基于PLC的矿井通风机设计正文.docx

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基于PLC的矿井通风机设计正文

第1章绪论

1.1课题研究的目的意义

随着社会的发展，能源需求快速增长，电能的需求量相当大，其中风机水泵类负载占很大比重。

根据不完全统计，1995年我国风机、水泵设备装机总功率达到1.6亿kW，年耗电量3200亿kWh，风机、水泵耗电量就占全国工业耗电量的1/2，而平均效率只有41%-50%。

有不少风机、水泵变风量（流量）运行状态，这类电动机的共同特点是风量（流量）小于额定量，电能利用率太低，运行时间长，节能的潜力是很大的

。

对于煤炭行业而言，我国煤炭资源丰富，能够为社会建设提供能源支持，但煤炭生产本身耗能较高，再加上生产工艺等原因，电能浪费严重。

其中风机控制就存在很大的浪费性。

矿井通风机是矿井的关键设备，一方面，风机的正常、稳定运行直接影响到矿井生产和工人的人身安全；另一方面，风机又是耗电大户，通风机的耗电在整个煤矿生产中占有相当大的分量，因此需要对风机风量进行有效地控制以达到节能的效果。

传统上采用恒速电动机拖动风机，通过调节挡板或阀门来调节风机的风量，其功率损耗大，运行效率低。

引入变频调速后，可以根据所需的风量来调节电机转速，获得很好的控制性能和节能效果。

因而采用变频调速的风量控制方案逐步取代了风门、挡板、阀门的控制方案。

目前通风机变频调速系统，多采用单片机控制，控制策略简单，通风效率低。

而采用功能可靠的PLC控制可以提高系统的稳定性与可靠性。

PLC的显著特点是能够在恶劣的环境中运行，具有很强的抗干扰能力，可靠性高，便于维护，因此，已在机械、冶金、电子、化工、煤炭和轻工等行业部门中得到了广泛的应用，并取得了显著的社会经济效益。

目前，煤矿高产高效综合机械化采煤设备中广泛采用PLC进行控制和通讯，增强了这些设备的功能。

例如：

神府精煤公司大柳塔矿的英国布拉什（Bmsh）公司生产的LC33型负荷控制中心（带有7组起动器）就采用了PLC控制技术，该系统可以实现独立先导控制、C接头控制、主-从顺序控制、顺序联锁控制等多种控制方案

。

多数高产高效矿井的采煤、掘进、运输等机械设备也都选用PLC作为整个控制统的指挥中心。

美国久益（JOY）公司生产的12CM18型连续采煤机的控制系统采用了计算机控制技术，主控由可编程控制器（PLC）承担，该系统不但能可靠完成采煤机正常工作所要求的各种控制任务，而且具有保护、状态监测、故障诊断及机器状态显示等功能。

1.2国内外研究状况

1.2.1国内研究状况

长期以来国内掘进工作面局部通风机一直采用空气接触器对局部通风机进行控制，其功能简单，可靠性差，经常造成“无计划”停电停风，引起瓦斯积聚。

早期国内掘进工作面局部通风系统普遍采用单回路供电方式，电气故障经常影响掘进工作面的供风。

从80年代后期，国内推行掘进工作面“三专两闭锁”供电方式，它从一定程度上降低了掘进工作面“无计划"停电停风的次数，但供电系统中任何一个环节出现停电检修或发生局部通风机机械故障，都会影响矿井局部通风系统的工作。

从90年代后期，国内一些特大型矿井开始使用双风机双电源的供风方式，这样从理论上讲可以降低“无计划”停电停风的概率，但经过几年的应用，局部通风机“无计划”停电停风造成瓦斯积聚乃至酿成瓦斯事故的情况仍屡有发生，究其原因，局部通风机供电及控制设备落后、保护性能差、故障概率高、设备数量多、布置分散、维护困难是主要原因。

1.2.2国外研究状况

目前国内外学者已经在矿井通风系统故障预测、报警和控制方面进行了比较多相关研究，例如：

加拿大矿能部的Hardcastle.S.G等采用电子叶片对矿井通风风流的测定评估及紧急状态瓦斯突出的报警系统研究，提供了矿井通风风流的信息，能有效预报矿井瓦斯浓度的超限，减少了瓦斯爆炸的概率

；波兰卡托维兹矿业研究所Mironowicz.w.对高瓦斯浓度矿井通风系统控制进行了研究，通过对系统风流的控制，能有效防止瓦斯的积聚，美国职业安全和健康研究院KaracanC.O.通过对不同阶段瓦斯涌出预测分析，进而对通风需求进行了优化研究，克服了根据生产量决定最大供风量既不经济又不安全方法；英国诺丁汉大学Hargreaves采用计算流体动力学方法对深井开采掘进工作面风流进行了建模和模拟计算，建立了通风特性与局部通风系统之间关系，以提高掘进工作面的通风条件；美国加利福尼亚大学HuYN和OlgaIK对煤矿的通风网络进行非线性模拟，建立了矿井通风网络的非线性模型，并在实际应用中取得了良好的效果；西班牙奥维耶多大学ToranoAR为隧道开发时通风的物理状况进行了计算，对通风系统的设计提供了科学的依据；美国弗吉尼亚州立大学工艺研究所StarWX和ErtugrulT利用运筹学模型优化了不同通风系统中通风控制装置的位置和大小，通过适当的安装通风控制装置，能够调节通风系统的压差，合理的分配风流；澳大利亚的LeszekW在煤矿井下瓦斯涌出预测和防治方面的研究，提出采煤率与瓦斯涌出量的逼近算法

，对煤矿的安全生产有重大意义。

在控制方面，各国的研究和发展水平不平衡，国外较早地将计算机控制技术应用到了煤矿掘进工作面的通风环节，保证了掘进工作面通风的连续性，对提高矿井自动化水平和生产效率产生了巨大的推动作用。

然而国外控制设备昂贵，配件周期长，在很大程度上制约着国外先进技术在我国井下掘进工作面的推广使用。

1.3课题的主要研究内容

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。

因此本论文以矿井离心机为研究对象，以三菱FX2N系列可编程控制器作为监控核心，运用温度、压力、浓度等传感器风机运行状态进行检测。

同时，利用PLC和上位机之间的通信实现通风机运行的在线监控。

还讨论了利用变频器控制通风机的变频运行，实现风机的高效节能运行。

第2章通风系统结构及控制方案

2.1通风系统要求

本论文设计的矿井主扇风机的控制主要是对矿井风压、瓦斯浓度的调节与控制。

风机风量的调节中引入变频器对风机风速的调节，据所需风压大小通过变频器来调节风机的转速在节能和提高风机效率方面具有无与伦比的优点。

本控制系统具有离心通风机组的启动、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，当井下压力高于设定压力上限时，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）为防止离心风机的疲劳运行，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。

2.2通风机控制方案

矿井通风方法以风流获得的动力来源不同，可分为自然通风和机械通风两种。

目前我国矿井采用机械通风方式，而主通风机多采用抽出式通风方法

，本设计就采用抽出式通风方法。

PLC控制系统具有对通风机的电动机启动与运行，进行监控、联锁和过热保护等功能。

为满足煤矿矿井通风系统自动控制的要求，设计如下的控制方案：

（1）含有手动、自动两种模式。

在手动模式下，通风机运行受矿井瓦斯浓度和电机转轴温度的影响，通过手动开关进行对通风机的控制。

在自动模式下，通风机还受到矿井气压的影响，并通过变频器自动对通风机进行控制。

在任何模式下风机在累计运行设定时间后要切换至另一台风机运行，定时时间可根据需要随机设定。

（2）采用压力（流量）传感器、浓度传感器、温度传感器分别对空气压力信号、瓦斯浓度信号、风机组定子温度或轴承温度信号进行采取。

采集的结果送入PLC中A/D转换模块进行模数转换，PLC将检测到的值与设定的值进行比较和处理。

模拟量压力输入值经PID运算，再经D/A转换输出的信号，通过变频器控制电机速度，瓦斯浓度和温度（风机组定子温度或轴承温度温度）限制值经查阅最新国家标准确定，经比较直接控制通风机运行。

（3）报警信号均为声光形式，报警指示在故障排除后自动消失。

通风系统原理框图如图2-1所示。

图2-1　通风系统原理框图

第3章相关技术介绍

3.1PLC可编程控制器

3.1.1PLC简介

PLC即可编程控制器（ProgrammableLogicalController），是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。

在1987年国际电工委员会（InternationalElectricalCommittee）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：

PLC英文全称ProgrammableLogicalController，中文全称为可编程逻辑控制器，定义是：

一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。

它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程，PLC是可编程逻辑电路，也是一种和硬件结合很紧密的语言，在半导体方面有很重要的应用，可以说有半导体的地方就有PLC

。

3.1.2PLC组成

PLC的种类繁多，但其基本结构和工作原理基本相同。

它主要由中央处理器

（CPU）、存储器、输入/输出（I/O）接口，电源等组成。

（1）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）输入输出单元

输入/输出单元是PLC接受和发送各种开关量、模拟量和数字量信号的接口部件。

输入单元用于接收现场的一些控制信号，通过接口电路转换成中央处理器可识别和处理的低电压信号，并存入输入映像寄存器。

输出单元将中央处理器输出的低电压信号，经过输出接口电路将其转换成现场的强电信号。

（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。

电源输入类型有：

交流电源（220VAC或110VAC），直流电源（常用的为24VDC）。

（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。

3.2模拟量输入、输出模块

FX2N-4AD是模拟量输入模块，有四个输入通道，分别是通道1（CH1）、通道2（CH2）、通道3（CH3）、通道4（CH4）。

每个通道都可以进行A/D转换，即将模拟信号转换成数字量信号，其分辨率为12位。

输入端模拟量电压范围从直流-10~+10V，分辨率为5mV。

若为电流输入，则电流输入范围为4~20mA或-20mA~+20mA。

FX2N-4AD内部共有32个缓冲寄存器（BFM），用来与主机FX2N主单元PLC进行数据交换，每个缓冲寄存器的位数为16位。

FX2N-4DA是模拟量输出模块，与输入模块相似，有四个输入通道，分别是通道1（CH1）、通道2（CH2）、通道3（CH3）、通道4（CH4）。

每个通道都可以进行D/A转换，即将数字信号转换成模拟量信号，其分辨率为12位。

输入端模拟量电压范围从直流-10~+10V，分辨率为5mV。

若为电流输入，则电流输入范围为0~20mA。

FX2N-4AD内部共有32个缓冲寄存器（BFM），用来与主机FX2N主单元PLC进行数据交换，每个缓冲寄存器的位数为16位。

输入输出模块均消耗FX2N主单元或有源扩展单元5V电源槽30mA的电流

。

3.3PID算法

本文采用PID算法来实现通风机的自动控制，因为当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型，且控制理论的其它技术难以采用时，系统控制的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时最适合用PID控制技术。

PID是工业控制上的一种控制算法，无论在温度/流量等慢变化过程，还是速度、位置等快变化的过程，都可得到很好的控制效果。

其中P表示比例，I表示积分，D表示微分。

以温度控制的PID程序为例：

P（比例）表示在温度设定值上下多少度的范围内做比例动作，当温度越高，功率越小，温度越低，功率就越大，功率到底为多大，就看温度偏差值和比例区间的大小按反比关系计算。

I（积分）也是一种比例，是温度偏差值的累积值与设定的一个值之间的反比关系，但要注意何时将温度偏差值的累积值清零。

积分就好像当温度比设定值低很多而你有觉得温度升的慢的时候就使劲的加大功率一样。

D（微分）是温度变化快慢跟功率的比值，即当你觉得温度上升的太快时，就降低功率，一阻止温度上升过快，反之当温度下降太快时，就加大功率以阻止温度下降太快一样。

所以在系统气压监测中使用了PID控制算法进行控制量输出的调节。

PID控制是经典控制理论中最典型的控制规律，在模拟控制系统中得到了广泛应用，可以获得比较满意的控制效果。

PID控制优点：

（1）算法简单，使用方便，容易通过简单的硬件和软件方式实现；

（2）适应性强，可以广泛地应用于各种控制环境；

（3）鲁棒性强，它的控制品质对被控对象特性的变化不大敏感。

基于以上优点，PID控制直到现在仍然是应用最广泛的基本控制方式之一。

3.4变频调速技术

异步电动机是电力、化工等生产企业最主要的动力设备。

作为高能耗设备，其输出功率不能随负荷按比例变化，大部分只能通过挡板或阀门的开度来调节，而电动机消耗的能量变化不大，从而造成很大的能量损耗。

近年来，随着变频器生产技术的成熟以及变频器应用范围的日益广泛，使用变频器对电动机电源进行技术改造成为各企业节能降耗、提高效率的重要手段。

电动机转速方程如式（3-1）所示。

（3-1）

式中n——异步电动机的转速；

ｆ——异步电动机的频率；

s——电动机转差率；

p——电动机极对数。

由式（3-1）可知，转速n与频率f成正比，只要改变频率f即可改变电动机的转速，当频率f在0~50Hz的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。

变频调速就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的。

　　变频器按其结构形式可划分为交-直-交变频器和交-交变频器两类。

其中交-交变频器工作原理是将三相工频电源经过几组相控开关控制直接产生所需要变压变频电源，其优点是效率高，能量可以方便返回电网，其最大的缺点输出的最高频率必须小于输入电源频率1/3或1/2，否则输出波形太差，电机产生抖动，不能工作。

故交交变频器至今局限低转速调速场合，因而大大限制了它的使用范围。

交-直-交变频器先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。

变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成。

整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为IGBT三相桥式逆变器，且输出为PWM波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率

。

第4章　通风系统硬件的设计

4.1　通风系统硬件电路

本系统的硬件电路由2台电动机，一台智能型电控柜（包括变频器、PLC、交流接触器、继电器等），保护装置以及供电主回路等构成。

系统主电路如图4-1所示。

图4-1　系统主电路

该系统有2台电动机，分别拖动2台通风机。

闭合开关后，当交流接触器KM2、KM4主触点闭合时，电动机为工频运行；当KM1、KM3主触点闭合时，电动机为变频运行。

2个热继电器FR1、FR2分别对2台电动机进行保护，避免电动机在过载时可能产生的过热损坏。

4.2　I/O接线图

由I/O接口分配表得I/O接线图如图4-2所示。

图4-2系统I/O接线图

由图4-2所示，I/O总点数为21，所以PLC型号选择FX2N-32MR，M为基本单元，R为继电器输出。

PLC输出量Y7（KA）控制变频器的启动，经PID计算的风压输出模拟量，由三菱变频器模拟量输入端口（1、5）输入，进而控制电机转速。

4.3元件选型

4.3.1传感器的选择

（1）瓦斯传感器

KGJ16B-2瓦斯传感器用于检测煤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监控系统、风电瓦斯闭锁装置及瓦斯断电仪配套使用。

该传感器是一种智能型检测仪表，具有稳定可靠、使用方便等特点。

调零、调精度、报警点设置等均可通过遥控器实现。

技术参数：

防爆型式：

矿用隔爆兼本质安全型；工作电压：

DC9~24V；工作电流：

DC18V不大于65mA；遥控范围：

距离不大于5m，角度不大于120；测量范围：

0~4%

输出信号：

1~5mA恒流，负载电阻0~500Ω。

（2）压力传感器

GPD60矿用本安型压力传感器可对矿井风机、风门密闭、通风巷道等地的差压进行连续监测，可以实时地显示被测点的差压值，主要技术：

额定工作电压：

5V；工作电流：

≤20mA；测量范围：

0MPa~60MPa输出信号：

0.5V~4.0V，负载电阻不小于10kΩ传感器到压力监测分站的最大传输距离10m。

（3）温度传感器

温度传感器是一种能感受温度而且能把温度转变成一种可被识别的输出信号的传感器。

温度传感器主要是对温度测量的部件构成。

温度传感器分为接触式和非接触式两种。

本设计选择PT100铂热电阻温度传感器，它的阻值是可以随着温度的变化而成正相关。

测量范围为60℃~175℃，主要用于轴承温度测量。

4.3.2风机的选择

风机的用途：

一般用于高压强制通风，如冶炼、送料、矿井、隧道、地下室、铁路等，亦可输送空气及其它无腐蚀性、不含粘性物质、非易燃、易爆之气体，介质温度最高不超过八十度，介质中硬质颗粒物中大于150

。

离心风机的作用：

离心风机是依靠输入的机械能，提高气体压力并排送气体的机械，它是一种从动的流体机械。

离心风机广泛用于工厂、矿井、隧道、冷却塔、车辆、船舶和建筑物的通风、排尘和冷却；锅炉和工业炉窑的通风和引风；空气调节设备和家用电器设备中的冷却和通风；谷物的烘干和选送；风洞风源和气垫船的充气和推进等。

我国矿井使用的离心式通风机主要就是G4-73

。

G4-73系列离心式通风机最初是为锅炉通风（引风）设计的，后来被引用到矿井通风中并拥有一定的市场占有量。

该系列离心式通风机的特点是特性曲线较平缓、无驼峰、运行噪声较小、效率高。

启动时关闭调节门（也叫前导器），具有启动功率较小,启动容易的特点。

运行时调节门可在0°~70°范围内调节，用以改变运行工况,还可通过配置不同转速的电动机来改变其运行工况,适应性较好。

G4-73系列通风机主要参数如表4-1所示。

表4-1G4-73系列通风机主要参数

型号系列

风压（Pa）

风量（m3/s）

转速

（r.min）

功率（kW）

最高效率（％）

G4-73

180~6860

5~180

375~1450

7.5~1220

90

一般的高压离心风机，其主要的动力设备是电动机，此外还包括用来控制风机风阀位置的电动或手动执行器、风机阀门限位开关等部件。

风机动力设备的传统控制方法是通过手动或继电器控制，存在可靠性和灵活性较差的问题，比如：

由于电机的容量大，就存在启动时间长、启动电流大、运行安全可靠性差等问题，为了解决这些问题，需要采取在启动离心风机时减少启动负荷、通过星—三角降压启动来降低启动电流、进行安全互锁控制等措施。

离心通风机工作时，动力机（主要是电动机）驱动叶轮在蜗形机壳内旋转，空气经吸气口从叶轮中心处吸入。

由于叶片对气体的动力作用，气体压力和速度得以提高，并在离心力作用下沿着叶道甩向机壳，从排气口排出。

因气体在叶轮内的流动主要是在径向平面内。

4.3.3电机的选择

电动机选择的基本原则是：

（1）根据生产机械调速的要求，选择电动机的种类。

（2）根据电源的情况，选择电动机额定电压。

（3）根据工作环境选择电动机的结构型式。

（4）根据生产机械所需要的功率和电动机的运行方式，选择电动机的额定功率。

交流电动机主要指交流笼型异步电动机和交流绕线型异步电动机，由于三相笼型异步电动机具有结构简单、价格便宜、坚固耐用、维修方便等优点，获得广泛应用。

据统计，在一般工矿企业中，笼型异步电动机的数量占电力拖动设备总台数的85%左右

。

根据环境条件及矿井级别，选用三相笼型异步电动机型号为Y-355M3-4，其参数如表4-2所示。

表4-2　Y-355M3-4参数表

型号

额定功率（kW）

额定电压

（V）

转速（r/min）

额定电流（A）

效率因数

（%）

功率因数

温升

（℃）

Y-355M3-4

305

380

1480

578.2

93

0.89

75

4.3.4　变频器的选择

变频器是通风系统中非常重要的设备，它能否正常稳定的工作，直接影响到系统变频通风功能的实现。

通过对比，最终选用同本三菱公司的系列通用变频器，选型过程分析如下：

（1）变频器的输出功率和电流选择必须等于或大于被驱动异步电机的功率和电流。

由于变频的过载能力没有电机过载能力强，一旦电机有过载，损坏的首先是变频器；又如果设备上已选用的电机功率大于实际机械负载功率，但是有可能用户会将把机械功率调节到达到电机输出功率，此时，