毕业设计（论文）-基于PLC的矿井通风控制系统设计改造设计1.doc

河南科技学院河南科技学院 2009 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：基于目：基于 PLC 的的矿矿井通井通风风控制系控制系统设计统设计 改造改造设计设计 学生姓名：桑海学生姓名：桑海鹏鹏 所在院系：机所在院系：机电电学院学院 所学所学专业专业：机：机电电技技术术教育教育 导师导师姓名：刘法治姓名：刘法治 完成完成时间时间： ：2009 年年 5 月月 20 日日 1 河南科技学院本科生毕业论文（设计）任务书河南科技学院本科生毕业论文（设计）任务书 题目名称 基于 PLC 的矿井通风控制系统设计改造设计 学生姓名桑海鹏所学专业机电技术教育班级042 班 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 2008 年 12 月 22 日 至 2009 年 6 月 5 日 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。 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.结构图和电路图。 5.I/O 地址表、梯形图或程序清单。 三、毕业论文（设计）进度安排 1.2008 年 12 月 22 日-2009 年 1 月 9 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. 2009 年 2 月 16-2 月 27 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. 2009 年 3 月 2 日-4 月 24 日（第 3-10 周），毕业设计单元部分设计。 4. 2009 年 4 月 27 日-5 月 1 日（第 11 周），毕业设计中期检查。 5. 2009 年 5 月 4 日-5 月 22 日（第 12-14 周），设计仿真、程序调试、线路板制作调试， 整理、撰写毕业设计报告。 6. 2009 年 5 月 25-6 月 5 日（第 15-16 周）上交毕业设计报告，指导教师、评阅教师审查 评阅设计报告，毕业设计答辩资格审查。毕业设计答辩，学生修改整理设计报告。 2 河南科技学院毕业论文（设计）课题河南科技学院毕业论文（设计）课题审核表审核表 院（系）名称机电学院 专业名称机电技术教育 指导教师 姓名及职称 刘法治 高级实验师 课题名称基于 PLC 的矿井通风控制系统设计改造设计 课题来源 横向联合 立题理由 和所具备 的条件 煤矿矿井通风系统是煤矿矿井安全生产的重要组成部分，煤矿矿井通 风系统能否正常工作与矿井内工作环境条件、生产效率、安全生产密切相 关。 目前在煤矿矿井通风系统中，大多仍采用继电接触器控制系统，但这 种控制系统体积大、机械触点多、接线复杂、可靠性低、排除故障困难等存 在着很多的缺陷；且因工作通风机一直高速运行，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。针对这一系列问题,采 用 PLC 控制技术对其进行改造，利用远传空气压力实现对矿井通风系统 的自动控制，使主风机和备用风机轮换工作，提高了矿井通风系统稳定性 和安全性,节能效果显著，且 PLC 控制系统具有对驱动风机的电机过热保 护，故障报警等功能特点，为煤矿矿井通风系统的节能技术改造提供一条 极具推广、应用的新途径。 学院有 PLC 技术、电气技术、传感器技术等实验室，且课题老师长期 从事这方面的教学与研究，为课题的顺利进行作了必要的准备。 教研室 审批意见 教研室主任签字： 年 月 日 毕业论文（设 计）工作领导 小组审批意见 组长签字： 年 月 日 注：本表经教务处复审后存院（系）备查。 3 河南科技学院本科生毕业论文（设计）开题报告河南科技学院本科生毕业论文（设计）开题报告 题目名称 基于 PLC 的矿井通风控制系统设计改造设计 学生姓名桑海鹏 专业机电技术教育 学号20040315017 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2008 年 12 月 22 日至 2009 年 6 月 5 日 一、选题的目的意义 煤炭行业是中国国民经济的重要组成部分，煤矿安全是全国安全生产工作的重中之重，做 好煤矿安全生产意义重大。煤矿矿井生产是地下作业，自然条件比较复杂。地面空气在进入井 下并流经各作业场所的过程中，将掺入有毒有害气体和矿尘，成分逐渐发生变化。同时，由于 地热作用，人体和机械的散热、水分的蒸发等，井下空气的温度和湿度都会显著提高，造成不 良的气候条件。因此，对矿井必须进行通风，及时供给足够的井下工作人员呼吸用的新鲜空气 和冲淡和排除有害气体及浮游矿尘。采用 PLC 和变频器的变频调速通风，不但实现了自动控 制，节约了电能，而且可根据巷道的风量需求方便的进行调速，应用效果是十分理想的。我国 的煤矿企业相当多，高压变频器在这一方面的应用应当是十分广泛的。 二、国内外研究现状 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。目前在煤矿矿井通风系统中，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；且因工作通风机一直高速运行，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。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。 可编程序控制器现已形成完整的产品系列，己渗透到国民经济的各个领域。因此把 PLC 用在矿井通风控制中，能够使该系统更自动化，其工作中的运行精度和可靠性，安全性更能够 得到保证。 三、主要研究内容 本课题主要研究对象：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。该题目主要内容有： 1. PLC 的选型，性能指标，内部分配及外部接线； 2. 变频器的原理及在通风中的应用； 3. 传感器的选型，性能指标及应用； 4. 设计 PLC 的矿井通风控制系统设计改造的软件设计。 4 四、毕业论文（设计）的研究方法或技术路线 1.对 SIEMEN S7-200 可编程控制器 PLC 系统的学习。 2.利用图书馆的图书资源,对相关电机、变频器等专业知识的学习。 3.加大和指导教师的沟通和交流。 4.利用互联网的学习平台,进一步提高自己综合各种知识的能力。 主要参考文献与资料 1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，2002 2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)：4546 3彭桂力，刘知贵集中供热锅炉控制系统的 PLC 控制J电力自动化设备，2006(9)： 7577 4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， 2006 5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，(7)：145147 6徐国林PLC 应用技术M北京：机械工业出版社，2007 7陈建明，等电气控制与 PLC 应用M北京：电子工业出版社，2006 8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)：74-75 9丁纪凯，许逸舟基于 PLC 和现场总线的污水处理系统J机电一体化，2006(1)： 8083 10吴中立矿井通风与安全M徐州：中国矿业大学出版社，1989：138 11傅贵，秦跃平，杨伟民，等矿井通风系统分析与优化M北京：机械工业出版社， 1995：23 12高广军，贾世胜，朱学军，等通风系统调整中常见问题及对策J山西煤炭， 2002，(2) 13徐鹏张双楼矿西翼通风系统调整及经济效果分析J煤矿安全，2001，(4) 14石秋洁变频器应用基础M北京：机械工业出版社2003 15廖常初. PLC 编程及应用M . 北京,机械工业出版社,2002 ,9 指导教师审批意见 签名： 年 月 日 5 本科毕业论文（设计）中期进展情况检查表本科毕业论文（设计）中期进展情况检查表 目目 录录 学生姓名桑海鹏班级机教 042 班指导教师刘法治 论文(设计)题目基于 PLC 的矿井通风控制系统设计改造设计 1.熟悉任务书 2.开题报告已经完成并且上交 3.资料的搜集工作结束，所需资料已经基本找到 4.资料的整理工作已经结束 5.电气原理图的绘制已经基本完成 目 前 已 完 成 任 务 是否符合任务书要求进度： 是 1.2000 字左右的中英文翻译本周交给老师 2.进一步修改参数，与理论对比 3.初次整理论文，交由老师指导 4.修改后再次审阅，直到合格 5.论文完成，进行答辩 尚 需 完 成 的 任 务 能否按期完成论文（设计）： 能 存 在 问 题 1.任务重，时间紧迫 2.第一次进行 PLC 设计，知识的掌握还不够全面 3.理论知识理解还不够透彻 存 在 问 题 和 解 决 办 法 拟 采 取 的 办 法 1.与日争，与时争，尽量多的利用时间 2.找指导老师，向老师详细请教不明白的地方 3.平时对理论知识加深理解 4.和其他同学互相讨论，解决各自疑难问题. 指导 教师 签字 日期 年 月 日 教学 院长 （主任） 意见 负责人签字： 年 月 日 6 1 绪论.1 2 系统结构和控制方案.1 2.1 系统的设计功能.1 2.2 系统组成及方案.2 3 通风机组部分.3 3.1 KXJT 型矿用通风机结构.3 3.2 KXJT 型矿用通风机技术参数.3 4 系统硬件构成及各部分功能.4 4.1 PLC 可编程控制器部分.4 4.1.1 PLC 概述.4 4.1.2 PLC 的一般构成和基本工作原理.4 4.1.3 可编程控制器的工作方式.5 4.1.4 PLC 选型及特点.5 4.1.5 PLC 内部分配.5 4.1.6 CPU 模块的外部连接.6 4.1.7 扩展模块的外部连接.6 4.2 传感器部分.9 4.3 变频器部分.10 4.3.1 变频器的基本构成.10 4.3.2 变频器选型.10 4.3.3 变频器与 PLC 的外部连接.11 5 软件设计.11 5.1 温度控制部分.12 5.2 瓦斯浓度控制部分.14 5.3 压力控制部分.15 7 6 结束语.19 致谢.19 参考文献.20 附录(程序清单).21 摘摘 要要 随着煤矿工业的发展，安全生产已经成为其中重要的组成部分，为确保煤矿的安全生产， 矿井通风成为煤矿安全生产的重要要保障。本论文针对某煤矿主通风机控制系统存在的问 题，设计出一种基于PLC的矿井主通风机组的变频控制系统。该系统采用西门子S7200PLC 来设计矿井主通风机组自动化监控系统，以矿井气压压力和瓦斯浓度为主控参数，利用先进 可靠的传感器进行信号采集，再经过变送器将现场信号变换成统一的标准信号,送入A/D转 换模块进行模数转换,然后送入PLC，PLC将检测到的数值信号与设定参数进行比较来调节 通风机组电机的启/停与转速从而实现最优控制，实现了实时监测及远程通讯，达到了安全 监控与节能目的，保证了主通风机经济、可靠地运行。 关关键键字：字：西门子 S7-200PLC，通风机，变频器，传感器。 PLC-based design of the mine ventilation system design transformation Abstract Along with the coal industry development,the safety in production ready became important part.In order to guarantee the coal min the safety in production,mine ventilation is an important. safeguard to the coal mine production security.Aim at the monitoring system of the main fan in coal mine,which had some problem,one kind of the conversion control system which based on the PLC was designed.The main contents of the disquisition is to use the Simmens S7200 PLC to design fanner automation supervion system,regarding gas and gas pressure consistency as the control parameter,The use of advanced sensors and reliable signal acquisition,and then to the scene by the transmitter signal into the A/D converter digital-analog conversion module,and then into the PLC,PLC to detect the signal and the numerical values set parameters to regulate ventilation units from the motor on/off and speed in order to achieve optimal contral.adjust the rotational speed of local fan motor to 8 realize optimum control,achieve remote detection and remote communication,safe monitor and saving energy,ensure the fan reliable operation of the economy. Keywords： ：S7-200PLC, Main Fan, Inverter, Sensor 1 绪论绪论 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 9 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）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。 10 图 1 硬件功能框架图 3 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。 3.1 KXJT型型矿矿用通用通风风机机结结构构 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。 11 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2 KXJT型矿用通风机结构 3.2 KXJT型型矿矿用通用通风风机技机技术术参数参数 表1 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 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。 4.1 PLC可可编编程控制器部分程控制器部分 4.1.1 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。 4.1.2 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 12 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 3 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、 EEPROM 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。 4.1.3 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 13 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 4 PLC 工作过程 4.1.4 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。 4.1.5 PLC内部分配内部分配 CPU226I/O接口及内部寄存器分配如表3所示。 表3 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 14 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L11AQW0 4.1.6 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5所示。 4.1.7 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 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。 15 图5 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6所示。 2 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。 16 图6 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。EM253扩展模块接线如图7所示。 图7 EM253扩展模块接线 4.2 传传感器部分感器部分 17 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5所示： 表5 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6所示： 表6 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 V Pt100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7所示： 表7 Pt100铂电阻温度传感器性能指标 18 型号WZPM-201 测温范围-60175 热响应时间6 秒 用途轴承测温 4.3 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。 4.3.1 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 8 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： 图 8 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。 4.3.2 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 19 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。 4.3.3 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9所示。 图9 PLC与变频器通信电路图 5 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 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） 20 图10 系统的软件设计流程图 5.1 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8所示。 表8 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） y: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 21 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9所示。 表 9 工程值与数量对应关系 温度值（）数字量电压值（V） 12023652.27.39 12524347.87.61 8518782.65.87 9019478.36.09 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