新型矿井通风控制系统的设计.docx

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新型矿井通风控制系统的设计

摘要

针对陈旧矿井通风控制系统中存在的体积庞大、接线复杂、机械触点多、排除故障困难、可靠性差、自动化程度低等缺陷，设计了一种基于先进PLC和变频器控制技术的矿井通风安全控制系统。

详细讨论了系统的结构、控制方案、工作原理、硬件与软件设计方法。

该控制器通过采集外界各个设备的状态信号，以矿井压力为主控参数，通过PLC控制变频调速系统，来调节通风机电机转速，对2台风机组电机进行手动和自动控制实现最优控制。

该控制系统合理控制各台电机的启停，同时实现故障报警。

通过PLC和变频器的应用，矿井通风系统不仅节约了电能，提高了效率，并且还达到安全监控的目的，为煤矿创造了良好的经济效益。

关键词：

PLC，变频调速，通风系统，传感器

NewTypeofMineVentilationControlSystemDesign

Abstract

Inviewofthedefectsintheoldundergroundmineventilationcontrolsystemsuchaslargesize，complexwireconnection，manymechanicalcontacts，difficultfailureshooting，poorreliabilityandlowautomationdegree，amineventilationsafetycontrolsystembasedonadvancedPLCandtransducercontroltechnologyisdesigned．Itsstructure，controlscheme，workmechanism，hardwareandsoftwaredesignmethodarediscussedindetail．ThecontrolleradjustfanspeedbyFrequencyControlSystemcontrolledofPLC,throughcollectingStatussignalofeveryoutsideequipmentinMinepressuretocontrolparameters.Thefansetsoftwooftheventilationunitachieveoptimalcontrolbymanualandautomaticcontrol.Thecontrolsystemcontrolsstartandstopofeverymotorreasonably,andachievesfailurealarmatthesame.UndergroundMineVentilationnotonlysaveselectricity,improvesefficiency,andalsoachievesthepurposeofmonitoringsafety,createsagoodeconomicreturnsforcoalminebytheapplicationofPLCandtransducer.

Keywords：

PLC,FrequencyControl,VentilationSystem,Transducer

目录

1绪论1

2设计方案的确定1

3系统的结构及工作原理2

3.1系统的结构2

3.2系统的控制原理2

3.3系统的运行方式3

3.4变频调速原理4

3.5PID调节原理介绍5

4硬件设计7

4.1PLC类型的选用7

4.2变频器类型的选用及接线方式8

4.3瓦斯传感器的选择8

4.4压力出感器的选择9

4.5变送器的选择10

4.6电机的选择10

4.7电源供电方式10

4.8故障处理及保护功能12

5软件的设计13

5.1I/O分配14

5.2PLC接线图14

5.3程序控制流程图15

6软件操作注意事项16

7结束语16

致谢16

参考文献17

附录18

1绪论

随着国际经济一体化的进展，我国经济迅猛发展。

对能源的需求与日俱增。

在我国能源结构中煤炭比较重大。

这样一来，我国煤炭时常得到了前所未有的机遇，煤炭企业满负荷生产。

超能力生产现象比较普遍。

虽然企业效益提高了但是不要忘了，随着企业的不断发展灾害事故正在悄悄的走近我们，致使企业和矿工们得不到安全保障，煤矿开采深度的不断增加。

地温在升高，煤质的优化，不断的为灾害事故的发生创造良好的条件。

原先用人工进行通风控制，由于无法每时每刻对矿井的风量进行准确的定位监测，很难准确控制风机的启停；并且出现故障多，可靠性差，给维修带来很大的麻烦。

以往通风控制系统中有很大一部分通风电机是不变速拖动，不变速电机的电能大多消耗在适应风量的变化而频繁的开停风机中，这样不但使电机工作在低效区、减短电机的使用寿命，而且电机的频繁开停使设备故障率很高，系统的维护、维修工作量较大；另一方面，由于风量的随机性，所使用的风量是动态的，采用传统方法难以保证通风的实时性。

从整体最优目标要求出发，这些因素必须在控制设计中加以考虑，这就需要寻找并应用行之有效的理论，从而来满足这些要求使设计变得简单易行。

针对以上提出的问题，本文采用自动化控制对整个矿井通风系统进行改进，将所关心区域主风流作为当前状态，井下环境干扰作为外部扰动输入，通风机输出功率作为控制输入，并考虑实际上瓦斯浓度、风流流速检测滞后的基础上，应用控制理论与技术解决这类矿井通风控制问题，在整体上求得技术与经济的最佳效益。

2设计方案的确定

用变频调速来控制风机的运行，通常有单片机或PLC控制两种方式，但在软件设计上，PLC比单片机的编程更简洁、直观；从硬件接口考虑，单片机电路稍微复杂一些；从经济方面考虑，由于PLC工艺的日渐成熟，小型PLC的成本与单片机相差无几，由于要根据现场情况调整系统参数，PLC的软件中时间参数的调整更简单，硬件接口简易可行、提高系统运行的可靠性，特别是整个系统的稳定性和抗干扰能力很强，这样更有利于售后服务人员掌握。

本设计方案将PLC与变频器结合在一起组成自动化的通风控制系统，更好的优化了传统的通风系统，解决了传统系统中能耗大、通风质量差等诸多问题，它用PLC进行逻辑控制，用变频器对电机速度进行调节，自动控制电机转速，在保持恒压状况下，达到控制风量的目的[1]。

系统通过瓦斯传感器检测瓦斯浓度和压力传感器检测的负压，经变送器转换后，送到PLC进行比较、判断，将控制信号送给变频器，从而控制通风电机的转速，使之实现最优控制。

系统应具有“变频/工频”切换功能，当变频器出现故障或电机需要长期在工频状态下运行时，可将电机切换到工频状态，有手动和自动切换2种方式，同时还有手动“启/停”功能、电机过热保护、声光报警等功能，提高了系统可靠性[2]。

3系统的结构及工作原理

3.1系统的结构

系统的结构框架如图1所示，该系统由PLC、传感器、变频器、电动机、通风机等组成，主控参数为瓦斯浓度和井下气体压力。

图1系统控制原理框图

3.2系统的控制原理

通过安装在矿井内部的瓦斯传感器和压力传感器，将信号传给变送器变成标准电信号送入PID调节器，经运算与给定压力参数进行比较，得出调节参数送给变频器，由变频器控制风机电机的转速。

系统工作主电路如图2所示，当系统切换到自动状态时，根据检测到矿井内负压的大小，首先控制通风电机M1软启动，变频运转并随时检测其数值，如果得到设定值，系统将处于当前状态恒速运行。

否则频率上升到50Hz，M1工频运行，如果还未得到设定值，系统软启动M2电机，变频运行并无冲击切换到工频电源，直到矿井内负压达到设定值为止，实现通风电机循环软起动。

当所需负压减小时，M2电机转速逐渐下降到某一个设定低速值，如井内负压仍高于设定值，然后停止该台电机运转。

停止一台电机后，如果仍高于设定值，系统将M1电机由工频切换为变频运行，以此实现通风电机循环运行，直到压力等于设定值。

M3做备用电机，当M1或M2发生故障，以及需要维修和紧急情况时，通过启用M3电机来达到正常工作的目的。

图2系统工作主电路图

控制系统用一台变频器可以带两台电机，M1、M2、M3电机可以工作在常规工频模式，M1、M2可以工作在变频模式。

每台电机只能处于变频或工频其中一种工作模式，通过PLC的程序和外部接触器进行互锁，保证了安全与可靠的运行。

利用安置在矿井内部的传感器将信号传输到变送器，转换成数字信号，再传送给PLC，数值在PLC内部进行比较后，控制变频器从而对电机的速度控制。

电机的起、停分别由PLC内部参数所决定。

根据所需负压的大小由PLC控制工作组电机数量的增减及变频器对电机的调速，实现稳定的负压值。

采用变频器控制通风电机的转速，并自动调节风机的运行台数，完成系统的闭环控制，达到稳定的负压和节能的目的。

系统任意设定所需负压值，其反馈值通过PID调节后控制调速装置，以调节通风电机的运行速度，从而调节井内的瓦斯浓度。

这与传统的手动控制相比，该控制系统具有通风质量高、灵活性强、能耗少、电动机启/停平稳等许多优点[3]。

3.3系统的运行方式

该系统包括自动和手动两种运行方式：

（1）手动运行

该系统设有“手动/自动”转换开关。

当开关切换到“手动”时，可在现场启动、停止各台通风电机。

当变送器或变频器发生故障时，为确保通风可靠，三台通风电机可分别采取手动工频运行，该方式主要供检修或变送器和变频器发生故障以及紧急时用。

（2）自动运行

当转换开关转至“自动”状态时，电机的“启/停”及“变频/工频”切换，完全由PLC根据矿井内通风状况及程序内部的设定自动调整，最终达到现场无人值守、系统本身全自动运行。

合上自动开关后，M1通风电机通电，变频器输出频率从0Hz上升，同时PLC接收传感器的信号，经运算与给定参数进行比较，控制变频器调节电机转速，如果风量不足，则频率上升到50Hz，M1由变频切换为工频，M2电机变频启动，变频器逐渐上升频率直到满足设定值为止。

变频自动功能是该系统最基本的功能，系统自动完成对二台通风电机软启动、停止、循环变频的全部操作过程。

3.4变频调速原理

变频通风控制主要由变频器、控制系统、电机及传感器等部分组成。

该系统通过控制变频调速器，将50Hz的交流电从0～50Hz之间频率输出，实现交流电机的无极调速，从而实现矿井通风机的优化控制，当变频系统为开环时，设备可以人为设定输出任意频率控制电机转速；当变频系统为闭环时，随着反馈等要求的变化，自动得到相应的频率[4]。

通风电机通常由三相交流异步电动机来拖动，对通风机的调速是通过对其电机转速的调节来实现。

我们知道：

异步电动机转速n=60f（1-S）/P。

在这个公式中，f为电机电源的频率，P为电机的磁极对数，S为转差率（0～3%或0～6%）。

由上述电机的转速公式可见：

要想改变电机的转速，可以通过三种方法来实现：

（1）改变电动机的频率f；

（2）改变电动机的转差率S；

（3）改变电动机的磁极对数P。

通过对上面三种方法的分析可以知道：

改变电动机的转速的最好方法是改变电动机电源的频率。

因为转差率S的范围在（0～3%或0～6%）之间，由此转差率S对电动机的影响不大，调速效果不明显，效率相对较低。

改变磁极对数P这种方法，首先它不容易实现，其次由电机的工作原理决定了电机的磁极数是固定不变的。

由于该磁极数值不是一个连续的数值（为2的倍数，例如极数为2，4，6），所以一般不适合通过改变该磁极对数P来调整电机的速度。

电动机的转速n和供电电源的频率f成正比，要设法改变三相交流电动机的频率f，就能十分方便地改变电动机的转速n，另外，频率f能够在电机的外面调节后再供给电机，这样电机的旋转速度就可以被自由的控制，比改变磁极对数P和转差率S两个参数简单方便得多。

而实际上如果仅仅改变电动机的频率并不能获得良好的变频特性。

如果电压不变，频率下调至小于50Hz时，会使电机气隙磁通φ（约等于V/f）饱和；反之，电压不变，频率上调至大于50Hz时，则使磁通减弱。

所以真正应用变频调速时，需要同时改变电压V和频率f，以保持磁通基本恒定。

通常，电机产生的转矩要随频率的减小（速度降低）而减小。

通过使用磁通矢量控制的变频器，将改善电机低速时转矩的不足，甚至在低速区电机也可输出足够的转矩。

矢量控制具有转矩提升功能，它能增加变频器在低频时的输出电压，以补偿定子电阻上电压降引起的输出转矩损失，从而改善电机的输出转矩。

改善电机低速输出转矩不足的情况，使用“矢量控制”，可以使电机在低速时的输出转矩可以达到电机在50Hz供电输出的转矩。

对于常规的V/F控制，电机的电压降随着电机速度的降低而相对增加，这就导致由于励磁不足，而使电机不能获得足够的旋转力。

为了补偿这个不足，变频器中需要通过提高电压，来补偿电机速度降低而引起的电压降。

转矩提升功能是提高变频器的输出电压。

然而即使提高输出电压，电机转矩并不能和其电流相对应的提高，因为电机电流包含电机产生的转矩分量和其它分量。

矢量控制把电机的电流值进行分配，从而确定产生转矩的电机电流分量和其它电流分量的数值。

矢量控制可以通过对电机端的电压降的响应，进行优化补偿，在不增加电流的情况下，允许电机输出大的转矩。

3.5PID调节原理介绍

在通风控制系统中，变送器将传感器的信号变换成电压量或电流量，反馈到PLC高级模块-PID模块，PID将压力反馈信号与给定信号进行比较，并经Proportion（比例）、Integral（积分）、Differentialcoefficient（微分）、诸环节调节后得到频率给定信号，控制变频器的工作频率，从而控制了电机的转速和通风量。

（1）比较与判断功能设负压为给定信号，传感器的反馈信号为

，PID调节器首先对上述信号进行比较，得到偏差信号

接着根据

值判断如下：

为“＋”，表明通风量低于给定值，电机应加速。

大，说明所需风量低得较多，应加快电机的转速。

为“-”，表明通风量高于给定值，电机应减速。

小，说明所需风量高得较多，应使电机减速。

如果所用风量Q增大了，引起通风不足，于是出现了偏差信号

。

的大小与负压成比例，但具体数值因其型号的不同而各异。

图3PID功能示意图

（a）风量增大（b）负压下降（c）P调节后的风量（d）P调节后的负压

（e）PI调节后的风量（f）PI调节后的负压（g）PID调节后的风量（h）PID调节后的负压

仅仅依靠

的变化来进行上述控制，虽然也基本可行，但在

值很小时，反映不够灵敏，不可能使

减小为0，而存在静差

。

（2）P（比例）功能简略的说，P功能就是将

值按比例放大。

这样，

值即使很小，也被放大得足够大，使电机的转速得到迅速调整，从而减小了静差

。

但是，另一方面，P值设定得大，则灵敏度高，通风压力

到达给定值

的速度快。

但由于拖动系统有惯性的原因，很容易发生超调（风压超过了给定值）。

于是又必须向相反方向回调，回调也很容易超调。

结果使风量Q在新的风量处振荡，而风压

则在给定值

处振荡[5]。

（3）I（积分）功能振荡现象之所以发生，主要是电机的升速过程和降速过程都太快的缘故。

I（积分）功能就是用来减缓升速和降速的功能，以缓解因P功能设定过大而引起的超调。

I功能和P功能相结合，即为PI功能。

（4）D（微分）功能为了克服因I值设定过大而带来的缺陷，又增加了D（微分）功能。

D功能是将X的变化率（

）作为自己的输出信号。

当风量刚刚增大、负压

刚下降的瞬间，

最大；随着电机转速的逐渐上升，负压

的逐渐恢复，

将迅速衰减。

D功能和PI功能相结合，便得到PID调节功能。

PID功能示意图如图3所示。

4硬件设计

4.1PLC类型的选用

日本松下公司的FP0系列PLC，可以说是可编程控制器市场的后起之秀，FP0是超小型PLC，是近几年开发的新产品，虽然松下电工的产品进入中国市场较晚，但由于其设计上有不少独到之处，其产品特点可以归纳为以下几点：

（1）丰富指令系统

在FP0系列PLC中，即使是小型机，也具有近200条指令。

除能实现一般逻辑控制外，还可以进行运动控制，复杂数据处理，甚至可以直接控制变频器实现电动机调速控制。

此外，FP0可以单台使用，也可以多模块组合，最多可增加3个扩展模块，I/O口从最小10点可扩大到128点。

（2）快速的CPU处理速度

FP0系列PLC各种机型的CPU速度均优于同类产品，小型机尤为突出，超小型FP0的几ms/千步，对于大型机，处理速度会更快。

FP0的运行速度在同类产品中是最快的，每个基本指令执行速度为0.9µs。

500步的程序只需0.5ms的扫描时间。

还可读限制50µs的窄脉冲，即FP0有脉冲捕捉功能。

（3）大程序容量

FP0系列机的用户程序容量也较同类机型大，其小型机一般都可达3千步左右，最高可达到5千步。

FP0具有大容量的数据寄存器，可用于复杂控制及大数据量处理。

（4）功能强大的编程工具

FP0系列无论采用的是手持编程器还是编程工具软件，其编程及监控功能都很强。

其手持编程器还有用户程序转存功能。

其编程软件除已汉化的DOS版NPST-GR外，还推出了Windows版的FPSOFT，最新版的FPWIN-GR也已进入市场。

这些工具都为用户的软件开发提供了方便的环境。

（5）强大的网络通信功能

FP0系列机的各种机型都提供了通信功能，而且它们所采用的应用层通信协议又具有一致性，这为构成多级PLC网络，开发PLC网络应用程序提供了方便。

松下电工提供了多达6种的PLC网络产品，在同一子网中集成了几种通信方式，用户可根据需要选用。

尽管这些网络产品的数据链路层与物理层各不相同，但都保持了应用层的一致性。

FP0可经RS232口直接连接调制解调器。

通信时若选用“调制解调器”通信方式，则FP0可使用AT命令自动拔号，实现远程通信。

4.2变频器类型的选用及接线方式

选用变频器的类型，首先要按照类型、调速范围、静态速度精度、起动转矩等，然后决定选用那种控制方式的变频器。

为满足本系统需要，选用富士变频器G11S系列，它具备以下功能：

（1）简单矢量控制功能，简单矢量控制是确保低速运转时仍保持高转矩（1Hz时转矩为150%额定转矩）。

（2）自动调谐（带差转补偿）功能，此功能可以自动监控矢量控制电动机的恒定值，并适用于2极、4极或6极的三相鼠笼式电动机。

（3）速度跟踪功能，起动变频器时无需停止电动机的运转（空转时）即可从商业电驱动运行过渡到变频器驱动运行或者从突然断电后恢复运转。

（4）改进的防止跳闸功能，在过载运行中，当输出电流达到过流失速水平时，该功能可以自动降低频率；负载恢复正常后，该功能又自动将频率恢复到原设定值并继续运行；该功能还可以防止某些机械运行中因过电流而跳闸。

变频器的接线图如图4所示。

图4变频器的接线图

4.3瓦斯传感器的选择

根据设计要求，为了满足功能需要选用CH217瓦斯传感器，由上海无线电14厂根据瓦斯报警的特定功能和技术要求新近开发研制的一种单片低压、低功耗、微小信号检测报警的专用设备。

它适合于煤矿开采过程中的瓦斯检测与报警，其内部设两个报警通道，可发出预报和危险两种报警信号，报警信号又分为视觉和听觉（声音）两种，而以声音信号的不同来代表预报（低浓度）和危险（高浓度）两种报警形式。

芯片内部由小信号放大器AV，两个信号比较器VC1、VC2，两组振荡器，逻辑编码控制器以及驱动器组成。

使用电路简单，易于调试，安装方便。

CH217采用全CMOS工艺制造，具有输入阻抗高，功耗低的特点；又由于采用了最新低压CMOS线性电路设计技术，并巧妙地将线性电路与逻辑电路组合成完整的功能系统，因而具有工作电压低、满足井下工作环境要求等特点。

报警电路工作过程：

瓦斯传感器输出信号通过CH217的17、18脚送入到内部小信号放大器AV，由其将传感器的微弱信号放大后由19脚输出形成Vx信号，Vx通过16、13脚进入两个信号比较器VC1、VC2,由VC1、VC2将Vx与从RP2、RP1上提取的预报与危险两种基准信号VL、VH进行比较，形成报警控制信号FI（11脚）和SE（14脚）。

当Vx＜VL时，两报警控制信号同时为低电平，说明此时瓦斯浓度很低，没有危险，不需要报警；当VL＜Vx＜VH时，预报警控制信号FI为高电平，危险报警控制信号SE为低电平，说明此时瓦斯有了一定的浓度,应进行预报，这时CH217通过第3脚输出频率较低的声音预报报警信号，同时通过2脚输出光报警信号；当Vx＞VH时，两报警控制信号同时为高电平，说明此时瓦斯浓度已达到了危险的程度，这时CH217通过第3脚输出频率较高的声音危险报警信号,光报警信号仍然通过2脚输出。

4.4压力出感器的选择

传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。

MPX2000属于压阻式压力传感器。

压阻式压力传感器是利用单晶硅的压阻效应制成的器件。

它是在单晶硅基片上用扩散工艺制成一定形状的应变元件，当受到压力作用时，使应变元件的电阻率发生变化，电阻变化引起电路输出电压发生变化。

压阻式传感器的特点有：

易于小型化、易于集成化、灵敏度高、测量范围宽、频率响应宽、工作可靠寿命长、受温度影响大。

压阻式压力传感器广泛应用于流体压力、压差的测量。

综合对矿井通风系统下的环境以及井下压力因素的分析，我们使用此款MPX2000的传感器，能够更好的控制井下风对整个装置的影响。

4.5变送器的选择

在通风控制系统中选用变送器是将矿井内压力传感器的模拟信号变换成标准的电信号。

从而便于PLC内的PID调节，实现对变频器的控制，使变频器输出相应的频率来控制电机的转速，有效的调节矿井内的通风量。

在整个控制系统中，变送器起着非常重要的作用。

在本系统中选用由天津市奥斯克科技发展有限公司生产的SK1151系列电容式压力变送器。

SK1151系列电容式变送器是采用国外先进技术和设备，关键原材料、元器件、和零部件均从国外进口，整机经过严格组装和测试。

具有设计原理先进，品种规格齐全，安装使用简便（规格、尺寸与原装1151完全兼容），外形美观等特点。

最近研制开发出来的S智能系列更是一种智能式变送器，有很强的使用价值。

目前，该系列产品已广泛应用于石油、化工、冶金、电力、食品、造纸、医药、机械制造等行业。

同时SK1151系列电容式变送器还具有以下特点：

精度高，稳定性好，二线制输出标准电流（0-20mA）；

阻尼可调、单向过载保护特性好，无机械可动部件、维修工作量少；

全系列统一结构、零部件互换性强，接触介质的膜片材料可选择，（316L，TAN，HAST-C、MONEL等耐腐蚀材料）防爆结构、全天候使用；

基于以上优点，选用SK1151系列电容式压力变送器[6]。

4.6电机的选择

1#泵电机M1和2#泵电机M2均为15kW的三相鼠笼型异步电动机，工作方式：

在工频/变频情况下都正转，并且可以手动控制。

3#附属小泵电机M3为2.2kW的三相鼠笼型异步电动机，工作方式：

在工频/变频下都正转，且可以手动控制。

1#泵和2#泵电机顺序起动，附属小泵电机起平衡作用。

要求各个电机都具有短路和过载保护。

4.7电源供电方式

煤矿井下掘进工作面一般采用通风机以稀释巷道涌出的瓦斯浓度。

在高瓦斯矿井的掘进工作面，一旦出现因供电故障而造成通风机停