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PLC 矿井 通风 控制系统 中的 应用

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河南科技学院本科生毕业论文（设计）成绩评定表学生姓名马太虎院（系）机电学院专业电气工程及其自动化论文（设计）题目PLC在矿井通风系统中的应用指导教师评语及评分指导教师评语：指导教师评分：_ 指导教师签字：_ 年 月 日（指导教师用）河南科技学院本科生毕业论文（设计）成绩评定表学生姓名马太虎院（系）机电学院专业电气工程及其自动化论文（设计）题目PLC在矿井通风系统中的应用评阅教师评语及评分评阅教师评语：评阅教师评分_ 评阅教师签字：_ 年 月 日（评阅教师用）学生姓名马太虎班级电气064指导教师刘法治论文（设计）题目PLC在矿井通风控制系统中的应用目前已完成任务1.根据系统的应用领域，采集数据的类型和大小、I/O点数，选择S200系列CPU为226型的PLC。2.系统结构和控制方案也确定了，本控制系统采用通风机的启动、互锁和过热保护等功能。3.通风机组的选择也以确定，并采用对旋式通风机，确定了6路输入，分别为：1#、2#通风机的定子、轴承温度给定信号，瓦斯浓度给定信号，气压给定信号。是否符合任务书要求进度：是尚需完成的任务1.解决变频器的选择？2.以及对采集到信号怎样识别？3.识别后PLC做怎样的输出，输出给谁？能否按期完成论文（设计）：能存在问题和解决办法存在问题1.PLC怎样接收采集的模拟信号？2.PLC怎样与变频器结合，结合后怎样控制通风机？拟采取的办法1.选用一块EM231热电偶模拟量输入模块，来完成4路温度传感器的模拟数字转换功能。2.一块EM235模拟量输入输出模块，来完成瓦斯传感器以及压力传感器的模数转换和1路变频器的数模转换功能。3.通过变频器改变风机电流的频率，从而改变风机的转速，从而完成预定的效果。指导教师签 字日期 年 月 日教学院长（系主任）意 见 签字： 年 月 日河南科技学院本科毕业论文（设计）中期进展情况检查表PLC Controller of Wind Turbine1 IntroductionWind energy as an inexhaustible, clean and pollution-free renewable energy, its exploitation has been widespread attention around the world, as one of the wind resource-rich countries, the level of Chinas wind power has made the rapid development . From the 20th century 70s, and network-based wind power has been gradually began to commercialize technologies become more sophisticated, increasing unit capacity, while the stall induction wind turbine wind farm has become the main model. As the main form of collecting wind energy, wind turbine control problem of growing importance. At present, run on wind turbine control, PLC control has been widely used at home and abroad. In recent years, PLC with its many features widely used in advanced industrial countries have become the standard industrial control equipment. It is designed specifically for industrial control, set electrical, instrumentation, control three-in one is to achieve an ideal control of mechatronics equipment. PLC can be programmed using the memory, in addition to the implementation of logical operations, order of operations, timing, counting and arithmetic operations such as instruction, but also to complete the order or timing of various closed-loop control functions. Through various communication interfaces and module processing, to digital or analog input and output for easy connection at all levels, small, anti-interference ability, high reliability, good stability in long hours under harsh environment, not intermittent operation, and programming is simple, easy to maintain. In this paper, S7 - 300 PLC system and network-based asynchronous stall wind turbine application are described.2 A fan control deviceFan Control is the safe and reliable operation of wind turbines a key technology, control devices and the wind turbine is closely related to the remaining parts, a wind turbine to run the brain, normal and reliable operation of the entire unit, and a reliable guarantee for optimal operation 1. Fan control system structure shown in Figure 1, including central control, soft and network control system, reactive power compensation control system and the yaw control system 2.2.1 Fan Control System Hardware DesignMost wind turbine works in high, cold, humidity, sand and other harsh natural environment and strong electromagnetic interference environment, and unattended, requiring that their main controller interference capability, high reliability and the work of various operating parameters accurate measurement, control strategy are reasonable, timely and accurate processing Faults. By analyzing the requirements and characteristics of the control unit, more sequential control, the control system to handle the input and output signals are mostly switching signal, so use PLC as the master controller to meet its wind turbine control systems. Requirements to measure wind turbine needs, select Siemens S7 - 300 type PLC module and network as a stall-type center of asynchronous wind turbine controller.Wind turbine control system hardware component includes the main control cabinet (Main panel), the computer cabinet (Computer panel), capacitor cabinets (Phase compensation), at the top of control cabinet (Topbox), sensors, actuators and control cables. In the 750kW wind turbine, the tower cabin cabinet PLC module includes digital input module SM321, analog input module SM331, high-speed counting module FM350, interface module IM153 (ET200 series), etc.; tower bottom PLC module control cabinet includes CPU module CPU - 315, digital input module SM321, digital output module SM322, communications processors, CP340, power supply module PS307 so.2.2 Fan Control System Design SoftwareCombining the characteristics of PLC systems, machine control system using the STEP7 on the preparation of fan control applications, with statements tables and ladder combination of methods to achieve the application of modular, structured programming. Is more convenient and safe for wind turbine control, lookout turbine control functions to be achieved is divided into several relatively independent tasks, in accordance with the modular programming software programming, the main program was completed for wind turbine generators start , soft and net size of the motor switch control and power generation system optimization; subroutines include: shutdown subroutine, emergency shutdown subroutine, yaw subroutine, Jie Lan subroutine, Kai P stop control gear pumps, hydraulic pumps Kai P stop control, and gear oils such as heating and cooling routine.Before the start of the main switch closing, wind turbine controller is now prepared to run. First, system initialization, control program initialization, check the status of micro-controller hardware and peripherals are intact, detection system parameters (temperature, hydraulic oil, pressure, wind direction, wind speed, etc.), compare the detected operating parameters, without failure, the system can formally start. Start, first check the network to detect the parameters of the grid, set all counters, output of the initial work of state institutions and the opening angle of thyristors 3, after the wind turbine start automatically. Wind wheel angular leaf recovery by the 90 of 0 , the wind began to turn round, the computer began to real-time monitoring of various parameters, with the increase in wind speed round, wind round the feedback speed signal as input to judge the conditions, into the controller to determine whether the grid. When the power system operation, the system used to determine the parameters of test parameters has exceeded the limit, the implementation of yaw, phase compensation, safety brake.3 ConclusionCombination of wind power control requirements to S7 - 300-PLC module, for example, on the 750kW wind turbine control system was outlined to study the composition of its control system and fan control process, the paper design of PLC control systems, test Fans of the actual control and operation of wind turbine can achieve good control.PLC 控制器在风电机组中的应用1 引言风能作为一种取之不尽、清洁无污染的可再生能源,其开发利用已经受到了世界各国的普遍重视,作为风力资源丰富的国家之一,我国的风力发电水平也取得了较快的发展。从20 世纪70 年代开始,并网型风力发电己经逐渐开始商业化,技术也日益成熟,单机容量越来越大,而失速型异步风电机已成为国内风电场的主要机型。作为采集风能的主要形式,风电机组的控制问题研究变得越来越重要。目前,在风电机组控制运行上,PLC 控制已被国内外普遍采用。在最近几年,PLC 以其诸多特点获得广泛的使用,在工业先进国家已成为工业控制的标准设备。它专为工业控制而设计,集电气、仪表、控制三电于一体,是实现机电一体化的理想控制设备。PLC 采用可以编制程序的存储器,除了可以执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令,还可以完成各种顺序或定时的闭环控制功能。通过各类通讯接口与模块处理,进行数字式或模拟式的输入和输出,方便各级连接,体积小、抗干扰能力强、可靠性高、稳定性好、能在恶劣环境下长时间、不间断运行,且编程简单,维护方便。本文就S7 - 300 PLC系统在失速型并网异步风力发电机组中的应用进行了说明。2 风机控制装置风机控制是整个风电机组安全可靠运行的关键技术,控制装置与风力发电机组的其余各部分密切相关,是风电机组运行的大脑,是整个机组正常可靠运行以及实现最佳运行的可靠保证1 。风机控制系统结构图如图1 所示,主要包括中心控制器、软并网控制系统、无功补偿控制系统和偏航控制系统等2 。2. 1 风机控制系统硬件结构设计风电机组大多工作于高温、高寒、高湿、风沙等恶劣的自然环境与强电磁干扰环境中,且无人值守,要求其主控制器抗干扰能力强,工作可靠性高,各种运行参数测量准确,控制策略合理,对故障的判断处理及时准确。通过分析机组的控制要求与特点,顺序控制较多,控制系统需要处理的输入输出信号也大都是开关信号,所以选用PLC 作为主控制器可以满足风电机组对其控制系统的要求。衡量风电机的要求需要,选择西门子公司的S7 - 300 型PLC 模块作为失速型并网异步风电机组的中心控制器。风电机组控制装置的硬件组成主要包括主控制柜(Main panel) 、计算机柜(Computer panel) 、电容柜(Phase compensation) 、顶部控制柜(Topbox) 、传感器、执行机构以及控制电缆等。在750kW风电机组中,塔顶机舱柜中PLC 模块主要包括数字量输入模块SM321、模拟量输入模块SM331、高速记数模块FM350、接口模块IM153 ( ET200 系列) 等; 塔底控制柜中PLC 模块主要包括CPU 模块CPU - 315、数字量输入模块SM321、数字量输出模块SM322、通讯处理器CP340、电源模块PS307 等。22 风机控制系统软件结构设计结合PLC 系统的特点, 使用STEP7 对机组控制系统编写风机控制应用程序,采用语句表和梯形图相结合的方法, 实现了应用程序的模块化、结构化编程。为更加方便、安全地进行风电机组的控制,把风电机组所要实现的控制功能分成几个相对独立的任务,按照模块化的软件编程方法进行编程,主程序主要完成风电机组的机组启动、软并网、大小电机切换控制以及发电系统的功率优化等;子程序主要包括:停机子程序、紧急停机子程序、偏航子程序、解缆子程序、齿轮油泵启P停控制、液压油泵启P停控制以及齿轮油加热与冷却子程序等。启动前,主开关合闸,风力发电机组控制器准备自动运行。首先系统初始化,控制程序初始化、检查微控制器硬件和外设状态是否完好,检测系统参数(温度,液压油,压力,风向,风速等) ,比较所检测的操作参数,如果没有故障,系统就可以正式起动。启动时,首先检查电网,检测电网的各个参数、设置各个计数器、输出机构初始工作状态及晶闸管的开通角3 ,之后,风力发电机组开始自动运行。风轮的叶尖角由90恢复为0,风轮开始转动,计算机开始实时监测各个参数,随着风轮速度的提高,风轮反馈的转速信号作为输入的判断条件,送入控制器,以判断是否可以并网。当发电系统运行以后,系统检测的参数用以判断参数有否超过极限、执行偏航、相位补偿、安全制动。3 结束语结合风力发电的控制要求,以S7 - 300 型PLC模块为例,对750kW风力发电机组的控制系统进行了概述,研究了其控制系统的构成及风机控制过程,本文设计的PLC 控制系统,通过测试风机的实际控制及运行可以实现对风电机组的良好控制。河南科技学院本科生毕业论文（设计）任务书题目名称 PLC在矿井通风控制系统中的应用学生姓名马太虎所学专业电气工程及自动化班级064指导教师姓名 刘法治所学专业机电一体化职称高级实验师完成期限2009年12月8日至2010年6月11日一、 论文（设计）主要内容及主要技术指标1.主要内容采用PLC 控制技术对原有系统进行改造, 设计矿井通风自动控制系统。研究内容包括系统结构和控制方案、控制系统硬件设计、控制系统软件设计。2.技术指标（1）PLC容量和性能要与任务相适应 ；（2）PLC运行速度要满足实时控制的要求；（3）传感器接线形式要与PLC的I/O接口相匹配；（4）系统具有手动/自动转换、在线监控及在现场调试、驱动通风机的电机过热保护，故障报警等功能。二、 毕业论文（设计）的基本要求1.毕业设计报告：有400字左右的中英文摘要，正文后有20篇左右的参考文献，正文中要引用5篇以上文献，并注明文献出处。2.有不少于2000汉字的与本课题有关的外文翻译资料。3.毕业设计字数在20000字以上。4.程序清单、图纸和作品照片。三、毕业论文（设计）进度安排1.2009年12月8日-2009年12月18日，下达毕业设计任务书；寒假期间完成英文资料翻译和开题报告。2.2010年3月1日-3月14日（第1-2周），指导教师审核开题报告、设计方案和英文资料翻译。3.2010年3月15日-5月9日（第3-10周），单元部分设计仿真、程序调试、方案试验或线路板制作及作品安装调试。4.2010年4月26日-5月9日（第9-10周），毕业设计中期检查。5.2010年5月10日-5月30日（第11-13周），学生整理、撰写、上交毕业设计报告，指导教师、评阅教师评阅设计报告和审查答辩资格，学生毕业设计答辩。6.2010年5月31日-6月11日（第14-15周），学生修改整理毕业设计报告、提交毕业设计资料。河南科技学院本科生毕业论文（设计）开题报告题目名称 PLC在矿井通风控制系统中的应用学生姓名马太虎专业电气工程及其自动化学号20060344415指导教师姓名刘法治所学专业机电一体化职称 高级实验师完成期限2010年3月1日至2010年3月14日一、选题的目的意义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。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。二、国内外研究现状国内以前生产使用的70B 2、2BY型矿井主通风机属仿前苏产品，相当于国外40年代水平，结构笨重、效率低，最高静压效率仅70%，其风量和负压均满足不了大型矿井的需要。同时，也不能完全适应金属矿山低负压、大流量通风的需求。国外矿井通风机发展历史悠久，在1902年爱尔兰就研制成功了世。1949年至1950年间,丹麦诺迪斯克公司研制生产了首台运行中动叶可涮轴流武矿井通风机,其后德国的公司也相继生产了这种通风机。该矿井通风机具有体积小，量轻，保持运转状态高效率。其转子和电机装在一个底座上，座下部有轮子，置于导轨上，换一次转子不到2分钟，此不仅省时省力,且检修非常方伊。因此,矿井通风机的大型化和高压化在国外有了迅速发展。三、主要研究内容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。如何选用通风机，选择怎样的通风机，系统硬件的组成：PLC可编程控制器部分，传感器部分，变频器部分，软件设计分为：温度设计部分，瓦斯浓度控制部分，压力控制部分。PLC的选型及特点，以及内部分配，通风机，可编程控制器的选择是为了提高工作效率，提高设备的使用寿命，实现高效益，高稳定。如何实现高效益，高稳定，如何通过对温度，瓦斯浓度的检测，通过怎样的转换，将数据传入PLC，进而实现相应的措施。另外，瓦斯浓度通过什么能反应给PLC，这些都需要采取一定的措施，才能实现。四、毕业论文（设计）的研究方法或技术路线如何选用通风机，选择怎样的通风机，系统硬件的组成：PLC可编程控制器部分，传感器部分，变频器部分，软件设计分为：温度设计部分，瓦斯浓度控制部分，压力控制部分。PLC的选型及特点，以及内部分配，本系统选用S7-200PLC。通过对温度，瓦斯浓度的检测，通过A/D转换模块EM231、EM235，将数据传入PLC可编程控制器，温度的变化通过温度传感器，瓦斯浓度的变化通过压力传感器，选用MicroMaster440变频器，选用KGJ16B瓦斯传感器。系统控制分为自动、手动控制。五、 主要参考文献与资料1陈建明，等电气控制与PLC应用M北京：电子工业出版社，20062吴中立矿井通风与安全M徐州：中国矿业大学出版社，1989：1383陈仕玮矿井主要用通风机在线监测监控现状及展望J煤矿安全，1999，(12)：39414高念利可编程序控制器在煤矿生产中的应用J中图分类号:M571文献标识码： 文章编号：008 - 8725 (2009) 01 - 0039 - 015张洪润，张亚凡.感技术与应用教程M大学出版社，20056南京傲屹电子有限公司AT命令手册,EB/OL,2009-2-207刘法治PLC在矿井通风控制系统的应用J化工自动化及仪表，2007，34(6)：88898坪岛茂彦，中村修照电动机实用技术M北京：科学出版社，20039殷洪义可编程控制器选择、设计与维护M北京：机械工业出版社，200210周九宁可编程控制器在矿山设备中的应用J采矿技术，2004，4(1)：454611马宁，孔红S7-300PLC和MM440变频器的原理与应用M北京：机械工业出版社，200612许明，言自行，刘坚大型泵机组状态监测及工况调控系统的研制J机械工程学报，2002，4(7)：14514713徐国林PLC应用技术M北京：机械工业出版社，200714陈建明，等电气控制与PLC应用M北京：电子工业出版社，200615李国厚，杨青杰，余泽通球磨机润滑站控制系统的设计J金属矿山，2005，(9)：7475六、 指导教师审批意见签名： 年 月 日河南科技学院河南科技学院2010 届本科届本科毕业论毕业论文（文（设计设计） ）论论文文题题目：目：PLC 在在矿矿井通井通风风控制系控制系统统中的中的应应用用学生姓名：学生姓名： 马马太虎太虎所在院系：所在院系： 机机电电学院学院所学所学专业专业： ： 电电气工程及其自气工程及其自动动化化导师导师姓名：姓名： 刘法治刘法治完成完成时间时间： ：2010 年年 5 月月 22 日日摘摘 要要本系统将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。关关键词键词： ：PLC，变频器，传感器，通风机组，压力检测The Application of the Mine Ventilation System in Controller Based on the PLCSummaryThe system PLC and inverter organically are combined with the pressure and the gas pressure in order to mine the concentration of controlling the parameters of the working process and operation of the motor speed control, so mine ventilation fan efficiency, safety, achieved significant energy savings. And the PLC control system on the drive fan motor with overheating protection, fault alarm, mechanical failure alarm and the concentration of power and other features of gas for coal mine ventilation system to provide a new way to energy transformation. Here to enter the need to translate words and general relay in the implementation of the ventilation system, the system has the plc failure rate low and high reliability, the simple, easy and with the advantage of the plc, the control function of the ventilation system of automation is greatly increased, the posts of staff labour intensity.Keywords: PLC, Inverter, Sensors, Ventilation units, Pressure testing目目 录录1 引言.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 系统硬件构成及各部分功能.33.1 PLC 可编程控制器部分.33.1.1 PLC 概述.33.1.2 PLC 的一般构成和基本工作原理.33.1.3 可编程控制器的工作方式.43.1.4 PLC 选型及特点.43.1.5 PLC 内部分配.53.1.6 CPU 模块的外部连接 .53.1.7 扩展模块的外部连接.53.2 传感器部分.83.3 变频器部分.93.3.1 变频器的基本构成.93.3.2 变频器选型.103.3.3 变频器与 PLC 的外部连接.103.4 通风机组部分.103.41 KXJT 型矿用通风机结构.103.42 KXJT 型矿用通风机技术参数.114 软件设计.114.1 温度控制部分.124.2 瓦斯浓度控制部分.144.3 压力控制部分.155 结束语.19致谢.19参考文献.20附录(程序清单).2111 引言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 系系统结统结构和控制方案构和控制方案2.1 系系统统的的设计设计功能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2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 系系统组统组成及方案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 硬件功能框架图控制回路气压给定瓦斯浓度给定定显示部分报警部分PLC控制器开关信号EM231扩展模块1#定子温度传感器1#轴承温度传感器EM235扩展模块变频器 1变频器 22#定子温度传感器2#轴承温度传感器空气压力传感器瓦斯浓度传感器矿井2#1#通风机组33 系系统统硬件构成及各部分功能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。3.1 PLC可可编编程控制器部分程控制器部分3.1.1 PLC概述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。3.1.2 PLC的一般构成和基本工作原理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 2 PLC 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、 EEPROM4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 可可编编程控制器的工作方式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。第 N-1 扫描个周期输出刷新第 N 扫描个周期第 N+1 扫描个周期用户执行程序输入采样输入采样输出刷新图 3 PLC 工作过程3.1.4 PLC选选型及特点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。53.1.5 PLC内部分配内部分配CPU226I/O接口及内部寄存器分配如表1所示。表1 I/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L11AQW03.1.6 CPU模模块块的外部的外部连连接接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、1L+、Q0.0Q0.7为第1组，2M、2L+、Q1.0Q1.7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 扩扩展模展模块块的外部的外部连连接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6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4 PLC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010V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020MA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。72 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5 EM231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6 EM235扩展模块接线83.2 传传感器部分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420mA的电流信号，05V或010V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2 KGJ16B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DC 924 V测量范围04%CH工作电流DC18V 不大于 65 mA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3 HM23Y型压力变送器性能指标测量范围00.5MPa220Mpa供电1236V DC（一般为 24V）输出420 mA15 VPt100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：9表4 Pt100铂电阻温度传感器性能指标型号WZPM-201测温范围-60175热响应时间6 秒用途轴承测温3.3 变频变频器部分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 变频变频器的基本构成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：整流器平滑电路逆变器控 制 回 路ME电源异步电动机电压/电流频率图 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 II 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。103.3.2 变频变频器器选选型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230kW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MM440，237kw，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 变频变频器与器与PLC的外部的外部连连接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8 PLC与变频器通信电路图3.4 通通风风机机组组部分部分本系统选用 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。3.41 KXJT型型矿矿用通用通风风机机结结构构11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9 KXJT型矿用通风机结构3.42 KXJT型型矿矿用通用通风风机技机技术术参数参数表5 KXJT型矿用通风机技术参数电源输入电压660 V AC输出电压18V/360mA DC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)4 软软件件设计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12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）手动控制温度状态采集瓦斯浓度采集PLC 主程序通电初始化数据转换数据转换自动控制压力中断数据转换PID转换压力浓度采集结束图10 系统的软件设计流程图4.1 温度控制部分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010V的模拟量信号，则对应的数字量结果应为032000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）13Y：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010V，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）12023652.27.3912524347.87.618518782.65.879019478.36.09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，那么风机组 1 运行后其定子温度和轴承就会上升，温度传感器将其连续变化的温度转换为 010V的电压送入 A/D 转换模块 EM231，由 EM231 将连续的电压信号转换为 PLC 能识别的离散数字量，并将其存入 AIW4 和 AIW6。为了提高运算精度，将 AIW4和 AIW6 存储的数据转换为实数进行处理，分别存储到 VD180 和 VD184 中。温度控制子程序图如图 11 所示。自动方式下，存储到VD180和VD184中的数据与设定的报警温度上线进行比较，当轴承温度VD180或定子温度VD184的值过高超出设定置上线时，M20.0或M20.2闭合，指示灯Q0.7闭合，蜂鸣器Q1.1也闭合，系统发出报警并有指示灯指示。若温度继续上升，当其温度超过风机组转换温度上线时，M20.1或M20.3闭合，PLC将自动将风机组1的电源切断，并将风机组2接入运行。此时，若风机组选择按扭仍选风机组1，系统将发出指示并报警，只有工作人员将其按钮拨到风机组2才能解除报警和指示。同理，当风机组2的轴承温度或定子温度超出设定的报警温度或风机切换温度时，将出现同上情况。其控制程序如图12所示。在手动方式下，若风机组选择按扭拨到风机组1，按下启动按钮后风机组1将投入运行。风机组1的轴承温度和定子温度经温度传感器将连续变化的温度转换为110V的电压，然后送入EM231模拟量输入模块，通过内部的采样，滤波，转换为PLC能识别的二进制信号。当风机组1的轴承温度或定子温度超出设定的报警温度或风机切换温度时，风机组将报警并指示。当其温度超过一切风机组的温度时，PLC将切断风机1的控制回路，风机组1停止工作，同时发出指示和报警。此14时，当风机组1的轴承温度或定子温度降低，即便再次低于设定的报警温度或风机切换温度时，风机组1也不能再次启动，只有工作人员将风机组选择按扭拨向风机组2时，风机组2投入运行工作，同时并切断风机组1的指示和报警。同理，若风机组2的轴承温度或定子温度超限时，处理方式同上。图 11 温度控制子程序4.2 瓦斯瓦斯浓浓度控制部分度控制部分瓦斯浓度控制部分和温度控制部分原理相似，瓦斯浓度传感器将连续变化的瓦斯浓度信号转换为420毫安的电流，然后经A/D转换模块EM235，通过其内部的采样、滤波，转换为PLC能识别的二进制信号存储到VD196中。在风机运行过程中若矿井工作面的瓦斯浓度大于设定的报警瓦斯浓度上线时，M0.1闭合，Q1.1也闭合，系统将发出指示并报警。以警示工作人员工作面瓦斯涌出量已有安全隐患，做好排放瓦斯的准备。若井巷工作面瓦斯浓度继续增大，当VD196的存储值大于设定的断电瓦斯浓度上线时，M0.2闭合，PLC将发出切断电源的指令，将PLC所有输出和内部位复位，并切断风机电源各井巷工作面的电源，防止有明火引起与其爆炸。同时并发出报警。抽放瓦斯后，当瓦斯浓度VD196的存储值再15次下降到小于断电瓦斯浓度上线时，风机组并不能重新运行工作。只有当瓦斯浓度VD196的存储值下降到小于瓦斯浓度报警上线时，PLC才恢复风机组再次启动并将风机组运行工作。(见附录程序25、26)图 12 温度控制程序4.3 压压力控制部分力控制部分压力是本控制系统的主控参数，在压力数据处理过程中运用到PID算法。所谓的PID就是比例、积分、微分的总称。其结构如图13所示。PID变频调速系统压力反馈量 PV偏差ePID 输出 Y过程变量+压力给定量 SP图 13 压力控制部分PID运算中的积分作用可以消除系统的静态误差，提高精度，加强对系统参数变化的能力，而本身作用可以克服惯性滞后，提高抗干扰能力和系统的稳定性，16可改善系统动态响应速度。因此，对于速度、位置等快过程扩散温度、化工合成等慢过程，PID控制都具有良好的实际效果。在系统稳态运行时，PID控制器的作用就是通过调节其输出使偏差为零。偏差由定量（SP，希望值）与过程变量（PV，实际值）之差来确定。系统PID调节的微分方程式由比例项、积分项和微分项组成。压力控制部分用到的内部存储器如表8所示。表8 压力控制内部存储器PID反馈量（PVn）VD100PID给定置（SPn）VD104PID输出置（Yn）VD108PID增益（KC）VD112PID采样时间（T）VD116PID积分时间（TI）VD120PID微分时间（TD）VD124模拟输入压力值存储VD128压力下限存储VD132压力下限位M2.0在自动方式下，利用远程空气压力传感器检测矿井内的气压信号，用变送器将现场的模拟压力信号变换成统一的110V直流电压信号，送人AD转换模块进行模数转换，转变为PLC内部能识别的二进制信号。压力参数的设置与矿井的深度、巷道的截面等诸多因素有关，所以本设计利用触摸屏进行PID参数设置。其设置调用了压力子程序见附图1。PID参数设置好后要分别对压力设定值、增益值、采样值、积分时间和微分时间进行填表。程序图如图14所示。17ENINEN0OUTMOV_RVD50ENINEN0OUTMOV_RVD54ENINEN0OUTMOV_RVD58ENINEN0OUTMOV_RVD62ENINEN0OUTMOV_RVD66SM0.0PID 值值值(SPn)PID值值(KC)PID值值值值(T)PID值值值值(T)