基于PLC的矿井通风控制系统设计改造设计.doc

目录1绪论.12系统结构和控制方案.12.1系统的设计功能.12.2系统组成及方案.23通风机组部分.33.1KXJT型矿用通风机结构.33.2KXJT型矿用通风机技术参数.34系统硬件构成及各部分功能.44.1PLC可编程控制器部分.44.1.1PLC概述.44.1.2PLC的一般构成和基本工作原理.44.1.3可编程控制器的工作方式.54.1.4PLC选型及特点.54.1.5PLC内部分配.54.1.6CPU模块的外部连接.64.1.7扩展模块的外部连接.64.2传感器部分.94.3变频器部分.104.3.1变频器的基本构成.104.3.2变频器选型.104.3.3变频器与PLC的外部连接.115软件设计.115.1温度控制部分.125.2瓦斯浓度控制部分.145.3压力控制部分.156结束语.19致谢.错误!未定义书签。参考文献.20附录(程序清单).2111绪论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，为此需及时调整矿井通风系统，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2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230kW为例，选用1台西门子S7200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33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。3.1KXJT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2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2KXJT型矿用通风机结构3.2KXJT型矿用通风机技术参数表1KXJT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4852Hz输出频率范围F10.0F50.0Hz适配通风机功率230(kW)额定容量70(kVA)44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。4.1PLC可编程控制器部分4.1.1PLC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。4.1.2PLC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3所示。图3PLC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。5(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。4.1.3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4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4PLC工作过程4.1.4PLC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PLC3。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，使用方面灵活等特点。所以在规模不太大的领域是较为理想的控制设备。4.1.5PLC内部分配CPU226I/O接口及内部寄存器分配如表3所示。6表3I/O接口分配表输入输出风机启动SB1I0.0风机组1输出KM1Q0.0风机停止SB2I0.1风机组2输出KM2Q0.1手动自动转换SB3I0.2工频输出KM3Q0.2风机组选择SB4I0.3压力下限指示灯L1Q0.4变频工频转换SB5I0.4风机组1运行指示灯L2Q0.5报警解除按钮SB6I0.5风机组2运行指示灯L3Q0.6风机组1转子测速器输入SB7I0.6风机组1温度上限指示灯L4Q0.7风机组2转子测速器输入SB8I0.7风机组2温度上限指示灯L5Q1.0急停SB9I1.0蜂鸣器1Q1.1压力传感器输入AIW0急停指示灯L6Q1.2瓦斯浓度传感器输入AIW2风机组1机械故障指示灯L7Q1.4风机组1轴温度传感器输入AIW4风机组2机械故障指示灯L8Q1.5风机组1定温度传感器输入AIW6手动自动指示灯L9Q1.6风机组2轴温度传感器输入AIW8瓦斯上限指示灯L10Q1.7风机组2定温度传感器输入AIW10压力模拟量输出L11AQW04.1.6CPU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、I0.0I1.4为第1组，2M、I1.5I2.7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、