基于PLC的矿井通风机变频控制系统设计.doc

目 录 1 绪论 1 1 1 矿井通风系统简介 1 1 2 国内外研究状况 2 1 3 课题的主要研究内容 3 2 通风系统及主扇风机控制方案 5 2 1 通风系统的设计方案 6 2 2 矿井主扇风机的控制方案 7 2 2 1 矿井主扇风机概述 7 2 2 2 矿井主扇风机的供电系统 7 3 系统硬件构成及各部分功能 9 3 1 PLC 可编程控制器部分 9 3 1 1 PLC 概述 9 3 1 2 PLC 的应用 10 3 1 3 典型的 PLC 产品 10 3 1 4 PLC 外部 I O 连接 11 3 1 5 I O 接线图 13 3 2 变频器 13 3 3 变频器的选型和容量的确定 14 3 4 离心风机 15 3 5 模数转换模块 16 4 通风系统硬件的设计 17 4 1 硬件电路 17 4 2 系统控制电路设计 18 5 软件设计 19 5 1 通风系统的主要参数监控 19 5 2 瓦斯浓度控制 20 5 2 压力的监测 21 5 3 温度的监测 23 5 4 流量的监测 24 5 5 电气参数的测量与监测 25 5 6 振动的监测 25 5 7 信号采集设备 25 6 矿井通风机远程监控系统设计 26 6 1 矿井通风机自动监控系统的功能 26 6 2 通风机自动监控系统的技术指标 26 6 3 通风机自动监控系统的整体结构 26 6 4 通风机自动监控系统运行方式 27 7 矿井通风机自动监控系统硬件设计 29 7 1 系统的组成和特点 29 7 2 风机参数的监测 29 7 3 风机监控系统所需监控的输入输出量 30 总 结 32 致 谢 33 参考文献 34 附录 A 35 1 绪论 1 1 矿井通风系统简介 矿井通风系统是矿井通风方式 通风方法和通风网络的总称 基本任务是 供给 井下足够的新鲜空气 满足人员对氧气的需要 冲淡井下有毒有害气体和粉尘 保证 安全生产 调节井下气候 创造良好的工作环境 所以本设计主要是对通风系统内的 风压风量及瓦斯浓度的控制 矿井通风系统由影响矿井安全生产的主要因素所决定 根据相关因素把矿井通风系统划分为不同类型 根据瓦斯 煤层自燃和高温等影响矿 井生产安全的主要因素对矿井通风系统的要求 为了便于管理 设计和检查 把矿井 通风系统分为一般型 降温型 防火型 排放瓦斯型 防火及降温型 排放瓦斯及降 温型 排放瓦斯及防火型 排放瓦斯与防火及降温型几种 依次为 1 8 八个等级 矿 井通风方式有串联通风和并连通风两种 按进回风巷在井田位置不同 通风系统分为中央式 对角式 分区式 和 混合 式矿井通风系统 矿井通风系统是由通风机和通风网络两部分组成 风流由入风井口进入矿井后 经过井下各用风场所 然后进入回风井 由回风井排出矿井 风流所经过的整个路线 称为矿井通风系统 矿井通风方法以风流获得的动力来源不同 可分为自然通风和机械通风两种 1 自然通风 利用自然气压产生的通风动力 致使空气在井下巷道流动的通风方法 叫做自然通风 自然风压一般都比较小 且不稳定 所以 煤矿安全规程 规定 每 一矿井都必须采用机械通风 2 机械通风 利用扇风机运转产生的通风动力 致使 空气在井下巷道流动的通风方法叫做机械通风 采用机械通风的矿井 自然风压也是 始终存在的 而且也并在各个时期内影响着矿井的通风工作 在通风管理工作中应给 予充分重视 矿井通风系统的基本要求是 1 每个矿井 至少要有两个通到地面的安全出口 2 进风井口要有利于防洪 不受粉尘 有害气体污染 3 北方矿井 井口需装供暖装备 4 总回风巷不得作为主要人行道 5 工业广场不得受扇风机噪音干扰 6 装有皮带机的井筒不得兼作回风井 7 装有箕斗的井筒不应作为主要进风井 8 可以独立通风的矿井 采区应尽量独立通风 不宜合并一个通风系统 保证系统能 够独立地进行工作 这样当一个矿井出现故障时 另一个矿井的通风工作不受影响 使生产不受大面积的受阻 9 通风系统要为防治瓦斯 火 尘 水及高温创造条件 10 通风系统要有利用深水平或后期通风系统的发展变化 1 2 国内外研究状况 矿井通风系统分析技术现状煤矿通风系统是保障安全生产的基础同时又受制于煤 层地质条件及由此形成的矿山井巷系统的特点 近年来煤矿扩能及生产的集约化成为 了普遍的趋势矿井装备水平迅速提高系统有了明显的简化 但是现在仍有大量开采多 年的老矿系统极为复杂大量新井产能的高度集中造成了系统新的隐患矿井在日常生产 中所遵从的分区通风格局抗灾能力不足在强烈的扰动面前有可能形成严重的风流紊乱 因而需要有预先的判断和分析矿井主扇和通风构筑物作为矿井通风系统的重要构成部 分其参数选取 布局 可靠性等均对系统的合理运行起着重要的作用 因此矿井通风 系统的合理性 可靠性和抗灾能力分析对于防止通风瓦斯及煤层自燃等意外的出现对 于矿井预防处理通风瓦斯意外及灾变的能力对于提高矿井安全管理水平均有着重要的 作用 我国煤矿的重 特大瓦斯事故所造成的井下人员大量伤亡均源于通风系统抗灾能 力不足致使正常生产时的分区通风在瓦斯爆炸条件下受到破坏爆炸气体进入了爆源以 外的广泛区域使其他通风分区乃至全矿井下的人员中毒死亡 研究瓦斯爆炸对分区通 风的破坏机理对瓦斯爆炸条件下通风系统的抗灾能力予以定量评价和分级研究灾变条 件下维持分区通风的条件和相应措施对于提高通风网络的抗灾能力有着现实的意义 煤矿安全规程对煤矿通风有严格的要求和限制特别在高突矿井明确禁止使用串联通风 因此以各采掘工作面为核心的分区通风成为了煤矿通风的基本规定和实践 在矿井灾 变条件下维持正常分区通风的能力是评价矿井通风系统抗灾能力的基本考虑因素 除 巷道布置这一重要但难以调整的因素之外分区通风及风量分配调节主要依靠于风门 风窗等通风设施的应用其类型 数量 分布上的合理性是影响通风系统合理性的基本 因素扇风机及通风构筑物受矿井生产活动及灾变影响而失去原定功能时矿井通风维持 在合理水平上的能力则是通风系统可靠性的重要标志 矿井通风是一个古老的技术领 域但对灾变条件下维持分区通风的相关技术 特别对于瓦斯爆炸与通风系统的相互作 用缺乏必要的理论与实验研究 我国瓦斯爆炸频发许多爆炸力学工作者对气相爆轰进 行过深入研究瓦斯爆炸方面的文献十分丰富但现有的成果与煤矿井下的实际尚有较大 差距如井下特有的结构设施 巷道特征等等研究煤矿井下结构设施与瓦斯爆轰波及冲 击波相互作用的成果较少井下通风设施抗爆强度的理论研究基本是空白现有的文献多 限于事故现象的简单描述 深入系统地研究煤矿井下瓦斯燃爆的物理机制及其灾害效 应对于正确评价分析煤矿预防瓦斯爆炸安全等级 科学地改进井下通风设施和巷道布 置具有极其重要的学术价值和实际意义 在此基础上模拟了氢氧燃烧驱动的破膜过程 以及破膜前后压缩波 稀疏波对火焰阵面的影响 同时也研究了瓦斯爆炸过程中压力 波 火焰与障碍物的相互作用 近几年国内学者开展了瓦斯煤尘爆炸机理 传播规律 及防治对策的研究工作同时也揭示了瓦斯爆炸火焰的结构特征及其影响因素揭示了瓦 斯爆炸过程中爆炸波的特征参数变化规律及其影响因素开展了壁面热效应对瓦斯爆炸 传播规律影响作用的实验研究建立了管内瓦斯爆炸能量平衡方程 通过理论分析 数 值模拟和实验研究煤矿井下巷道条件对瓦斯爆炸及其冲击波衰减的影响规律研究各种 通风设施结构与爆轰波 冲击波的相互作用研究各种通风设施结构在冲击波载荷下的 破坏过程和极限强度将能够对矿井分区通风的抗灾能力对矿井通风系统的合理性 可 靠性及抗灾能力予以定量的评价和分级这些都是当前该研究领域的前沿课题 1 3 课题的主要研究内容 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 随着我国政府对各 行各业安全生产监管力度的不断加强 尤其对煤矿安全生产的要求越来越高 对煤矿 矿井通风系统进行技术改造 提高其运行稳定性 可靠性 节能降耗等势在必行 目前煤矿矿井通风系统的控制系统 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 如果工作通风机不采用变频控制 那么矿井通风量的调节方法 只能依靠两个 垂直风门提起的高度 和调节风机扇叶的数量和角度 那么主通风机就会一直高速运 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 也 会造成很大的能源浪费 针对这一系列问题 随着电子技术和微电子技术的迅速发展 PLC 和变频器正成为 通用 廉价和性能可靠的控制和驱动设备 得到广泛的应用 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 使矿井中用的离心通风机通风高效 安全 达到了明显的节能效果 由 PLC 控制的变频调速离心风机的通风系统 具有较高的可靠性和较好的节能效果 易于组建成整体的自控系统 很方便地实现各种控制切换和远程监控 PLC 控制系统还 具有对驱动风机的电机过热保护 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 因此本论文以矿井对旋轴流风机为研究对象 以西门子 S7 200 可编程逻辑控制 器作为监控核心 运用温度 压力 振动等传感器和电量采集单元对风机运行状态以 及各种电量参数进行检测 同时 利用 PLC 和上位机之间的通信实现通风机运行的在 线监控 本论文还讨论了利用变频器控制通风机的变频运行 实现风机的高效节能运 行 具体地说 本论文的主要研究内容如下 1 实现信号采集与实时监测 包括风机的运行状态 故障状态 负压 流量 轴承 振动 轴承温度 定子温度 电压 电流 功率 效率等 2 控制系统能实现风机手动和自动变频运行的切换 使风机处于工频或变频运行状 态 在变频运行时 该系统能根据压力传感器的模拟量输入 经 PLC 内部运算 计算 出系统满足安全生产所需的风量大小对应的变频器输入电压值 经扩展模块模拟量输 出控制变频器自动调整风机的转速 3 本系统能实现多种报警功能 如风机定子 轴承温度超限 电动机振动异常报警 以及变频器出现故障及时报警 及时处理的功能 4 用工程制图软件绘制系统主电路图和 PLC 及扩展模块接线图 5 用 STEP7 Micro WIN 编程软件编出 PLC 梯形图 6 用 PROFIBUS DP 现场总线和工业以太网完成对 PLC 通信网络的组建 7 模拟风机运行情况 用组态王软件绘制煤矿主通风机在线监测系统主界面和 PLC 控制变频器调速系统主界面 并生成性能参数实时曲线和历史趋势曲线 监测数 据归档 数据报表查询及打印 以及瓦斯浓度 风量 风压等监控量的趋势曲线 超 限报警和数据报表功能 2 通风系统及主扇风机控制方案 本论文设计的矿井主扇风机的控制主要是对风压 风量及瓦斯浓度的的调节和控 制两部分 风机风量的调节中引入变频器对风机风速的调节 据所需风量和风压大小通过变 频器来调节风机的转速在节能和提高风机效率方面具有无与伦比的优点 本控制系统 具有离心通风机组的启动 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 本系统提供手动 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 工作人员手动切换 6 为防止离心风机的疲劳运行 在任何状态下 风机在累计运行设定时间后都 会自动切换至另一台风机组运行 下图是通风系统原理框图 图 2 1 通风系统原理框图 2 1 通风系统的设计方案 本通风控制系统主要由 2 台离心风机组成 每台离心风机有两台电机 每台电机 驱动一组扇片 两组扇片是对旋的 一组用于吸风 一组为增加风速 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 2 45 kW 为例 选用一台 S7 200 PLC 空气压力传感器和变频器等组成一个完整的闭环控制系统 其 中还包括接触器 中间继电器 热继电器 矿用防爆型磁力启动器 断路器等系统保 护电器 实现对电机和 PLC 的有效保护 以及对电机的切换控制 下图为通风系统的 方案图 图 2 2 通风控制系统方案图 本 PLC 控制系统具有对通风机的电动机启动与运行 进行监控 联锁和过热保护 等功能 PLC 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 提高了设备的运转率 为满足煤矿矿井通风系统自动控制的要求 设计如下的控制方案 本系统提供手 动 自动两种工作模式 具有现场控制方式 状态显示以及故障报警等功能 在手动方式下 通风机通过开关进行控制 不受矿井内气压的影响 为防止通风 机疲劳运行 在任何状态下风机在累计运行设定时间后要切换至另一台风机运行 A 组 离心通风机与 B 组离心通风机可由二位开关转换 循环次数及定时时间可根据需要随 机设定 报警信号均为声光形式 声报警 电笛 可用按钮解除 报警指示在故障排 除后自动消失 在自动方式下 利用远传空气压力传感器检测矿井内的气压信号 用变送器将现 场信号变换成统一的标准信号 如 4 20 mA 直流电流信号 0 5 V 直流电压信号等 送入 A D 转换模块进行模数转换 然后送入 PLC PLC 将检测到的气压值与设定的气 压值进行比较和处理 输出信号控制通风机工作 当矿井内的气压在一个大气压或在 设定的某个大气压力数值以上 工作离心通风机与备用离心通风机循环工作 当出现 突发事故 矿井内的气压低于设定的某个大气压力数值 工作离心通风机与备用离心 通风机不再循环工作 并自动切换为同时工作 加大对矿井内的通风量 直至矿井内 的气压升至设定的大气压力数值以上 工作通风机与备用离心通风机恢复循环工作 在有瓦斯的矿井供风系统中 矿井内的瓦斯浓度传感器检测瓦斯浓度 用变送器 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 同样 PLC 将检测到的数值与设定的数值进行比较 当瓦斯浓度大于设定数值后 PLC 输出信号控制通风机停止工作 并输出信号自动切断井下的电源 满足风电联锁要 求 以免电子火花点着瓦斯 防止瓦斯爆炸事故发生 2 2 矿井主扇风机的控制方案 2 2 1 矿井主扇风机概述 地面主扇风机其整体性好 并且采用内置防爆电机拖动 不受外界干扰 风机的主 要特点是 1 本设计采用电机与叶轮直联的方法 简化了传动结构 改变了当前煤矿抽出式 轴流风机全部采用皮带轮传动或长轴传动的复杂结构 使维修和操作方便 2 本设计配套电机为 YB 系列的 YBFe 派生系列 隔爆型三相异步电机 电机置于 全封闭型 并具有一定耐压强度的密闭散热罩中并于外界非瓦斯气相通 使电机始终 处于无瓦斯空气之中运行 起到了双重隔爆效果 3 风机与扩散器之间设置后导叶 以提高静压效率 使得节能效果显著 与目前 使用的局扇群相比 可节电六倍 与离心式风机相比可节电 40 4 该机可以反转反风 不必另设反风道 具有节约基建投资和反风速度快的优点 5 叶轮的叶片安装角度可以调整 其范围为 30 度 33 度 36 度 39 度 42 度 五个角度级 在使用同一规格风机中 可根据生产扩大的要求来调整叶片安装角度 6 该机配置了防止摩擦火花装置 确保了整机安全防爆性能 7 该机采用特殊设计 性能曲线无驼峰 在任何网络阻力情况下 均能稳定运行 2 2 2 矿井主扇风机的供电系统 风机的供电系统采用了室外箱式一体化结构 按功能划分为高压配电室 低压配 电室 变压器室 风机系统的主要设备 1 高压电机 高压电机 每台风机安装有两台 6kv 高压异步电动机 电机容量 为 315kW 电机安装了三相定子和前后轴承温度传感器 2 变压器 为了保证附属设备的可靠工作 安装了两台 50kva 为低压柜供电 变压器安装了温度监控器 监控 3 相温度 当温度超限能自动启停风机降温 3 进线柜 包括两台进线柜 为风机系统的两台进线开关 4 联络柜 实现风机供电系统的母线联络 5 换向柜 两台换向柜 由接触器组成 主要实现两台风机电机的正反转 6 箱变房 采用一体化设计 外观整洁大方 按功能划分为高压配电室 低压 配电室 变压器室 PLC 控制室 3 系统硬件构成及各部分功能 3 1 PLC 可编程控制器部分 3 1 1 PLC 概述 PLC 即可编程控制器 Programmable logic Controller 是指以计算机技术为基 础的新型工业控制装置 在 1987 年国际电工委员会 International Electrical Committee 颁布的 PLC 标准草案中对 PLC 做了如下定义 PLC 英文全称 Programmable Logic Controller 中文全称为可编程逻辑控制器 定义是 一种数字运算操作的电子系统 专为在工业环境应用而设计的 它采用一类 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 计数与算 术操作等面向用户的指令 并通过数字或模拟式输入 输出控制各种类型的机械或生产 过程 PLC 是可编程逻辑电路 也是一种和硬件结合很紧密的语言 在半导体方面有很 重要的应用 可以说有半导体的地方就有 PLC PLC 是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置 它采用可 以编制程序的存储器 用来在其内部存储执行逻辑运算 顺序运算 计时 计数和算 术运算等操作的指令 并能通过数字式或模拟式的输入和输出 控制各种类型的机械 或生产过程 PLC 及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体 易 于扩展其功能的原则而设计 1 CPU 的构成 CPU 是 PLC 的核心 起神经中枢的作用 每套 PLC 至少有一个 CPU 它按 PLC 的系 统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据 用扫描的方式采集由现场输入装置送 来的状态或数据 并存入规定的寄存器中 同时 诊断电源和 PLC 内部电路的工作状 态和编程过程 CPU 主要由运算器 控制器 寄存器及实现它们之间联系的数据 控制及状态总线 构成 CPU 单元还包括外围芯片 总线接口及有关电路 内存主要用于存储程序及数据 是 PLC 不可缺少的组成单元 CPU 速度和内存容量是 PLC 的重要参数 它们决定着 PLC 的工作速度 I O 数量及 软件容量等 因此限制着控制规模 2 I O 模块 PLC 与电气回路的接口 是通过输入输出部分 I O 完成的 I O 模块集成了 PLC 的 I O 电路 其输入暂存器反映输入信号状态 输出点反映输出锁存器状态 输入模 块将电信号变换成数字信号进入 PLC 系统 输出模块相反 I O 分为开关量输入 DI 开关量输出 DO 模拟量输入 AI 模拟量输出 AO 等模块 常用的 I O 分类如下 开关量 按电压水平分 有 220VAC 110VAC 24VDC 按隔离方式分 有继电器隔 离和晶体管隔离 模拟量 按信号类型分 有电流型 4 20mA 0 20mA 电压型 0 10V 0 5V 10 10V 等 按精度分 有 12bit 14bit 16bit 等 除了上述通用 I O 外 还有特殊 I O 模块 如热电阻 热电偶 脉冲等模块 按 I O 点数确定模块规格及数量 I O 模块可多可少 但其最大数受 CPU 所能管理 的基本配置的能力 即受最大的底板或机架槽数限制 3 电源模块 PLC 电源用于为 PLC 各模块的集成电路提供工作电源 同时 有 的还为输入电路提供 24V 的工作电源 电源输入类型有 交流电源 220VAC 或 110VAC 直流电源 常用的为 24VDC 3 1 2 PLC 的应用 1 在制造工业 以改变几何形状和机械性能为特征 和过程工业 以物理变化 和化学变化将原料转化成产品为特征 中 大量的开关量顺序控制 它按照逻辑条件 进行顺序动作 并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制 及大量离散量的数据采集 传统上 这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的 1968 年美国 GM 通用汽车 公司提出取代继电气控制装置的要求 第二年 美国数字公司研制出了基于集成电路 和电子技术的控制装置 使得电气控制功能实现的程序化 这就是第一代可编程序控 制器 英文名字叫 Programmable Controller PC 2 随着电子技术和计算机技术的发生 PC 的功能越来越强大 其概念和内涵也 不断扩展 3 上世纪 80 年代 个人计算机发展起来 也简称为 PC 为了方便 也为了反 映或可编程控制器的功能特点 美国 A B 公司将可编程序控制器定名为可编程序逻辑 控制器 Programmable Logic Controller PLC 并将 PLC 作为其产品的注册商标 现在 仍常常将 PLC 简称 PC 4 上世纪 80 年代至 90 年代中期 是 PLC 发展最快的时期 年增长率一直保持 为 30 40 在这时期 PLC 在处理模拟量能力 数字运算能力 人机接口能力和网络 能力得到大幅度提高 PLC 逐渐进入过程控制领域 在某些应用上取代了在过程控制领 域处于统治地位的 DCS 系统 5 近年 工业计算机技术 IPC 和现场总线技术 FCS 发展迅速 挤占了一 部分 PLC 市场 PLC 增长速度出现渐缓的趋势 但其在工业自动化控制特别是顺序控制 中的地位 在可预见的将来 是无法取代的 6 目前 世界上有 200 多厂家生产 300 多品种 PLC 产品 主要应用在汽车 23 粮食加工 16 4 化学 制药 14 6 金属 矿山 11 5 纸浆 造纸 11 3 等行业 3 1 3 典型的 PLC 产品 1 国外 施耐德公司 Quantum Premium Momentum 等 罗克韦尔 A B 公司 SLC MicroLogix Control Logix 等 西门子公司 SIMATIC S7 400 300 200 系列 GE 公司日本欧姆龙 三菱 富士 松下等 2 国内 PLC 生产厂约 30 家 但没有形成颇具规模的生产能力和名牌产品 还有一部分是 以仿制 来件组装或 贴牌 方式生产 考虑到性能和稳定性 硬件采用西门子公司的 S7 300 系列 PLC 同时采用光电隔 离 接地 变压器隔离等硬件抗干扰措施和数字滤波等软件抗干扰措施 系统可靠性 高 稳定性好 3 1 4 PLC 外部 I O 连接 根据系统的要求 选取 S72200 PLC CPU224 作为控制核心 CPU224 的 I O 点数是 14 10 扩展了 1 个 EM 231 模拟量输入模块 它是 A D 转换模块 具有 4 个模拟量输 入 12 位 A D 其采样速度 25 s 空气压力传感器 瓦斯浓度传感器采集的信号经 过变送器调理和放大处理后 成为 0 5 V 的标准信号 再经过 EM231 模块自动完成 A D 转换 同时扩展了 1 个 EM222 数字量输出模块 它有 8 个数字量的输出点 作用是 提供附加的输出点 这样完全可以满足系统的要求 煤矿矿井通风控制系统的设计主 要涉及 10 个数字量输入和 2 个模拟量输入 15 个数字量输出 设置 6 个操作键 4 个 开关量传感器和 2 个模拟量 传感器作输入信号 如表 1 所示 这 6 个操作键分别是自动方式开关 手动方式 开关 停机按钮 消音按钮及 2 个在手动控制下控制通风机运行的按钮开关 4 个开 关量传感器为拖动通风机的吸风电机和增风速电机发生堵转故障时热继电器的控制开 关 其中扩充了 1 个 EM231 的模拟量输入模块 主要是用于转换气压信号和瓦斯浓度 信号的 表 3 1 PLC I O 接口分配表 输入输出 序 号 名称地址序 号 名称地址 1 A 风机 1 电机状态 I0 01 故障显示 Q0 0 2 A 风机 2 电机状态 I0 12 中高气压显示 Q0 1 3 B 风机 1 电机状态 I0 23 低气压显示 Q0 2 4 B 风机 2 电机状态 I0 3 4 报警 Q0 3 5 A 风机控制开关 I0 45 继电器 KM1 Q0 4 6 B 风机控制开关 I1 56 继电器 KM2 Q0 5 7 消音开关 I1 07 继电器 KM3 Q0 6 8 自动开关 I1 18 继电器 KM4 Q0 7 9 手动开关 I1 29 A 风机 1 电机运行显 示 Q1 0 10 停止按钮 I1 310 A 风机 2 电机运行显 示 Q1 1 11 气压信号 I2 011 B 风机 1 电机显示 Q1 2 12 瓦斯信号 I2 112 B 风机 2 电机显示 Q2 0 13 手动状态显示 Q2 1 14 自动状态显示 Q2 2 15 瓦斯浓度值 Q2 3 3 1 5 I O 接线图 图 3 2 I O 接线图 3 2 变频器 异步电动机是电力 化工等生产企业最主要的动力设备 作为高能耗设备 其输 出功率不能随负荷按比例变化 大部分只能通过挡板或阀门的开度来调节 而电动机 消耗的能量变化不大 从而造成很大的能量损耗 近年来 随着变频器生产技术的成 熟以及变频器应用范围的日益广泛 使用变频器对电动机电源进行技术改造成为各企 业节能降耗 提高效率的重要手段 n 60 f 1 s p 1 式中 n 异步电动机的转速 f 异步电动机的频率 s 电动机转差率 p 电动机极对数 由式 1 可知 转速 n 与频率 f 成正比 只要改变频率 f 即可改变电动机的转速 当频率 f 在 0 50Hz 的范围内变化时 电动机转速调节范围非常宽 变频调速就是通 过改变电动机电源频率实现速度调节的 变频器主要采用交 直 交方式 先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源 然后再把直流电源转换成频率 电压均可控制的交流电源以供给电动机 变频器的电 路一般由整流 中间直流环节 逆变和控制 4 个部分组成 整流部分为三相桥式不可 控整流器 逆变部分为 IGBT 三相桥式逆变器 且输出为 PWM 波形 中间直流环节为滤 波 直流储能和缓冲无功功率 3 3 变频器的选型和容量的确定 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 在电机的容量确定并选定其型号后 接下来就要确定变频器的容量 确定变频器 容量的主要依据是输出电流 其原则为 变频器的输出额定电流应大于或等于电机的 额定电流 但在连续的变动负载或断续负载中 因电动机允许有短时间的过载 而且 这种过载的时间经常超过变频器一般允许的一分钟 故应考虑选择变频器的额定电流 大于或等于电动机运行过程中的最大电流 电动机的型号确定后 其额定电流可以从制造商提供的样本中查到 或者 也可 从电机的输出功率由下式计算 cos3UIP 2 式中 P 为额定输出功率 KW U 为额定电压 KV I 为额定电流 A 为电机效率 cos 为功率因数 S7 200PLC 作为核心控制部件 它有总线访问权 可以读取或改写变频器的状态 控制软起动器的运行状态 从而达到控制和监视设备运行状态的目的 系统采用总线 式拓扑结构 两台变频器采用总线接插件连入总线 S7 200 选用 S7 222CPU 软件采 用通信口功能 即 RS485 通信口 由用户程序实现 USS 协议与两台 MM430 变频器通信 在硬件连接完毕后 需要对两台 MM430 变频器的通信参数进行设置 如表 3 3 所示 表 3 3 变频器参数的设定 参数号参数值说明 Fr13 固定频率 1 P0110 第一加速时间设定 P0210 第一减速时间设定 P03FF 频率范围 v f 方式 P0520 DC 提升水平 P081 变频器起停正反转控制方式 P15200 电动机运行最大频率 P1650 电动机运行基本频率 P182 多段速率加速连动运行 P32170 固定频率 2 P3310 固定频率 3 P3423 固定频率 4 P35130 固定频率 5 P395 第二加速时间设定 P405 第二减速时间设定 3 4 离心风机 我国矿井使用的离心式通风机主要就是 G4 73 系列离心式通风机 G4 73 系列 离心式通风机最初是为锅炉通风 引风 设计的 后来被引用到矿井通风中并拥有一定 的市场占有量 该系列离心式通风机的特点是特性曲线较平缓 无驼峰 运行噪声较 小 效率高 启动时关闭调节门 也叫前导器 具有启动功率较小 启动容易的特点 运行时调节门可在 0 70 范围内调节 用以改变运行工况 还可通过配置不同转 速的电动机来改变其运行工况 适应性较好 G4 73 系列通风机的特性曲线较平缓 运行噪声较小 效率高 适用于通风阻力不是太大的中小型矿井 我国地方煤矿的矿 井中使用该系列通风机较多 由于机型小 配置电动机的容量也小 可配用 380V 或 660V 电压的电动机 特别适用于无高压 6000V 供电的矿井使用 但对初 后期风压变 化大的矿井 离心通风机的调节性能差 离心风机的作用 离心风机是依靠输入的机 械能 提高气体压力并排送气体的机械 它是一种从动的流体机械 离心风机广泛用于工厂 矿井 隧道 冷却塔 车辆 船舶和建筑物的通风 排 尘和冷却 锅炉和工业炉窑的通风和引风 空气调节设备和家用电器设备中的冷却和 通风 谷物的烘干和选送 风洞风源和气垫船的充气和推进等 离心风机的工作原理与透平压缩机基本相同 只是由于气体流速较低 压力变化 不大 一般不需要考虑气体比容的变化 即把气体作为不可压缩流体处理 离心风机 可制成右旋和左旋两种型式 从电动机一侧正视 叶轮顺时针旋转 称为右旋转风机 逆时针旋转 称为左旋 一般的高压离心风机 其主要的动力设备是电动机 此外还包括用来控制风机风 阀位置的电动或手动执行器 风机阀门限位开关等部件 风机动力设备的传统控制方 法是通过手动或继电器控制 存在可靠性和灵活性较差的问题 比如 由于电机的容 量大 就存在启动时间长 启动电流大 运行安全可靠性差等问题 为了解决这些问 题 需要采取在启动离心风机时减少启动负荷 通过星 三角降压启动来降低启动电 流 进行安全互锁控制等措施 离心通风机工作时 动力机 主要是电动机 驱动叶轮 在蜗形机壳内旋转 空气经吸气口从叶轮中心处吸入 由于叶片对气体的动力作用 气体压力和速度得以提高 并在离心力作用下沿着叶道甩向机壳 从排气口排出 因 气体在叶轮内的流动主要是在径向平面内 风机的用途 一般用于高压强制通风 如冶炼 送料 矿井 隧道 地下室 铁 路等 亦可输送空气及其它无腐蚀性 不含粘性物质 非易燃 易爆之气体 介质温 度最高不超过八十度 介质中硬质颗粒物中大于 150mg m3 3 5 模数转换模块 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 PLC 根据生产实际要求 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标准电 压或电流信号去驱动执行元件 4 通风系统硬件的设计 4 1 硬件电路 本系统的硬件电路如下图所示 它由 4 台电动机 一台智能型电控柜 包括西门 子变频器 PLC 交流接触器 继电器等 一套压力传感器 断相相序保护装置以及 供电主回路等构成 该系统的核心是 S7 200 CPU224 和 MICROMASTER 440 MICROMASTER 440 是泵和风机类专用变频器 扩展功能强 CPU224 集成了 14 点 输入 10 点输出 共有 24 点数字量 I 0 其模拟量扩展模块具有较大的适应性和灵活性 且安装方便 满足设计需要 图 4 1 系统主电路 该系统有 4 台电动机 分别拖动 4 台电动机 合上空气开关后 当交流接触器 KM1 KM3 KM5 KM7 主触点闭合时 电动机为工频运行 当 KM2 KM4 KM6 KM8 主触 点闭合时 电动机为变频运行 4 个热继电器 KR1 KR4 分别对 4 台电动机进行保护 避免电动机在过载时可能产生的过热损坏 4 2 系统控制电路设计 1 系统控制电路 如图 4 2 所示 Q0 0 Q0 7 为 PLC 输出软继电器触点 其中 Q0 0 Q0 2 Q0 4 Q0 6 控制变频运行电路 Q0 1 Q0 3 Q0 5 Q0 7 控制工频运行电路 SA 为转换开关 实现手动 自动控制切换 当 SA 切在手动位时 通过 SB1 SB4 按钮分别起动 4 台水 泵工频运行 SB5 SB8 按钮分别停止 4 台离心风机工频运行 当 SA 在自动位时 由 PLC 控制水泵进行变频或工频状态的起动 切换 停止运行 实现了系统的自由切换和 工作状态的灵活选择 图 4 2 系统控制电路 2 PLC 及变频器控制模块电路 PLC 及变频器控制模块是本系统的核心 它包括时间控制电路 故障报警保护电 路 断相相序保护电路 5 软件设计 该系统除部分为顺序控制外 从总体上来看具有随机离散控制的特点 控制系统 软件结构的流程图如下图所示 设定由瓦斯浓度传感器传送来的瓦斯浓度值为 D 用户 设定不能超过的瓦斯浓度值为 D0 气压传感器传来的压力为 F1 用户要求的矿井内气 压值为 F2 由图 5 可知 按下启动键后 首先检测是否手动 如果是则手动控制操作 否则就自动正常运行 接着检测矿井内瓦斯浓度值和大气压力值 进行处理判断 若 D D0 则通风机与矿井下供电电源联锁停止工作并报警 否则比较判断 F1 与 F2 的大小 若 F1 F2 进入风机轮休控制子程序 启动 A 风机 A 风机运行一定时间后 启动 B 组风机工作 A 组风机停止 否则两台通风机同时参与工作 系统的流程图如下 图 5 1 系统总流程图 5 1 通风系统的主要参数监控 矿井主要通风机装置性能测试工作是复杂多变的 涉及主要通风机装置进 出口 空气的温度和湿度 大气压等气象参数 风压参数 流经主要通风机前后的风量 电 气参数 还有电动机和主要通风机的转速及传动效率等参数 开始 数据采集子程序 D D0 F1 F2 风机轮休控制子程序 是否手动 转手动控制 风机连锁停止并报警 两组风机同时运行 结束 F1 F2 Y N Y N N Y Y N 1 空气密度测定 分别用空盒气压计 水银温度计 湿度计测量大气物理条件 大气压力 温度和 湿度 然后计算空气的密度 在距风压测试点 20m 内的巷道内 用气压计测量绝对静压 用干 湿温度计测 量干 湿温度 每调节工况一次测量三次 取其算术平均值来计算 5 2 瓦斯浓度控制 瓦斯浓度给定范围及依据 瓦斯爆炸有一定的浓度范围 我们把在空气中瓦斯遇 火后能引起爆炸的浓度范围称为瓦斯爆炸界限 瓦斯爆炸界限为 5 16 当瓦斯浓度低于 5 时 遇火不爆炸 但能在火焰外围形成燃烧层 当瓦斯浓度为 9 5 时 其爆炸威力最大 氧和瓦斯完全反应 瓦斯浓度在 16 以上时 失去其爆炸性 但在空气中遇火仍会燃烧 瓦斯爆炸界限并不是固定不变的 它还受温度 压力以及煤尘 其它可燃性气体 惰性气体的混入等因素的影响 瓦斯浓度控制部分和温度控制部分相似 本设计用到的瓦斯浓度传感器为 KGJ16B 型 其性能参数见硬件设计部分 瓦斯浓度传感器将连续变化的瓦斯浓度信号转换为 4 20 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 在离心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 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 图 5 2 瓦斯浓度控制程序 5 2 压力的监测 1 风压给定及依据 在通风中所称的风压是指单位体积的空气所具有的能量 按其类型可分为静压 动压和全压 其单位为 Pa 矿井自然风压的计算 但是矿井进 回风井的空气柱的的容重差 容重差又主要由温度差造成 以及高 差和其它自然因素所形成的压力差称为自然风压 它对矿井主扇的工况点会产生一定的 影响 因此设计中应考虑自然风压对主扇的影响 其计算公式为 hn z1r1 z2r2 式中 hn 自然风压 单位 Pa Z1 矿井最高点至最低水平间的距离 Z2 出风阶段的垂高 r1 r2 表示进 回风流的平均重率 N m3 2 主扇静风压计算 容易时期 东翼通风容易时期主扇静风压 西翼通风容易时期主扇静风压 困难时期 东翼通风困难时期主扇静风压 西翼通风困难时期主扇静风压 2 风压测定及控制 为求得主要通风机装置的静压 应测出主要通风机进风端空气的相对静压 其测 定位置应布置在工况调节装置与主要通风机进风口之间直线段上 尽量选择在接近主 要通风机进风口而又风流稳定处 通常轴流式主要通风机可在距离进风口一倍叶轮直 径处测量 对单吸风口的离心式风机则应布置在控制闸门后两倍叶轮直径以外处测量 对双吸风口的离心式风机应在风道分支一倍叶轮直径处的稳定处的稳定风流中测量 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 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 而身分作用可以克服惯性滞后 提高抗干扰能力和系统的稳定性 可改善系 统动态响应速度 因此 对于速度 位置等快过程扩温度 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 在自动方式下 利用远传空气 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 1 10V直流电压信号 送人A D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参数参数设置 图 5 3 PID 参数设置 其设置调用了压力子程序见附图 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 5 4 所示 图 5 4 压力中断子程序 本系统的压力控制是用 SMB34 定时设定的时间周期进行中断处理的 利用 SMB34 固定的时间间隔作为采样周期 对模拟量 AIW0 输入进行采样 然后通过 A D 转换模块 进行模数转换 中断子程序如图 8 所示 压力中断程序分两部分进行处理数据 一部分将转换后的数据存储到 VD128 中与 设定的压力值进行比较处理 假设矿井内的气压在一个大气压或在设定的某个大气压 力数值以上 PLC 通过控制变频器 工作通风机与备用通风机循环工作 由矿井的气压 参数通过 PLC 运算去控制变频器来达到风机的转速的控制 当出现突发事故 或矿井 内的气压低于设定的某个气压参数时 VD128 的压力值与工频压力值 VD136 进行比较 若 VD128 小于或等于 VD136 的值 则当前运行通风机将由变频转到工频运行 此时如 果仍满足不了通风的需要时 工作通风机与备用通风机不再循环工作 并自动切换为 同时工作 另外 接入的备用通风机根据矿井的气压参数进行变频运行 加大对矿井 内的通风量 直至矿井内的气压生至设定的大气压力数值以上 工作通风机与备用通 风机恢复循环工作 图 5 5 压力中断程序 5 3 温度的监测 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 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 0 10V 的模拟量信号 则对应的数字量结果应为 0 32000 或需要的数字 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 0 10V 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 5 6 所示 表 5 6 工程值与数字量对应关系 温度值 数字量电压值 V 12023652 27 39 12524347 87 61 8518782 65 87 9019478 36 09 模拟量和数字量的转换公式为 y AL AH AL X 0 65535 0 y 转换过后的工程值 多少电流 AH 工程值的上限 电流的上限 AL 工程值的下限 电流的下限 X 工程转换后的数字量值 电流转换后的数字值 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 0 10V 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 3 所示 模拟量信号的类型及范围是通过模拟量模块右下侧的 DIP 设定开关进行输入和输 出信号选择的 5 4 流量的监测 1 风量给定及依据 根据 煤矿矿井采矿设计手册 中 采用压入式通风方式计算公式进行计算 Vy QSL t 4 21 其中 Vy 压入通风量计算 m3 min Q 爆破装药量 Kg 为 54Kg S 隧洞断面面积 m2 断面面积按照 11 66 m2 L 隧洞长度 m 施工支洞长按照 670m t 通风时间 min 最大通风时间按照 60min 计算 根据上述计算的工作面需要风量要求 进行局部通风机风量的给定 2 风量测定