基于三菱PLC矿井通风监控系统的设计本科毕业设计论文.docx
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基于三菱PLC矿井通风监控系统的设计本科毕业设计论文
本科毕业设计（论文）
题目基于三菱FX-2NPLC矿井通风
控制系统设计
常熟理工学院本科毕业设计（论文）诚信承诺书
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导师签名：
日期：
年月日
毕业论文基本要求
1．毕业论文的撰写应结合专业学习，选取具有创新价值和实践意义的论题。
2．论文篇幅一般为8000字以上，最多不超过15000字。
3．论文应观点明确，中心突出，论据充分，数据可靠，层次分明，逻辑清楚，文字流畅，结构严谨。
4．论文字体规范按《广东金融学院本科生毕业论文写作规范》和“论文样板”执行。
5．论文应书写工整，标点正确，用微机打印后，装订成册。
指导教师评阅书
指导教师评价：
一、撰写（设计）过程
1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神
□优□良□中□及格□不及格
2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度
□优□良□中□及格□不及格
3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力
□优□良□中□及格□不及格
4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性
□优□良□中□及格□不及格
5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况
□优□良□中□及格□不及格
二、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□优□良□中□及格□不及格
三、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意？
设计是否有创意？
□优□良□中□及格□不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
建议成绩：
□优□良□中□及格□不及格
（在所选等级前的□内画“√”）
指导教师：
（签名）单位：
（盖章）
年月日
评阅教师评阅书
评阅教师评价：
一、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□优□良□中□及格□不及格
二、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意？
设计是否有创意？
□优□良□中□及格□不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
建议成绩：
□优□良□中□及格□不及格
（在所选等级前的□内画“√”）
评阅教师：
（签名）单位：
（盖章）
年月日
教研室（或答辩小组）及教学系意见
教研室（或答辩小组）评价：
一、答辩过程
1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况
□优□良□中□及格□不及格
2、对答辩问题的反应、理解、表达情况
□优□良□中□及格□不及格
3、学生答辩过程中的精神状态
□优□良□中□及格□不及格
二、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□优□良□中□及格□不及格
三、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意？
设计是否有创意？
□优□良□中□及格□不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
评定成绩：
□优□良□中□及格□不及格
（在所选等级前的□内画“√”）
教研室主任（或答辩小组组长）：
（签名）
年月日
教学系意见：
系主任：
（签名）
年月日
基于三菱FX-2NPLC矿井通风控制系统设计
摘要
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大，尤其对煤矿生产的安全要求越来越高，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，节能性等势在必行。
本系统将三菱PLC与变频器结合起来，采用瓦斯浓度和井下压力为主要参数，实现对矿井通风机的工作过程和运转速度的有效控制，从而达到矿井下通风安全、稳定，同时使得资源最大的利用。
并且PLC对通风机有过热保护、故障报警、机械故障和瓦斯高浓度报警等功能。
为了矿井通风的安全节能技术改造提供新的技术。
关键词：
PLC瓦斯传感器通风
DesignofventilationcontrolsystembasedonMitsubishiFX-2NPLCmine
Abtract
Theworkingconditions,thenormalworkofmineventilationsystemandwhetherthecoalmineproductionefficiency,safetyproductioniscloselyrelatedto.AlongwiththeChinesegovernmentonallkindsofproductionsafetysupervisionincreased,especiallyforcoalmineproductionsafetyrequirementsmoreandmorehigh,thetechnicalreformationofcoalmineventilationsystem,improvetheoperationstability,reliability,energysavingandsobeimperative.
ThissystemwillcombinewithMitsubishiPLCinverter,theconcentrationofgasanddownholepressureasthemajorparameter,achieveeffectivecontrolofworkingprocessandtherunningspeedofthemineventilator,soastoachievethemineventilationandsafety,stability,andmakesuseofthemostresources.AndPLCoverheatingprotection,faultalarm,faultandhighgasconcentrationalarmfunctionoffan.Provideanewtechnologyfortechnologicaltransformationofmineventilationandsafetyandenergysaving.
Keywords：
PLC；Gas；Transducer；ventilate；
1.引言
1.1矿井通风系统的简介
矿井通风系统是矿井通风方式、通风方法和通风网络的总称。
其通风系统的基本主要任务是：
供给井下足够的新鲜空气，满足人员对氧气呼吸的需要，冲淡井下有毒有害粉灰及空气，保证人员安全生存，调节矿井下的空气环境创造保证安全的工作环境。
矿井的通风系统是影响矿井安全生产的重要因素。
矿井通风系统可以分为不同的类型，其划分标准是不同的因素。
如根据瓦斯浓度、煤层自燃和高温因素等把矿井通风系统分为通俗一般型、相对降温型、防火型、排放瓦斯型、防火及降温型、排放瓦斯及降温型、排放瓦斯及防火型、排放瓦斯与防火及降温型几种，
矿井内部通风的方式根据得到的风力的动力来源的不同，可分为自然风和机械辅助通风两种。
（1）自然通风：
这是则是一种利用大自然气压的不同而产生的通风动力，使得空气在井下巷道流动的流通方式叫做自然通风。
自然通风的风压一般都比较小，而且不稳定因素很多，所以在《煤矿安全规程》有规定：
每一处矿井都必须要采用机械通风。
（2）机械通风：
这是一种利用安装主风扇用电机运转带动而产生的鼓风动力，从而致使空气在井下各个巷道之间互相流动的流通方式叫做机械通风。
每一个采用机械通风的矿井，大自然风压也是必须要保留存在的，而且自然风在各个时期内对矿井的通风工作有影响，在通风管理工作中应给予充分重视。
矿井通风系统的基本要求是：
1．每个矿井，至少要有两个通到地面的安全出口。
2．进风井口要有利于防洪，不受粉尘，有害气体污染。
3．北方矿井、井口需装供暖装备。
4．总回风巷不得作为主要人行道。
5．工业广场不得受扇风机噪音干扰。
6．装有皮带机的井筒不得兼作回风井。
7．装有箕斗的井筒不应作为主要进风井。
8．可以独立通风的矿井，采区应尽量独立通风，不宜合并一个通风系统。
保证系统能够独立地进行工作，这样当一个矿井出现故障时，另一个矿井的通风工作不受影响。
使生产不受大面积的受阻。
9．通风系统要为防治瓦斯、火、尘、水及高温创造条件。
10．通风系统要有利用深水平或后期通风系统的发展变化。
1.2本课程设计的研究意义
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大，尤其对煤矿生产的安全要求越来越高，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，节能性等势在必行。
我国煤矿的重、特大瓦斯事故所造成的井下人员大量伤亡均源于通风系统抗灾能力不足致使正常生产时的分区通风在瓦斯爆炸条件下受到破坏爆炸气体进入了爆源以外的广泛区域使其他通风分区乃至全矿井下的人员中毒死亡。
煤矿安全规程对煤矿通风有严格的要求和限制特别在高突矿井明确禁止使用串联通风。
因此以各采掘工作面为核心的分区通风成为了煤矿通风的基本规定和实践。
在矿井灾变条件下维持正常分区通风的能力是评价矿井通风系统抗灾能力的基本考虑因素。
除巷道布置这一重要但难以调整的因素之外分区通风及风量分配调节主要依靠于风门、风窗等通风设施的应用其类型、数量、分布上的合理性是影响通风系统合理性的基本因素扇风机及通风构筑物受矿井生产活动及灾变影响而失去原定功能时矿井通风维持在合理水平上的能力则是通风系统可靠性的重要标志。
目前煤矿矿井通风系统的控制系统，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；如果工作通风机不采用变频控制，那么矿井通风量的调节方法，只能依靠两个垂直风门提起的高度，和调节风机扇叶的数量和角度。
那么主通风机就会一直高速运行，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，也会造成很大的能源浪费。
针对这一系列问题，随着电子技术和微电子技术的迅速发展，PLC和变频器正成为通用、廉价和性能可靠的控制和驱动设备，得到广泛的应用。
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，使矿井中用的离心通风机通风高效、安全，达到了明显的节能效果。
由PLC控制的变频调速离心风机的通风系统，具有较高的可靠性和较好的节能效果，易于组建成整体的自控系统，很方便地实现各种控制切换和远程监控。
PLC控制系统还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。
1.3国内外发展情况
国内外矿井通风机发展历史悠久，早在1902年爱尔兰就研制成功了世界上第一台多叶片矿井通风机，且将当时最初一台多叶片矿用通风机用在英国Pelton煤矿，这台通风机的安装使井下通风发生了巨大的变化。
从此多叶片风机对于发展整个通风技术做出了重大贡献。
1949年至1950年间，丹麦诺迪斯克公司研制生产了首台运行中叶片能自动调整的轴流式风机，其后德国的TLT.K.K.等公司也相继生产了这类风机。
由于该风机的优越性，到50年代中期首先在欧洲一些国家得到应用。
美国，前苏联，日本等国也相继在1970年前后开始推广使用这种风机。
20世界50年代初至70年代末我国矿山使用的矿井轴流主扇几乎是仿制苏联的BY型和K70型等风机，风量范围7-160m3/S,静压范围400-5900Pa，全国各类矿井共使用约5000台左右。
不过这类风机在20世纪的80年代被国家列为淘汰产品，早已不再生产。
20世界的70年代开始沈阳鼓风机厂经技术研发与实验，研制成功了62A型单级主扇。
其全压，风量以及各种参数标准非常基本适合我国国情的矿井通风网络，在中条山有色金属公司和邯郸矿务局的一些风井上使用。
因其本机效率未达到设计要求，相差甚远，没有进一步改进和完善就停止了生产，在此基础上在20世界80年代该厂参考原苏联中央流体动力研究所提供的通风机启动略图和特性曲线又研制了2K60式轴流式通风机。
在此期间沈阳风机厂研制了1K58和2K58型矿井轴流风机。
1.4主要研究内容简介
本论文的主要研究内容如下：
1．实现信号采集与实时监测，包括风机的运行状态、故障状态、轴承温度、定子温度、电压、电流、功率、效率等。
2．在变频运行时，该系统能根据压力传感器的模拟量输入，经PLC内部运算，计算出系统满足安全生产所需的风量大小对应的变频器输入电压值，经扩展模块模拟量输出控制变频器自动调整风机的转速。
3．本系统能实现多种报警功能，如风机定子，轴承温度超限，瓦斯浓度过高报警，以及变频器出现故障及时报警，及时处理的功能。
4．用工程制图软件绘制系统主电路图和PLC及扩展模块接线图。
5．用三菱FX2N编程软件编出PLC梯形图。
6．模拟风机运行情况，用步科触摸屏软件绘制煤矿主通风机在线监测系统。
2．通风监控系统控制方案
本设计系统中使用了PLC所以与使用常规继电器实施的通风系统相比，具有故障率低、可靠性高、接线简单、维护方便等诸多优点，PLC的自动控制功能和程序化工作方式使通风系统的自动化程度大大提高，降低了岗位人员的劳动强度。
PLC与空气压力变送器，以及瓦斯浓度检测器的配合使用，使系统控制的可靠性和安全性以及稳定性大大提高，降低了通风机运行的成本，不仅节约了电能，而且还提高了设备的运转率。
通风机主要工作部分由两台离心通风机组成，每台通风机有一台电机，每台电机驱动一组扇叶片，两组扇叶片是对旋的，一组的作用吸风，一组的作用增加风速，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。
本系统设计选用风机的功率为45kW。
控制部分选用一台三菱公司的FX2N系列的PLC，并需要增加模拟量转换模块。
输入部分包括：
启动，停止按钮，空气断路器、空气压力传感器，瓦斯浓度检测器等组成一个完整的闭环控制系统。
其中还包括电机用接触器、中间继电器、热继电器、矿用防爆型断路器等系统保护电器，实现对通风电机和PLC的有效保护，以及对电机的切换控制。
共计8个输入点和6个输出点。
下图为通风系统的主要因素控制方案图。
因此本论文以矿井通风机的监控为研究对象，以三菱FX2N系列可编程逻辑控制器作为监控核心，运用温度、压力、瓦斯浓度等传感器和电量采集单元对风机运行的状态以及对各种电量参数进行细致的检测。
同时利用PLC和上位机之间的通信实现对矿井通风机运行的实时监控。
本论文还利用变频器来控制通风机的变频运行，实现风机的高效节能运行。
3．系统硬件设计
本章节主要对矿井通风机所用到的各种硬件进行一个细致的讲解，主要用到的硬件有：
矿井主扇风机、PLC、触摸屏及相应的传感器。
3.1矿井主扇风机概述
为了简化了传动结构，改变了当前煤矿抽出式轴流风机全部采用皮带轮传动或长轴传动的复杂结构，使维修和操作方便。
主扇风机其整体性好，并且采用内置防爆电机拖动,不受外界干扰。
本设计配套电机为YB系列的YBFe派生系列，隔爆型三相异步电机。
电机如图3.1所示YB2系列电机是全封闭自扇冷式鼠笼型隔爆三相异步电动机，是YB系列电动机的更新换代产品。
各项性能指标达到国际90年代的先进水平，具有节能、安全、美观等特点。
适用于有爆炸性气体混合物存在的场所。
在YB2基本系列系列电动机的基础上，可派生生产YB2-W户外型、YB2-WTH户外湿热带型等多种防爆产品。
电机置于全封闭型，并具有一定耐压强度的密闭散热罩中并于外界非瓦斯气相通。
使电机始终处于无瓦斯空气之中运行，起到了双重隔爆效果。
图3.1三相异步电机
3.2控制核心PLC概述
3.2.1三菱PLCFX2N—16MR简介
本设计采用的PLC是日本三菱公司的FX2N系列的继电器输出型PLC。
它带有16个I/O点，分别为8个输入点，8个输出点。
输出形式为继电器形式，输出端最大电流可以达到5A工作电流。
输入侧为NPN漏型输入。
其特点是：
●内置8K容量的RAM存储器，最大可以扩展到16K。
●CPU运算处理速度0.08μS/基本指令。
●在PLC右侧可连接各种输入输出扩展模块和特殊功能模块。
●基本单元中内置2轴独立最高的20kHz定位功能（晶体管,继电器输出型）。
●快速断开端子块，其采用优良的可维护性快速断开端子块，（类似于热插型，接上电缆的时候也可以更换但元。
）
●时钟功能及小时表功能，所有的FX2N系列PLC中都有实时时钟标准。
●持续扫描功能，为应用所需求的持续扫描时间定义操作周期。
●输入滤波器调节功能，通过用输入滤波器来平整输入信号（在基本单元中x0到x17）。
●注解记录功能，元件注释可以在程序寄存器当中记录。
如图3.2所示为三菱FX2N-16MR。
图3.2三菱FX2N-16MR
PLC在本设计电气原理图中的接线以及I/O分布点如图3.3：
图3.3PLCI/O接线图
表3.1所示为I/O接口分配表。
表3.1PLCI/O接口分配表
3.2.2A/D转换模块FX2N—4AD
三菱FX2n-4AD是三菱电机公司推出的一款FX2n系列PLC模拟量输入模块，有CH1~CH4四个通道，每个通道都可进行AD转换，分辩率为12位，采集信号电压为-10V~+10V，分辩率5mV。
电流输入时，为4~20mA或-20~20mA，分辩率20uA。
FX2n-4AD内部有32个16位的缓冲寄存器（BMF），用于与主机交换数据。
FX2n-4AD占用FX2n扩展总线的8个点，耗电为5V，30mA。
FX2N-4AD将空气压力传感器TP802以及低浓度甲烷传感器输入的标准模拟信号转化为二进制语言送给PLC进行比较运算，从而达到控制的要求。
同时还将变频器输入的模拟信号进行装换，送给PLC以及触摸屏进行显示电机转速。
其电气原理图接线如图3.4所示:
图3.4电气控制图
3.3触摸屏概述
为直观显示系统各部分的工作状态以及报警显示，电机参数等数据，设计采用触摸屏作为显示部件。
触摸屏（touchscreen）又称为“触控屏”、“触控面板”，是一种可接收触头或者触摸等输入的讯号的感应式液晶显示装置，当接触或者触摸屏幕上的图形按钮，以及状态按钮时，屏幕上的触觉反馈系统可根据预先编程的指向软件地址和各种连结装置，可用以取代机械式的按钮面板，并借由液晶显示画面制造出生动的影音效果。
触摸屏在自动化行业中也叫人机界面（又称用户界面或使用者界面）是系统和用户之间进行交互和信息交换的媒介，它实现信息的内部形式与人类可以接受形式之间的转换。
人机信息交流的领域都存在着人机界面。
触摸屏作为一种最新的电脑输入设备，它是目前最简单、方便、自然的一种人机交互方式。
它赋予了多媒体以崭新的面貌，是极富吸引力的全新多媒体交互设备。
步科触摸屏产品是中国最早最专业的工业级人机界面品牌之一，自2002年进入中国大陆市场以来，以其专业的品质、卓越的性能、合理的价格得到了市场的最大认可，销量及市场占有率居同行业之首。
本设计采用步科EV5000系列触摸屏做为显示媒体。
通过RS485接口与PLC进行数据通信。
如图3.5所示：
图3.5触摸屏接线图
3.4传感器部分概述
该控制系统中采用了大量的模拟量信号，这些信号的输入都需要传感器来进行模拟量采集，
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