机械毕业设计236PLC在矿井通风控制系统中的应用.docx

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机械毕业设计236PLC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

TheApplicationoftheMineVentilationSysteminControllerBasedonthePLC

Summary

ThesystemPLCandinverterorganicallyarecombinedwiththepressureandthegaspressureinordertominetheconcentrationofcontrollingtheparametersoftheworkingprocessandoperationofthemotorspeedcontrol,somineventilationfanefficiency,safety,achievedsignificantenergysavings.AndthePLCcontrolsystemonthedrivefanmotorwithoverheatingprotection,faultalarm,mechanicalfailurealarmandtheconcentrationofpowerandotherfeaturesofgasforcoalmineventilationsystemtoprovideanewwaytoenergytransformation.Heretoentertheneedtotranslatewordsandgeneralrelayintheimplementationoftheventilationsystem,thesystemhastheplcfailureratelowandhighreliability,thesimple,easyandwiththeadvantageoftheplc,thecontrolfunctionoftheventilationsystemofautomationisgreatlyincreased,thepostsofstafflabourintensity.

Keywords:

PLC,Inverter,Sensors,Ventilationunits,Pressuretesting

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

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。

3.1PLC可编程控制器部分

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。

3.1.2PLC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2PLC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3PLC工作过程

3.1.4PLC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PLC[3]。

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。

3.1.5PLC内部分配

CPU226I/O接口及内部寄存器分配如表1所示。

表1I/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

3.1.6CPU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4PLC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。

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5EM231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6EM235扩展模块接线

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2KGJ16B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

DC9～24V

测量范围

0～4%CH

工作电流

DC18V不大于65mA

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3HM23Y型压力变送器性能指标

测量范围

0～0.5MPa～220Mpa

供电

12～36VDC（一般为24V）

输出

4～20mA

1～5V

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：

表4Pt100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

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。

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MM440，2×37kw，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8PLC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。

3.41KXJT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9KXJT型矿用通风机结构

3.42KXJT型矿用通风机技术参数

表5KXJT型矿用通风机技术参数

电源输入电压

660VAC

输出电压

18V/360mADC

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）

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，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