PLC的矿井通风控制系统设计方案.docx

1、PLC的矿井通风控制系统设计方案摘要煤矿的安全生产中，矿井通风系统起着极其重要的作用，它是煤矿安全生产的关键环节。而矿井通风机又是矿井通风系统的主要设备之一，因此对其进行PLC控制的变频调速系统的设计和研究，不仅可以大大提高煤矿生产的机械化、自动化水平，还能节省大量的电能，具有较高的经济效益。煤矿主通风机监控系统主要包括风机性能检测和风机风量调节控制两部分。本文以一台矿用对旋轴流风机为控制对象，结合PLC控制技术、变频调速技术和组态监控技术，对矿井通风机进行了PLC控制的状态监测和变频调速的设计和研究。监控系统采用上位机加下位机的设计模式。下位机采用可靠性高的可编程逻辑控制器，通过各种传感器和

2、电量采集单元实时监测通风机的性能参数和状态参数、电机的电气参数并能实现远程通讯。上位机应用北京亚控科技公司开发的KINGVIEW6.52组态软件编写人机界面，将风机工作流程以直观的画面显示出来，实现数据采集和显示、关键数据的记录和报警、生产数据的存储和报表输出、为操作员提供良好的操作界面，完成了风机房的无人值守自动化监控和管理的设计和改造。在变风量系统中，主要比较了风门调节与变频调节，显示出了变频调节系统不仅能使风机工作在高效区，并且其节能效果要优于其它调节方法，具有很重要的应用前景。风机调节控制由PLC+变频器控制电机转速实现风量控制。同时本文还研究了风量调节的算法。关键词：PLC控制；变频

3、调速技术；矿井通风机；组态王软件；1引言矿井通风控制是井下采、掘行业必不可少的环节，特别是在瓦斯浓度要求严格的作业面，井内的通风状态以及瓦斯气体含量对工作人员来说非常重要。因此，矿井通风的控制具有重要的理论意义与实际意义，近年来受到格外关注。所谓通风控制，主要是针对矿井风流的控制，通过对通风机进行调速来控制风流状态。在通常状况下，井下环境恶劣且风流压力受各种扰动影响而变化无常、难以把握。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

4、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

5、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 设计方案的拟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

6、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。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。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3-1所示，整个控制系统主要由PLC、变频器、瓦斯

7、传感器、压力传感器、电机组、通风机组等组成，该系统主控单元采用PLC，被控元件为变频运行的通风电机，主控参数为瓦斯浓度。工频/变频通风机电动机变送器 压力传感器 手动/自动声光报警380V交流电变频器PLC瓦斯传感器 图3-1 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3-2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

8、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3-2 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

9、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1。 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

10、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 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

11、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050Hz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

12、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。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(03%或06%)。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(03%或06%)之间，由此转差率

13、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50H

14、z时，会使电机气隙磁通(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

15、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。3.5 PID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，P

16、ID将压力反馈信号与给定信号进行比较，并经Proportion（比例）、Integral（积分）、Differential coefficient（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 (1)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。

17、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3-3 PID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，不可能使值减小为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

18、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。（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2。PID功能

19、示意图如图3-3所示。4 提高通风机装置综合效率通风机装置是矿井通风的心脏，是通风系统最重要的组成部分。它功率大，日夜不停地运转、耗电量很大。据统计，全国统配煤矿平均主通风机耗电占全矿耗电的16%。对主通风机进行改造，应优先考虑提高风机装置综合效率，即在系统改造的基础上通过风机调速、调整叶片安装角度等措施提高效率，尽量避免更换风机，因更换风机投资多、工程量大、工期长。总之，调节方案的选择取决于调节期长短，应综合考虑多个方面因素，经过技术和经济比较后采取综合治理措施3。4.1 风机调速风机的选型一般是以风机服务期内应克服的最大阻力的风机风压为依据。当矿井风量过大时，采用风峒中的调节闸门来控制风量

20、，但通风阻力大增，风机风压增加，风机所消耗的功率变化不明显。而采用调速技术来调节风量，其功率变化是非常显著的。根据比例定律，同型号风机，当转速由n1调为n2时，存在着n1/n2=。由此可见，风机转速稍有变化，矿井的风量变化不明显，而风机的风压和功率的变化较大。所以，当矿井风量过大时，采用调速技术控制矿井风量，比闸门控制风量节电效果明显。而当风量不足时，采用增速调节比新购置风机将节省一大笔购置费和安装费。如图4-1所示为4-72-11No.20B风机部分性曲线，风机转速710r/min。不采用闸门调节时，矿井风量为56.5 m3/s，风压力2760 Pa，采用闸门控制风量，将风量控制在50m3/

21、s，此时矿井通风总阻力为2960 Pa，电机功率消耗为190 kW，比不用闸门调节时功率降低10kW。后经改造将风机转速由710r/min降为630 r/min，将闸门提起，矿井风量仍控制在50 m3/s，此时主扇风压为2180 Pa，主扇所耗功率仅为143 kW，与采用闸门调节相比，年节省电费12万元。可见，矿井通风改造时应优先考虑风机调速。随着调速技术的发展，调速方法很多，诸如晶闸管串级调速、液力偶合器调速、变频调速、双速电机等。选用时要考虑实施的可能性或采取综合措施，但风量不足时，增速调节要注意风机的转速不要超过风机的最大转速，以免发生风机震动、噪音增大、轴温升高、电机超载等问题。图4-

22、1风机部分性能曲线图4.2 调整轴流风机叶片安装角度轴流式扇风机由于叶片安装角度可调，因此当矿井需风量发生变化时，可通过调整叶片安装角度来满足矿井通风要求。但调节应该在系统改造的基础上进行，不能盲日的加大叶片安装角度。4.3 更换电机据调查现在不少煤矿的主要通风机都存在着电机与风机不匹配即“大马拉小车”的现象。一方面由于设计的原因，考虑的备用系数过多。另一方面由于生产布局的调整，系统的改变造成的。对这种情况，应进行经济技术分析比较，需要更换电机的应予以更换，以降低电机空载损耗。如双鸭山A矿井，设备选型时选用的电机功率为800 kW。由于生产布局的调整，总需风量减少，主扇所需输人功率下降，使得电

23、机容量过剩，经实测40叶片安装角时电机功率仅为340 kW，即使考虑一定的备用系数及叶片安装角增大时功率的增加值，其电机功率也只需500 kW。因此根据现场实际情况，系统改造时将电机更换为630 kW，其空载功率下降了40 kW，年节省电费13余万元。可见“大马拉小车”的局面应尽快改变。4.4 采用“子母”风机现在煤矿使用的主扇和电机的选型，一般是考虑开采前期、中期和后期矿井的风量风压的变化情况，“一锤定终身”，且两个通风机的型号是一样的。这样势必造成前期风量大、风压高，通风能力过剩。建议风机选型或改造时选用“子母”风机，即选用一个大风机和一个小风机，或风机型号一样，所选电机在转速或功率上有所

24、差异，以适应不同生产情况下的矿井通风要求。运行时以适合矿井通风能力的通风机作主通风机，另一通风机作备用，当需要检修时启动备用临时进行通风。5 硬件的设计5.1 PLC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

25、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0.9s。500步的程序只需0.5ms的扫描时间。还可读限制50s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

26、是编程工具软件，其编程及监控功能都很强。其FP0-型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RS23

27、2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。5.2 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

28、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5-1所示。图5-1变频器的接线图5.3 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

29、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

30、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VxVL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VLVxVH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VxVH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

31、信号, 光报警信号仍然通过2脚输出。5.4 压力传感器的选择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。5.5 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

32、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；