,风速的大小应根据气温的高低而定,无提升设备的风硐其最高风速为15m/s.这三个参数是影响人体散热的主要因素.风速对人体散热及人体舒适又重要影响,风速还对矿尘悬浮,瓦斯集聚,井巷通风阻力等有较大影响.因此,为了改善矿井气候条件,防止瓦斯集聚,要求井巷风速不能太低;
为了防止井巷中落尘飞扬,产生较大的通风阻力等,要求风速也不能过大.在气候条件三要素中,湿度与温度密切相关,但由于湿度控制比较困难,故改善气候条件的重点就是将井下,特别是采掘工作面的气温和风速进行适当调节,为采掘一线工作人员创造良好的工作环境.通过风量调节实现按需分风,决定各工作面的风量,所以对矿井主通风机的在线监控在煤矿安全生产中起着重要的核心作用.
1.2风机监控系统国内外研究状况
国外很早就对风机进行了研究。
至90年代，一般的风机均配有在线监控系统，集保护、检测、控制于一体，不但能实现风量的自动调节，主要能进行故障诊断，预测使用寿命，预报维修极限，成功地对风机进行了检测，有效的保证了矿井通风系统的安全运行。
美国煤矿使用的主风机以轴流式为主，近年来开始采用在运行中可以改变叶片角度的液压式动叶可调风机，节能效果好。
德国以TLT公司为代表，采用液压式动叶调节的轴流通风机，其运行效率可保持在83%～88%以内。
国内在这两方面起步比较晚。
风量调节方法都比较落后，需要在停机的情况下进行手动调节或者是隔一段时间才能调节一次。
其一这种人工操作方法只能做到阶段性调节而不能做到及时连续自动调节，而且实时性差，风量控制不准确，自动化程度不高；
另外，我国煤矿主通风机一般都在远离煤矿管理部门的井田边缘，通风设备的管理由于风量参数不能实现在线监测而成为煤矿自动化管理的薄弱环节。
目前大部分厂家只对设备进行简单的点测，或是对风机进行简易的诊断。
近几年来，陆续有几家大中型企业开始安装了专用检测诊断设备对风机进行了长期检测。
05年南京因泰莱电器股份有限公司为银川力城电子煤矿设计了综合现代化通信、计算机和自动控制与检测技术的全分布式计算机监控系统，它具有显示、打印、报警、状态识别、趋势分析、现场动平衡等功能，在实际应用中取得了很好的效果。
但与国外还是存在着一定的距离。
1.3矿井主通风机在线监测监控的展望
随着科学技术的发展,科技人员的不断努力，矿井主通风机在线监测监控取得了一定的成绩,但也明显存在一些不足矿井主通风机在线监测监控主要还处在监测水平，其控制功能很弱，对主通风机的控制和故障诊断基本上还处在研究阶段，矿井主通风机在线监测监控的可靠性有待进一步提高，矿井主通风机在线监测监控是一个较独立的系统,未与整个矿井通风系统、整个煤矿管理系统取得协调的联系。
针对以上不足，为了进一步提高煤矿自动化管理水平,提高生产的安全程度，降低工人劳动强度，矿并主通风机在线监测监控应在如下几个方面发展：
（1）煤矿监测监控系统结构向集散化结构发展
新推出的监测监控系统基本上都采用集散系统结构，一般由现场测控分站和控制中心主站组成。
分站以脱离主站自动实现就地监测和控制功能，一般由中小型可编程控制器组成。
主站一般采用PC机，主要负责监测数据的收集、存储、显示、报警、处理、分析、报表打印等。
（2）煤矿安全监测监控系统开放化
新推出的集散监测监控系统均采用开放系统互连的标准模型、通信协议或规程，支持多种互连标准。
任何集散测控系统，只要遵循这些规程，就能够与其它系统或计算机系统相连，方便地组成多节点的计算机局域网络，实现系统间的通信和数据共享。
（3）煤矿安全监测监控系统智能化
主要是指传感器的智能化，如不断推出的具有自动校正、灵敏度自动补偿、非线性自动补偿等功能的智能传感器。
（4）煤矿安全监测监控系统应用软件发展趋势
包括操作系统的实时多任务化，控制软件的组态化、智能化和图形化，软件系统的开放化、标准化。
（5）煤矿安全监测监控系统向综合化方向发展
全矿井综合监控系统是一种可用于环境安全、轨道运输、皮带运输、提升运输、供电系统、排水系统、矿山压力、煤与瓦斯突出、自燃发火、大型机电设备的运行状况等多方面综合监控的系统，既可用于某一单方面的监控，又可实现全面综合监控。
（6）发展专家诊断、专家决策系统软件
我国监测监控系统软件目前停留在对被监测量的实时采集、存储、超限报警及断电、以曲线、图形和报表形式输出的水平，实现了对数据的最基本处理，在此基础上，国内正在开发专家系统和矿井安全预警系统。
在矿难发生前就能对各种安全隐患进行预测，使安全隐患消灭在萌芽状态。
1.4设计任务与要求
通风机运行系统中有一个监视子系统，其任务是对4台通风机工作状态进行监视，并按其工作状态不同发出不同形式信号：
（1）三台及三台以上开机时，绿灯常亮。
（2）两台开机时，绿灯以5Hz的频率闪烁。
（3）一台开机时，红灯以10Hz的频率闪烁。
（4）全部停机时，红灯常亮。
2矿井主通风机系
2.1主通风机概述
通风系统是利用各种通风设备,不断地把地面的新鲜空气按着一定的路线,一定的风量送到井下各用风地点,同时把井下的乏风排至地面,并将井下的各种有害气体稀释到《煤矿安全规程》所允许的浓度以下,以保证井下工作人员身心健康和设备的正常运转.通风还可以调节井下的温度,改善井下工作环境.为此,矿井必须要有完整可靠的通风系统.矿井主通风系统主要有通风机,风门,风井等几部分组成,其中主通风机是系统的核心部件.根据风流在叶轮内部的流动方向可分为离心式和轴流式.矿井主通风机通风机是矿井通风系统的核心设备,因此自然成为风机监测系统的首要监测对象.鉴于通风作业在煤矿安全生产中占据的至关重要的地位与作用,在通风系统的设计中都毫无例外地体现了系统冗余的思想,即重复配置两台相同的通风机组,互为备用,确保通风作业的不间断性.
2.2主通风机性能参数
1.风量
单位时间内通风机吸入的气体的体积称为通风机的风量，以Q表示，单位为m/
2.风压
在通风中所称的风压是指单位体积的空气所具有的能量，按其类型可分为静压、动压和全压，其单位为Pa。
1）静压
通风网络中单位体积流体所具有的压力能量，即为气体的静压力，以
表示，在实际的通风网路中，通风截面一般不是很大，可以忽略同一截面上任意两地之间气体的位能之差，因此在缓变流条件下，同一过流截面上个点的静压值可以认为相等。
2）动压
指单位体积的流体所具有的动能，携带该能量的气体微团被滞止后表现的压力，故称为动压，其大小用下式计算：
=
式中：
——气体中某点的动压，Pa；
——动压测量处的空气密度，kg/
；
——气体的流速，m/s
3）全压
气流中某一点的滞止压力，亦是该点静压和动压的代数和，以
表示：
3功率
通风机的功率分为轴功率和有效功率。
轴功率是指原动机传递给通风机轴上的功率，有功功率是指风机在单位时间内对气体做的有用功，通风机的全压有效功率用下式计算:
——通风机全压有效功率，kW；
——通风机的全压，Pa；
——通风机的风量，m/
。
若通风机的风压用静压表示，则通风机静压有效功率可用下式计算:
式中:
——通风机静压有效功率，kW。
4效率
效率是全压有效功率或静压有效功率与轴功率的比值，前者称为全压效率，后者称为静压效率，计算公式如下：
式中
——通风机的全压效率和静压效率；
N——通风机的轴功率，kW。
5转速
转速是指通风机在单位时间内的实际转数，以n表示，单位为r/min。
在人员和车辆可以通行，风流不能通过的巷道中至少要建立两座风门，间距要大于运输工具的长度。
风道的通断完全以来风门的开合来实现。
在本设计方案中两台通风机各有一个通道，每个通道各有三个风门，一个立式风门，一个斜风门，一个地面风门，其中前两个风门是通常系统设计中的冗余考虑，最后一个风门是调节风量和倒换风机时所用。
三者都是电动风门，其中立式风门各有一台11KW的低压三相交流电动机拖动，采用的是左右水平推拉式，无转速调节，由左右限位开关来检测风门的位置斜风门采用40KW的交流电动机拖动，由上下限位开关检测风门的位置，限位开关的常开或常闭触点向PLC发出信号并切断电机供电回路。
其布局如图所示：
2.3反风方法
当矿井进风口附近、进风井口或井底车场发生火灾或瓦斯突出、煤尘爆炸时，将会产生大量的有毒、有害气体，这些有毒、有害气体随风流进入工作面将危及人的生命，从而造成严重事故。
为防止烟火和有害气体随着风流进入工作面，危害井下工人的生命安全，必须在很短的时间内，改变风流方向，防止灾害的蔓延，缩小灾害范围，以保障井下工作人员的安全撤出。
改变通风系统正常风流的方向叫做反风。
用于反风的各种设备和设施叫做反风装置。
它主要由反风道、闸门和慢速绞车等组成。
为了保证矿井的安全生产，矿井必须安装反风装置。
“《煤矿安全规程》规定，生产矿井主要通风机必须装有反风设施，并能在10min内改变巷道中的风流方向；
当风流方向改变后，主要通风机的供给风量不应小于正常供风量的40%。
”
通风机的反风方法一般来说有两种：
一种是利用反风道反风，另一种是利用风机反转反风。
前者的优点是风量大（等于正常风量），风机不停不反转，缺点是需另外开拓一段巷道，安装风门和风门绞车，而这些风门和风门绞车平时根本不用，用时往往不灵活，甚至起动不起来，故《煤矿安全规程》规定，凡利用反风道反风的每年要进行一次反风演习。
后者的优点是取消了反风巷道和风门，大大简化了反风系统，只要措施得当，完全可以满足反风要求，只是这种方法只适用于对旋轴流式通风机。
本设计方案正是采取的这种反风措施。
用反转电动机反风时，要做到：
1）立即依次拉开正在运转的风机的油开关、隔离开关和正转隔离开关，使电机断电，并锁住正转隔离开关，用刹车装置将风机停稳。
2）用地锁将防爆门（盖）固定牢固。
3）依次合上反转隔离开关（注意正反转隔离开关严禁同时合上），下隔离开关和油开关，使风机反转启动。
4）各风门保持原状不变。
5）对于导翼固定的通风机直接反转启动通风机；
对于导翼可调角度的通风机，则先调整导翼调整器，改变导翼角度，然后反转启动电机。
3硬件设计
3.1可编程控制器的应用
3.1.1PLC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。
3.1.2PLC的基本构成
图2PLC的一般构成
（l）中央处理单元（CPU）
中央处理单元（CPU）一般由控制器，运算器和寄存器组成，它是PLC的核心部分。
它的主要任务有:
控制接收和存储编程设备输入的用户程序和数据；
诊断PLC内部电路的工作故障和编程中的错误;
扫描I/O接收的现场状态，并按照用户程序对信息进行处理，然后刷新输出接口，对执行部件进行控制。
（2）存储器
存储器是PLC存放程序和数据的地方，它包括系统程序存储器和用户程序存储器。
系统存储器用来存放PLC生产厂家编写的系统程序，并固化在PROM或EPROM存储器中，用户不可访问和修改。
用户程序存储器主要包括用户程序存储区和数据存储区二个部分。
用户程序存储区用于存储用户编写的控制程序，数据存储区用于存放用户程序中使用器件的ON/OFF状态和各种数值数据等。
（3）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位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的强电信号。
（4）电源单元
电源单元是PLC的电源供给部分。
它的作用是把外部供应的电源转换成CPU、存储器等电路工作所需要的直流电，及向外部器件提供24V直流电源。
（5）外设接口与扩展接口
PLC可以通过外设接口与监视器、打印机、PLC或计算机相连。
扩展接口用于将扩展单元以及功能模块与基本单元相连，使PLC的配置更加灵活，以满足不同控制系统的需要。
3.1.3PLC的工作原理
PLC采用一种不同于一般微型计算机的运行方式即循环扫描技术，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----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，各个阶段的功能如下：
（l）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。
3.2系统动作流程图.
3.3PLC外部接线图
4软件设计
4.1本设计所用STEP7编程器的相关知识
在本设计中，我使用的是与S7-300相配套的Step7V5.3编程软件。
这是一种可运行于通用微机中，在Windows环境下进行编程的语言。
将它通过计算机的串行口和一根PC/MPI转接电缆与PLC的MPI口相连，即可进行相互间的通信。
通过STEP7编程软件，不仅可以非常方便地使用梯形图和语句表等形式进行离线编程，经过编译后通过转接电缆直接送入PLC的内存中执行，而且在调试运行时，还可以在线监视程序中各个输入输出或状态点的通断状况，甚至可以在线修改程序中变量的值，给调试工作也带来极大的方便。
本软件包括项目管理器、符号编辑器、硬件组态、编程语言及诊断硬件等一系列的应用工具。
下面对各种应用工具分别进行简单的介绍。
项目管理器
适用于SIMENS的各个可编程控制系统，用来管理一个自动化项目中所有的数据。
编辑各种数据的工具都由项目管理器启动，然后进行相应的数据修改、测试工作。
符号编辑器
管理所有的共享符号，可以为过程信号（输入/输出）、位存储和块建立符号名和注释。
具有分类功能，并可进行导入或导出。
硬件组态功能
可以为自动化项目的硬件组态和参数赋值，具有以下功能：
a）组态可编程控制器，即从电子目录中选择一个机架，并将选中的模板安排在机架中的槽上；
b）组态分布式I/O和中央I/O；
c）在给CPU赋值参数的过程中可以通过菜单设置参数；
d）在向模板做参数赋值的过程中，所有可以设置的参数都是用对话框来设置的。
模板可以相互交换而无需赋值新的参数；
e）功能模板的参数赋值也是在硬件组态工具中完成的。
对每一个功能模板FM和通讯模板CP都有指定的对话框规则，可以防止不正确的输入。
编程语言
用于PLC的编程语言在第二章已经介绍过，包括梯形图（LAD）、语句表（STL）和功能块图（FBD），在这里就不再详细介绍。
诊断硬件
此功能用于提供可编程控制器的一个概况。
这个概况中可以显示符号来指示各个模板是否正常。
双击故障模板显示有关故障的详细信息，信息的范围依据各个面板而定。
a）显示模板的概况信息以及模板状态；
b）显示中央I/O和分布从站的模板信息；
c）显示来自诊断缓存区的报文。
4.2主通风机监控系统的程序设计
PLC的程序分为操作系统和用户程序，操作系统用来实现与特定的控制任务无关的功能，处理PLC的启动、刷新过程映像输入/输出表、调用用户程序、处理中断和错误、管理存储区和处理通信等。
用户程序包含处理用户特定的自动化任务所需要的所有功能。
CPU循环执行操作系统程序，在每一次循环中，操作系统程序调用一次主程序OB1。
STEP7将用户编写的程序和程序所需要的数据放置在块中，使单个程序部件标准化。
通过块与块之间的调用，使用户程序结构化，可以简化程序组织，使程序易于修改、差错和修改。
包括各种逻辑块和数据块，其中逻辑块包括：
组织块、功能块、系统功能块、功能和系统功能。
数据块包括：
背景数据块和共享数据块。
组织块（OB）：
是操作系统和用户程序的接口，决定用户的程序。
功能块（FB）：
用户编写的包含经常使用的功能子程序，有专用的存储区。
功能（FC）：
用户编写的包含经常使用的功能子程序，无专用的存储区。
系统功能块（SFB）：
集成在CPU模块中通过SFB调用系统功能块，有专用的存储器。
系统功能（SFC）：
集成在CPU模块中通过SFC调用系统功能，无专用的存储器。
背景数据块（DI）：
用于保存FB和SFB的输入输出变量和静态变量，其数据在编译时自动生成。
共享数据块（DB）：
存储用户数据的数据区域，供所有的逻辑块共享。
程序的编程方法有三种：
线性编程、分部编程、分块编程。
其中线性编程适于简单的控制功能。
本系统采用了分块程序结构编程，分块程序是指把一个工程的全部任务分成多个任务模块，每个模块的控制任务则根据具体情况编写相应的子程序进行处理，在程序执行过程中，CPU不断扫描主程序OB1碰到子程序调用指令就转移到相应的子程序中执行。
分块程序虽然结构复杂一点，但是可以把一个复杂的控制任务分解成多个简单的控制任务，分块程序有利于程序员编写，而且程序调试起来也比较简单。
5总结
主通风机是保证矿井安全生产的主要核心设备之一，其工作状况对矿井的企业运营效益有很大的影响，因此对主通风机的监控有很大的必要性。
本系统选用具有优良性能的传感器、变流器等检测装置，对通风机及相关配套设备进行实时状态监测；
以西门子S7-300PLC为监控核心，对通风系统进行了在线监控，实现手动和自动控制，实现了正常通风与反风的控制，提高了主通风机设备的自动化管理水平，有力保证了主通风机设备的经济、可靠运行，为设备的的管理和维修提供了可靠的科学依据，大大减少了煤矿事故的发生，提高煤矿的安全水平。
由于是初次接触煤矿的通风系统的相关知识，对现场的具体情况了解甚微，所以设计中的很多细节部分考虑不周，在结构上也有不完善的地方，我在以后的工作学习中会继续努力的。
在本次设计过程中，我学习到了很多知识，掌握了西门子S7—300PLC的相关知识，为我以
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