井下风机安全分布式监控系统的设计

摘要随着我国经济的发展，煤矿安全生产日益被重视，保障安全生产成为煤矿的首要任务。煤矿通风系统是保障煤矿安全生产的核心部分，煤矿通风机作为通风系统的核心设备，其工作状态直接煤矿的安全生产。因此，监控通风机的工作状态，可以有效的保障煤矿安全生产。本设计采用PLC可编程控制器作为监控系统的控制设备，介绍了PLC在煤矿通风系统中的应用，通过不同的传感器进行信号采集，编制了能够实现不同控制功能的梯形图，并简单的介绍了PLC和其他设备组成的监控系统。本监控系统实现了风机的安全监控，有效的保障了通风机的安全、经济运行，保障了煤矿的安全生产，有效的提高了煤矿的经济效益。关键词煤矿通风机；安全监控；PLCABSTRACTWITHTHEDEVELOPMENTOFOURCOUNTRYECONOMY,THESAFETYPRODUCTIONOFCOALMINEISATTACHEDMOREANDMORESERIOUSLY,ANDTHESAFEPRODUCTIONBECOMESTHEPRIMARYTASKOFCOALMINECOALMINEVENTILATIONSYSTEMISTHECOREPARTOFCOALMINESAFETYPRODUCTION,COALMINEVENTILATORASTHECOREEQUIPMENTOFTHEVENTILATIONSYSTEM,ITSWORKINGSTATEDIRECTLYCOALMINESAFETYPRODUCTIONTHEREFORE,MONITORINGTHEWORKINGSTATUSOFTHEVENTILATORCANEFFECTIVELYPROTECTTHECOALMINESAFETYPRODUCTIONTHISDESIGNADOPTSTHEPLCPROGRAMMABLECONTROLLERASTHECONTROLEQUIPMENTMONITORINGSYSTEM,INTRODUCESTHEAPPLICATIONOFPLCINTHEMINEVENTILATIONSYSTEM,BYDIFFERENTSENSORSFORSIGNALACQUISITIONANDPROGRAMISMADETOREALIZEDIFFERENTCONTROLFUNCTIONOFLADDERDIAGRAM,ANDSIMPLYINTRODUCESTHEPLCANDTHEOTHERLOCATEDBYTHEMONITORINGSYSTEMTHEMONITORINGSYSTEMREALIZEDTHESAFETYMONITORINGOFTHEFANS,EFFECTIVELYENSUREDTHESAFETYANDECONOMICOPERATIONOFTHEVENTILATOR,ANDENSUREDTHESAFEPRODUCTIONOFTHECOALMINE,ANDEFFECTIVELYIMPROVEDTHEECONOMICBENEFITOFTHECOALMINEKEYWORDSCOALMINEFAN；SAFETYMONITORING；PLC目录1绪论111煤矿安全生产的概述112目前国内外煤矿通风机监控系统的状况113设计的目的和意义214本设计所做的工作32矿井通风系统421矿井通风系统概述422矿井通风机概述4221矿井通风机通风方法5222风机的简单调速方法523风门524矿井的反风方法625通风系统故障分析626风机监控系统的主要功能需求分析63矿井风机监控系统的硬件设计731监控系统组成及特点732井下风机监控运行方式的设计833风机参数的检测834系统的输入/输出统计配置10341数字量/模拟量输入点和数字量/模拟量输出点统计及PLC和模块选择10352标志位和定时器统计1535系统硬件接线图17351CPU模块接线图17352数字量输入/输出模块接线图18353模拟量输入模块接线图20354CPU模块与数字量模块和模拟量模块连接图224井下风机监控系统的软件系统2341S7300型PLC编程器STEP7概述2342监控系统的软件流程图23421风机的启动流程图23422自动控制方式流程图24423反风控制流程图2543井下风机监控系统的程序设计265结论45参考文献46附录A48附录B601绪论11煤矿安全生产的概述我国是个矿产资源丰富的国家，采矿行业在国民经济占有很大的比重。随着我国改革开放，国民经济的迅猛发展，生产力与生产关系也发生了质的飞跃。作为工业粮食的煤炭行业，煤炭产量更是经过不到十年的时间，在二十一世纪发生了质的飞跃，我国也一跃成为世界第一产煤大国。然而随着生产的迅猛发展，安全与生产的矛盾越来越突出。煤矿作为高危行业之一，安全生产一直是生产领域中的头等大事。在19902000年的11年间，全国煤矿死亡人数66196人，平均百万吨死亡率为522。近年来随着党中央、国务院对煤矿的安全生产工作的重视，煤矿安全形势总体趋于好转。2007年全国煤矿死亡人数3786人，平均百万吨死亡率1485，分别比2006年下降202和272。2008年全国事故总量比2007年实际下降14，较大事故、重特大事故起数下降3，其中煤矿死亡人数下降2，2009年我国煤矿百万吨死亡率降至0892。但是，由于煤矿井下生产条件比较特殊，除了生产过程复杂、环境繁多、条件恶劣和场所移动以外，还受到水灾、井下起火、瓦斯爆炸、煤与瓦斯突出、煤尘、顶板和冲击地压等自然灾害的严重威胁。水灾、井下起火、瓦斯爆炸是影响矿井安全生产的主要3个因素，其中瓦斯爆炸是一种瓦斯、煤尘、大火混合型的爆炸灾害，最为常见且造成的危害也最为严重。瓦斯在掘进面、工作面涌出的多少随地理情况、煤的生成情况的不同而不同,情况非常复杂,规律也很难把握,因此难以加以利用。12目前国内外煤矿通风机监控系统的状况最近20年以来，各国煤矿通风机监测系统迅猛发展，对事故的预防起了至关重要的作用。现在让我们先来看一下各国煤矿通风监测系统的发展状况1英国的MINOS监测系统，是英国最有代表性的先进的监测系统。它能够对煤矿井下环境进行连续的监测，包括低浓度瓦斯、高浓度瓦斯、瓦斯抽放系统的负压、风速、风压、烟雾及粉尘。2德国的TF200瓦斯监测系统TF200系统，是YF24系统的更新产品，功能是扩大传输通道，由开始的24个增加到52个。主要传感器有高浓度瓦斯传感器、低浓度瓦斯传感器、CO传感器、风速传感器等。主要设备有计算机、打印机、记录仪、模拟盘。传输系统的传输方式是调频。3波兰的CMM20M瓦斯监测系统，适合于小型煤矿，可配接20个测点，可以用循环方式监测各测点的参数，包括瓦斯浓度和风速等。4美国的CADA监测系统，是一种集中监测系统。监测系统分为标准型和扩展性两种国外在不断完善煤矿安全跟踪预测的基础上，进一步开展了研究瓦斯突出的动态预测技术和突出危险区域的预测技术。俄罗斯建立了区域的预测预报专家系统，德国研发了超越现实的一种高安全性的通讯技术，可以完全改变煤矿井下工作人员的工作方式，煤矿工作人员通过数字眼镜来检测机器故障，查看出现故障了的机器，电脑会给出很详细的有动画演示的维修步骤，煤矿工作员不需要亲自去检查机器，是完全由电脑来检查并处理数据。在新近研发的煤矿井下新技术中特别吸引人注目的是一种井下WLAN无线局域网系统，这种技术是利用安装在煤矿工作人员头盔上的摄像头，传送地下煤矿实时图像同时通过手机耳麦等移动通讯设备借助微型电脑进行数据传输等，然后专家可以借助煤矿工作人员头盔上的摄像头传送的实时图片进行观察与诊断，并通过耳麦进行指导操作，提高了煤矿工作人员的工作效率，也大大降低了危险概率。波兰和法国对煤层突出的危险进行了分级，实现了科学管理。我国的监测监控技术应用的比较晚，起初从波兰法国德国英国和美国等国家引进了一批如DAN6400TF200MINOS和SENTURION200通风安全监测监控系统，装备了一部分煤矿，并且在引进的同时进行消化吸收并结合我国煤矿的实际情况，先后研制出了KJ2KJ4KJ8KJ10KJ13KJ19KJ38KJ66KJ75KJ80KJ92等监控系统，通过在我国煤矿的大量使用实践表明，安全监测监控系统为煤矿的安全生产和管理起到了至关重要的作用，各煤矿已把它作为一项重大安全装备。随着电子技术、计算机软硬件技术的迅速发展和企业自身发展的需要，国内很多单位相继研制出KJ90KJ95KJ101KJF2000KJ4KJ2000和KJG2000等监控系统以及MSNMWEBGIS等煤矿安全综合化和数字化网络监测监控管理系统。13设计的目的和意义近年来，我国各行各业有了很大的发展，国民经济不断的提升。但是，我国的煤炭行业依然存在着安全与生产问题。除了少数大型煤炭企业有完善的安全生产保障设备，很多小型企业因为能力有限，依然无法保障安全生产，导致生产过程中，经常发生瓦斯爆炸等事故，造成不必要的人员伤亡和经济损失。所以，保障安全生产刻不容缓。煤矿通风系统是煤矿安全生产的重要部分，通风机是通风系统当中的核心设备，其工作状态直接影响通风系统运行状况，一旦风机因为某种故障停止工作，通风系统就会瘫痪，瓦斯就会在井下积聚，当瓦斯浓度达到一定浓度时，就会造成瓦斯的爆炸等事故，从而导致工作人员的伤亡和煤矿设备的损坏，给公司造成诸多经济损失。因此，对煤矿风机工作状态的监控是非常必要的。这样煤矿的工作人员就能实时准确的掌握风机的工作状态，从而有效预防瓦斯爆炸等事故的发生，保障安全生产，提高煤矿的经济效益。除此之外，国内外高科技监控系统的昂贵价格也是导致小型煤矿望而却步的根本原因，如果能够设计出价格低廉、操作简单、维修方便的风机监控软件，小型煤矿就可以对风机的运行状态进行实时监控，从而有效解决安全与生产的矛盾，大大减少瓦斯爆炸等事故的发生，保障了井下工作人员的生命安全。14本设计所做的工作1实时监测风机风速、风压、大气温度和湿度。2风机运行状态的监测，包括正常通风状态、反风时候的通风状态、风机的启停等。3控制风门的开和关、风机的启动和停止。4风机之间有电气和机械闭锁，保证风机的安全。5控制方式有手动控制方式和自动控制方式。6风机发生异常状态时，能马上启动另一台风机进行运转，当两个风机都异常时，可以切断设备的供电电源。7瓦斯的浓度超过报警浓度时候就会报警，超过复电浓度就会切断设备电源。2矿井通风系统21矿井通风系统概述通风系统是通过各种通风设备，连续不断地把地表的新鲜空气沿着进风井巷送到井下，供给井下人员呼吸所需要的氧气，不断地去稀释和冲淡有害物质，使之达到无害程度，同时把井下的污浊空气排至地面，以保证井下空气质量并将矿尘浓度限制在规定的安全浓度之下，调节井下工作地点的气候条件，保证井下具有满足规定的风速、温度和湿度，创造良好的作业环境。从系统组成来看，矿井通风系统是由通风网络、通风动力和通风控制设施三大部分构成。从系统结构来看，矿井通风系统可以分为进风部分、回风部分和用风部分。按进风井出风井的布置方式分为中央式通风、对角式通风、混合式通风。图21矿井通风系统立体示意图FIG21STEREOSCOPICSKETCHOFMINEVENTILATIONSYSTEM22矿井通风机概述矿井通风系统主要由通风机、风门、风井等三大部分组成，其中通风机是通风系统的核心部件，是风机安全监测系统的首要监测对象。目前，通风机主要根据风流在叶轮内部的流动方向，分为离心式风机和轴流式风机，风流沿径向流动的是离心式风机，沿轴向流动的是轴流式风机。通风在煤矿安全生产中起着至关重要的作用，煤矿的安全生产必须保证24小时不间断通风，所以在通风系统设计中，通风机作为矿井通风系统的核心部件一般都重复配置两台一样的通风机组，一台为主通风机组，一台为备用机组，以确保通风的不间断性。本设计中的风机选择由南阳防暴集团有限公司生产的2台BDK隔爆对旋轴流式通风机作为监测对象。对旋轴流式风机相比于普通轴流式风机，有2个电动机，电机与叶轮直接相连，输出风压更大，效率更高，反风能力强。221矿井通风机通风方法按风机工作方式来看，矿井通风机通风方法可以分为压入式、抽出式、压抽混合式三种类型。目前，我国生产的通风机防爆、防静电和防摩擦火花性能都相对较差,采用抽出式和混合式通风工作方式，流过风机的是来自工作面含有瓦斯的污浊风流,非常容易引发爆炸事故,所以我国大部分煤巷的通风方式是采用压入式。222风机的简单调速方法对旋轴流式风机是由两个电机驱动叶轮旋转，叶轮与电机直接相连，一个电机带动叶轮顺时针旋转，一个电机带动叶轮逆时针旋转，从第一个叶轮出来的风经过第二个叶轮会加速。通过控制电动机启动个数可以简单实现风速的控制。23风门当人员和车辆可以通行，风流不能通过巷道时，巷道中最少要建立两座风门，且间距要大于一列车的长度，行人风门间距不小于5M。风道的通断完全通过来风门的开合来实现。本设计方案中两台通风机各有一个通道，每个通道有三个风门，一个立式风门，一个地面风门，一个斜风门，其中立风门和斜风门是通常系统设计中的冗余考虑，地面风门是倒换风机和调节风量时所用。它们都是电动风门，其中立式风门各由一台低压三相交流电动机拖动，采用左右水平推拉式，无转速调节，通过左右限位开关来检测风门的位置，斜风门由交流电动机拖动，通过上下限位开关检测风门的位置，限位开关的常开、常闭触点向PLC发出信号并且切断电机供电回路。其布局如图所示图22矿井通风系统示意图FIG22SCHEMATICDIAGRAMOFMINEVENTILATIONSYSTEM24矿井的反风方法反风是指与正常通风时候各大通风巷道、风井的风流流向相反的风流。当井下发生瓦斯爆炸等火灾事故的时候，可以通过采取反风的方式，迅速的改变井下各大通风巷道的风流方向，从而避免火势的扩大，为抢救工作人员争取宝贵的时间。并且，反风必须要求迅速，只有最快的时间改变风流的方向，才能最快的撤出危险地带，最坑的抢救井下遇难人员。通风系统的反风方法通常有两大方式一种是通过在井下建立专门的反风通道反风，另一种是通过控制风机电动机的反向旋转实现风流的反向。反风通道反风的优点是风机不需要停不需要反转，风量大，缺点是需要建立专门的反风通道，并且配置风门和风门绞车。后者的优点是直接通过风机电机反向旋转反风，只不过这种方法仅适用于对旋轴流式通风机。本设计由风机电机反转反风。25通风系统故障分析通风系统主要由高压供电系统、低压供电系统、机械系统三大部分组成。其中，高压供电系统有高压开关、变压器、高压电缆等设备。低压供电系统有低压开关、低压电缆及检漏装置等设备。机械系统有通风机等设备。因此通风系统的故障基本就是由组成这三部分当中的单元产生。比如风机电机一相断电、风机的电缆短路、变压器接触不良等电气故障,风机的轴承温度过高、叶轮振动过大等机械故障。26风机监控系统的主要功能需求分析1）风机能够实现故障时候主备风机切换及风电闭锁检测风机的工作状态，当主风机发生故障的时候，备用风机能够自动启动，当备用风机也发生故障的时候能够切断设备电源。2）瓦斯浓度检测当瓦斯浓度超限时能够报警当瓦斯浓度达到复电浓度能够切断设备电源。瓦斯电闭锁，即当瓦斯浓度超限能够报警，当浓度达到复电浓度能够切断设备电源。3）风机电气系统故障检测能够通过电气采集模块实时监测风机运行时候电机等设备的电流、电压等信息。3矿井风机监控系统的硬件设计31监控系统组成及特点本监控系统由PLC作为核心，主要是以信号测取装置和传感器、通讯装置等设备组成。其监控系统示意图如图31所示图31风机安全监控系统示意图FIG31SCHEMATICDIAGRAMOFTHESAFETYMONITORINGANDCONTROLLINGSYSTEMOFTHEFAN监控系统的通风机由两套设备组成，其中一套为备用设备，当主设备发生故障时，备用设备可以顶替主设备马上进行通风工作。本监控系统由控制、通讯、传动和检测四大部分构成。控制部分工控PLC是控制部分的最为重要的部分，通过它可以完成系统设备的逻辑控制、输入或者输出的逻辑闭锁保护，数据的格式化处理以及通风机运行主要参数的实时采集等方面。通信部分通过PROFIBUS电缆将PLC多点接口和上位机的9针D型接口的连接，来实现PLC与上位机的通信。传动部分通过四个电机驱动风机叶轮旋转。检测部分通过传感器、变送器、模拟量仪表、数字量等设备，将信息输送到PLC的输入/输出模块进行处理。风机安全监控系统硬件系统的主要特点1）应用先进的计算机技术，高智能化，功能强大。2）应用模块化设计，各部分之间独立化程度高，备用通道多，易于扩展。3）拥有多种抗干扰措施，抗干扰能力强。4）监测精度高。5）操作简单易上手，维修方便。32井下风机监控运行方式的设计1）手动控制煤矿工作人员通过现场触摸屏进行操作，来实现风机的监测与控制。2）自动控制当无人操作时，主风机运行出现故障，备用风机能够自动启动运行，实现煤矿的连续安全生产。33风机参数的检测1）温度信号的检测风机电机的定子绕组温度和轴承温度是通过PT100温度传感器安装在风机内部测量电阻与温度采集模块连接得到的,环境温度是通过由北京中高伟业科技有限公司生产的WZP防爆一体化温度变送器得到的。工作环境50200；湿度90RH；仪表精度0205级供电电源AC100250V整机功耗4VA输入信号PT100铂电阻输出信号420MA通信输出RS485，通过此串口与S7300的通讯模块连接。2）风机启/停信号检测SG4KGT9型开停传感器是通过测定电机的磁场来间接测定设备的启停状态，并把启停信号转换成标准信号输送至PLC，从而实现监测煤矿井下各种交流驱动机电设备的启/停工作状态。防爆型式矿用本质安全型，标志为“EXIBI“输入电源工作电压本安DC824V工作电流10MA输出信号420MA3）风量的检测用的是由北京中高伟业科技有限公司生产的LUGB防暴涡街流量计。4）振动参数的检测振动参数的检测是通过由汤姆斯自动化科技有限公司生产的TMSHZDB一体化振动变送器来实现。TMSHZDB一体化振动变送器是传统的振动传感器、精密测量电路的相结合，可以实现高精度振动检测，并且可以同PLC系统直接连接使用。一体化振动变送器主要安装在机械设备的轴承盖上，可以测量振动幅度或者振动速度。它是通过运动线圈切割磁力线而产生电信号的变送器，且安装简单，维修方便。信号输出标准电流420MA输出阻抗600电源DC24V安装方式垂直或水平安装于被测振动源上，使用环境温度40100、相对湿度905）压力检测压力检测不需要检测动压，主要是通过电容式差压变送器检测风道中的静压和全压。压力检测方法采用钻孔取压。测量点通常选择在风机的入口处，通过南京宏沐科技有限公司生产的HM69防爆压力变送器将测量得到的压力信号转换为电信号。信号输出标准电流420MA工作环境2085工作压力4MPA测量范围100KPA0200PA5KPA200MPA。6）电气参数的采集电气参数主要包括电机和电网的电压、电流、功率、功率因数。其中电机的电流、电压包括空载和负载的电流、电压，以及励磁电流和电压。电机参数主要通过EDA9033A三相电参数采集模块得到的。7）系统通讯利用光纤与中央控制室的计算机进行联网，从而实现通风机的远程监控。34系统的输入/输出统计配置输入/输出模块是实现CPU模块与现场输入/输出设备连接的桥梁，用户可通过现场输入/输出设备来控制不同用途的I/O模块。341数字量/模拟量输入点和数字量/模拟量输出点统计及PLC和模块选择S7300的数字量输入模块是SM321。数字量输入模块是用来连接电子数字传感器和外部的机械触点，是将来自现场的外部数字量信号的电平转换成PLC内部的信号电平，且含有的数字滤波功能，可以有效防因外部干扰脉冲或输入触点抖动导致的错误信号。S7300的模拟量输入模块SM331，主要由A/D转换器组成，是用来将模拟量信号转换成CPU内部处理用的数字信号。S7300的数字量输出模块是SM322。数字量输出模块是将内部的信号电平转化为控制过程所需的外部的信号电平，用来驱动接触器、灯、电磁阀和电动机起动器等负载，同时有功率放大和隔离的作用。S7300的模拟量输出模块是SM332。模拟量输出模块是将CPU传送给它的数字信号成比例的转换为电流信号和电压信号，从而实现执行机构的调解与控制。表31数字量/模拟量输入统计表TABLE31THENUMBEROFFIGURESANDANALOGINPUTSTATISTICS序号名称绝对地址数字类型1手动控制方式I00BOOL2自动控制方式I01BOOL3启动1风机电机正转I02BOOL4启动1风机电机反转I03BOOL5启动2风机电机正转I04BOOL6启动2风机电机反转I05BOOL7启动3风机电机正转I06BOOL8启动3风机电机反转I07BOOL9启动4风机电机正转I10BOOL10启动4风机电机反转I11BOOL111风机电机停止I12BOOL122风机电机停止I13BOOL133风机电机停止I14BOOL144风机电机停止I15BOOL151风门停止I16BOOL162风门停止I17BOOL173风门停止I20BOOL184风门停止I21BOOL19保护I22BOOL201风门开到位I23BOOL211风门关到位I24BOOL222风门开到位I25BOOL232风门关到位I26BOOL243风门开到位I27BOOL253风门关到位I30BOOL264风门开到位I31BOOL274风门关到位I32BOOL281地风门开到位I33BOOL291地风门关到位I34BOOL302地风门开到位I35BOOL312地风门关到位I36BOOL32过载保护I37BOOL331风门正转I40BOOL341风门反转I41BOOL352风门正转I42BOOL362风门反转I43BOOL373风门正转I44BOOL383风门反转I45BOOL394风门正转I46BOOL404风门反转I47BOOL411地风门正转I50BOOL421地风门反转I51BOOL431地风门停止I52BOOL442地风门正转I53BOOL452地风门反转I54BOOL462地风门停止I55BOOL471风机运行状态I56BOOL482风机运行状态I57BOOL491风机电机前轴温度IW02INT501风机电机后轴温度IW04INT512风机电机前轴温度IW06INT522风机电机后轴温度IW08INT533风机电机前轴温度IW10INT543风机电机后轴温度IW12INT554风机电机前轴温度IW14INT564风机电机后轴温度IW16INT571风机电机X定子绕组温度IW18INT581风机电机Y定子绕组温度IW20INT591风机电机Z定子绕组温度IW22INT602风机电机X定子绕组温度IW24INT612风机电机Y定子绕组温度IW26INT622风机电机Z定子绕组温度IW28INT633风机电机X定子绕组温度IW30INT643风机电机Y定子绕组温度IW32INT653风机电机Z定子绕组温度IW34INT664风机电机X定子绕组温度IW36INT674风机电机Y定子绕组温度IW38INT684风机电机Z定子绕组温度IW40INT691风机风量IW42INT702风机风量IW44INT711风机风速IW46INT722风机风速IW48INT731瓦斯浓度IW50INT742瓦斯浓度IW52INT751风机静压IW54INT762风机静压IW56INT771风机全压IW58INT782风机全压IW60INT791风筒气温湿度IW62INT802风筒气温湿度IW64INT811风筒大气压力IW66INT822风筒大气压力IW68INT831风机电机前垂直振动参数IW70INT841风机电机后垂直振动参数IW72INT851风机电机前水平振动参数IW74INT861风机电机后水平振动参数IW76INT872风机电机前垂直振动参数IW78INT882风机电机后垂直振动参数IW80INT892风机电机前水平振动参数IW82INT902风机电机后水平振动参数IW84INT913风机电机前垂直振动参数IW86INT923风机电机后垂直振动参数IW88INT933风机电机前水平振动参数IW90INT943风机电机后水平振动参数IW92INT954风机电机前垂直振动参数IW94INT964风机电机后垂直振动参数IW96INT974风机电机前水平振动参数IW98INT984风机电机后水平振动参数IW100INT表32数字量输出点统计表TABLE32STATISTICALTABLEOFDIGITALOUTPUT序号名称数据类型地址11风机电机正转BOOLQ0021风机电机反转BOOLQ0132风机电机正转BOOLQ0242风机电机反转BOOLQ0353风机电机正转BOOLQ0463风机电机反转BOOLQ0574风机电机正转BOOLQ0684风机电机反转BOOLQ0791风门电机正转关风门BOOLQ10101风门电机反转开风门BOOLQ11112风门电机正转关风门BOOLQ12122风门电机反转开风门BOOLQ13133风门电机正转关风门BOOLQ14143风门电机反转开风门BOOLQ1515切断电源BOOLQ16164风门电机正转关风门BOOLQ20174风门电机反转开风门BOOLQ2118报警电铃BOOLQ22191电机温度超标指示灯BOOLQ23202电机温度超标指示灯BOOLQ24213电机温度超标指示灯BOOLQ25224电机温度超标指示灯BOOLQ26231电机振动参数超标指示灯BOOLQ27242电机振动参数超标指示灯BOOLQ30253电机振动参数超标指示灯BOOLQ31264电机振动参数超标指示灯BOOLQ32271瓦斯浓度超标报警BOOLQ33282瓦斯浓度超标报警BOOLQ34291风量超限报警BOOLQ35302风量超限报警BOOLQ36311地面风门电机正转关风门BOOLQ37321地面风门电机反转开风门BOOLQ40332地面风门电机正转关风门BOOLQ41342地面风门电机反转开风门BOOLQ42351风机反风信号BOOLQ43362风机反风信号BOOLQ44371风机正常风信号BOOLQ45382风机正常风信号BOOLQ4639压力报警BOOLQ47由表31可以查出，一共有48个数字量输入点和50个模拟量输入点。由表32可以查出，一共有39个数字量输出点。通过对系统I/O点数的统计，我选择西门子300系列PLC作为控制核心，314CN的CPU模块一个。数字量模块我选择两块SM3236ES73231BL00OAAO型号数字量输入输出模块，温度模拟量输入点是通过通信处理器模块直接与PLC相连，所以我选择4块6ES73317KF02OABO型号的8通道的模拟量输入模块作为其余模拟量的输入模块。根据所有模块的电流和功耗，电源的额定电流要大于CPU模块、I/O模块、及其它模块的总消耗电流原则，电源模块选择PS30710A。352标志位和定时器统计在控制系统的软件编程过程中，会用到一些标志位，我把用到的标志位和定时器整理成表33。表33中间标志位和定时器统计TABLE33INTERMEDIATESYMBOLANDTIMERSTATISTICS序号名称绝对地址数字类型1初始位M00BOOL21风机电机正转标志位M21BOOL32风机电机反转标志位M22BOOL41风机启动时各风门标志位M23BOOL51风机启动后各风门标志位M24BOOL61、2风机电机停止标志位M25BOOL73风机电机正转标志位M27BOOL84风机电机反转标志位M30BOOL92风机启动时各风门标志位M31BOOL102风机启动后各风门标志位M32BOOL113、4风机电机停止标志位M33BOOL122风机停机后各风门复位标M34BOOL13温度超标报警标志位M110BOOL14电机温度限定值MW20INT15定时器T37T0TIMER16定时器T37T1TIMER17定时器T37T2TIMER18定时器T37T3TIMER19定时器T37T4TIMER35系统硬件接线图351CPU模块接线图32CPU模块接线图32CPUMODULEWIRINGDIAGRAMCPU模块是用来存储和处理用户程序的模块，有输入输出端子。我选的是314CPU模块，拥有24个数字量输入端子，16个数字量输出端子，左边是数字量输入端子，右边是数字量输出端子。且该CPU拥有多点MPI接口，传输速度快，反映迅速等特点。352数字量输入/输出模块接线图图33数字量输入输出模块SM3231外部接线图FIGURE33DIGITALOUTPUTMODULESM3231EXTERNALWIRINGDIAGRAM图34数字量输入输出模块SM3232外部接线图FIGURE34DIGITALOUTPUTMODULESM3232EXTERNALWIRINGDIAGRAMSM323是开关量输入输出拓展模块即数字量输入输出模块，我选择2块SM323模块，每个模块拥有16个输入端子，16个输出端子。每个端子都可以通过用户定义来赋予每个端子含义，如图中所示，所用到的每个端子我都赋予了定义，且定义都不相同。353模拟量输入模块接线图图35模拟量输入模块SM3311接线图FIGURE35ANALOGINPUTMODULESM3311WIRINGDIAGRAM图36模拟量输入模块SM3312接线图FIGURE36ANALOGINPUTMODULESM3312WIRINGDIAGRAM图37模拟量输入模块SM3313接线图FIGURE37ANALOGINPUTMODULESM3313WIRINGDIAGRAM图38模拟量输入模块SM3314接线图FIGURE38ANALOGINPUTMODULESM3314WIRINGDIAGRAMSM331是PLC300系列的模拟量输入模块，我选择了4块8通道的SM331模拟量输出模块，每个通道输入一个模拟量信号，每个通道由2个接线端子组成，通过用户定义赋予每个通道含义，从而实现用户所需的功能。354CPU模块与数字量模块和模拟量模块连接图CPU314NSM321SM31SM32SM312SM314SM31图39模块连接图FIGURE39MODULECONNECTIONDIAGRAMPLC的各个模块是通过机架相连，通过将每个模块插到机架的槽位上，实现模块的连接。我选择的各个模块的连接方式按照图中的连接方式，从而实现模块之间的连接。4井下风机监控系统的软件系统41S7300型PLC编程器STEP7概述STEP7编程软件是西门子S7300型PLC的配套编程软件，是一种可以在通用微机中运行，在WINDOWS环境下进行编写程序的语言。用一根电缆连接PC的串行口和PLC的多点接口，即可实现PC与PLC之间的通信。通过STEP7编程软件，可以方便的在微机上使用梯形图、功能图、语句表等语言将所要编写的程序经过编译后通过电缆直接输送到PLC内部存储中心执行，且在调试运行时，可以直接诊断各个程序的运行状况，当出现问题时，可以直接进行修改，非常的方便。42监控系统的软件流程图因为1风机与2风机监控系统一样，所以这里我以1风机监控系统为例做介绍。421风机的启动流程图本监控系统的监控对象是隔爆对旋轴流式通风机，隔爆对旋轴流式通风机是开风门启动，即应该先关闭通往井下的风门，同时打开地面风门，然后风机启动，当风机启动后，应该关闭地面风门，同时打开通往井下的风门。将地面风门处于开启状态以及通往井下风门处于关闭状态设定为初始化程序。因为隔爆对旋轴流式通风机与普通轴流式风机不同，是由2个电机反向旋转拖动叶轮，当2个电机同时启动会给电网造成很大的压力，为了减缓电网压力，我控制在完成启动1风机电机30S之后启动2风机电机。图41风机启动流程图FIGURE41BLOWERSTARTINGFLOWCHART422自动控制方式流程图将手动控制方式作为初始化程序，通过按动1风机电机正转启动按钮，经过设定的时间后，1风机能够实现正常通风，没有故障发生。若在设定时间内没有实现正常通风，发生了故障并报警，在无人操作的情况下能够关闭1风机配备的风门，同时启动2风机进行正常通风，当2风机启动完成后，能够关闭2风机配备的风门，如果2风机也发生故障，就切断设备电源，从而实现煤矿的正常安全生产。图42自动控制流程图FIGURE42AUTOMATICCONTROLFLOWCHART423反风控制流程图隔爆对旋轴流式风机可以直接通过风机电机反向旋转达到反风的效果，且风量为正向通风的60,可以满足反风风量。反风的时候，一定要在风机电机停止转动后，并各个风门位置保持不变，再启动风机电机反向旋转。首先，按下1、2风机电机停止按钮。当1、2风机电机完全停止转动的时候，按下1风机电机反转按钮，经过设定的时间后，按下2风机电机正转按钮，从而实现反风控制。图43反风控制流程图FIGURE43ANTIWINDCONTROLFLOWCHART43井下风机监控系统的程序设计PLC的程序由操作系统和用户程序两大部分组成，其中操作系统是用来处理PLC的启动、调用用户程序、刷新过程映像输入/输出表、管理存储区和处理通信、处理中断和错误等功能。用户程序是用来处理用户任务所需要的全部功能。CPU循环往复执行操作系统程序过程中，操作系统程序在每一次循环时都要调用一次主程序OB1。STEP7通过将用户编写的程序和程序中所需要的数据放置在块中，使每个程序部件标准化，然后再通过调用块与块，使用户程序结构化。这样可以使程序简单化且修改方便。程序编程主要有三种方法，分别是分部编、程线性编程和分块编程。其中线性编程适用于简单的控制功能。我选择采用分块编程，因为分块编程是把一个大的任务分成许多个小的任务模块，然后每个小的任务模块根据任务的实际情况编写相应的子程序进行处理，这种程序虽然结构复杂，但是可以把一个复杂的任务简单化，子程序也较容易编写，程序调试也更为简单。在程序执行过程中，CPU不断扫描主程序OB1，如果碰到子程序调用指令就转移到对应的子程序中执行。本风机监控系统的控制系统的主要控制程序如下。（1）主程序OB1,是用来调用各种功能或功能块，从而实现各种功能。（2）OB100初始化程序，系统程序执行之前，必须处于初始状态，将规定的初始状态输入到初始步存储器位M00，将初始步M00置位于1状态变为活动步，当风机运行后M00被复位。（3）风机的地面风门的控制程序因为两个风机的地面风门控制功能一样，所这里以1地面风门控制为例。按下启动1风门电机的正转启动按钮，1风门电机电机正转关风门，当检测到风门位置关到位时，风门电机停止运转。按下启动1风门电机的反转启动按钮，1风门电机反转开风门，当检测到风门位置开到位时，风门电机停止工作，且正反转之间有电气闭锁。（4）风机的第一个风门的控制程序1风门定义为1风机的第一个风门，3风门定义为2风机的第一个风门。且在电机反转开风门时，1风机的两个风门与2风机的两个风门之间设立闭锁，以防止通风时形成风流短路。（5）风机的第二个风门的控制程序2风门定义为1风机的第二个风门，4风门定义为2风机的第二个风门。且在电机反转开风门时，1风机的两个风门与2风机的两个风门之间设立闭锁，以防止通风时形成风流短路。（6）风机监控系统中正常通风时风机电机的控制程序两个风机监控系统相同，这里以1风机正常通风控制程序为例。本监控系统的对象是隔爆对旋轴流式通风机，隔爆对旋轴流式通风机是开风门启动，即应该先关闭通往井下的风门，同时打开地面风门，然后风机启动，当风机启动后，应该关闭地面风门，同时打开通往井下的风门。因为隔爆对旋轴流式通风机与普通轴流式风机不同，是由2个电机反向旋转拖动叶轮，当2个电机同时启动会给电网造成很大的压力，为了减缓电网压力，我控制在1风机电机运转启动完成的30S之后再启动2风机电机运转。为避免风机当中的两个电机同向旋转，在两个电机之间分别设有电气闭锁（即2风机电机的正转输出的常闭触点串到1风机电机的正转电路中）和机械闭锁（2风机电机的正转启动按钮常闭触点串到1风机电机的正转电路中）。7）风机反风时风机电机的控制系统隔爆对旋轴流式风机可以直接通过风机电机反向旋转达到反风的效果，且风量为正向通风的60,可以满足反风风量需求。反风控制的时候，一定要注意风机电机完全停止运转后，且保持各个风门的位置不变，再启动风机电机反向旋转。因为隔爆对旋轴流式通风机与普通轴流式风机不同，是由2个电机反向旋转拖动叶轮，当2个电机同时启动会给电网造成很大的压力，为了减缓电网压力，我控制在1风机电机运转启动完成的30S之后再启动2风机电机运转。为避免风机当中的两个电机同向旋转，在两个电机之间分别设有电气闭锁（2风机电机的反转输出的常闭触点串到1风机电机的反转电路中）和机械闭锁（2风机电机的反转启动按钮常闭触点串到1风机电机的反转电路中）。（8）风机监控系统的手动控制程序首先，切换系统控制方式为手动控制方式，然后在控制面板上进行功能选择，选择所需功能的按钮即可实现相应功能。1、2风机手动控制系统相同，这里以1风机的手动控制程序为例。通风机手动控制的操作顺序启动风机收到运行通风机的指命检测各风门的位置是否处于正确的位置准备启动设备风机电机开始启动电机启动完成打开风门检测各风门是否处于正确的位置风机启动完成报告矿调度室。停止风机收到停机指令停止风机电机的运转风机电机完全停止转动后关闭风门检测各风门是否处于正确的位置停止风机完成报告矿调度室。反风控制收到反风指令停止风机运行保持各风门位置不变风机完全停止转动后，启动风机电机反向旋转反风控制完成报告矿调度室。（9）风机监控系统的自动控制程序两个风机的自动控制程序相同，这里以1风机自动控制程序为例。在无人操作的情况下，风机正常运行，在运行过程中如果风机出现了异常状态，能够马上启动另一个风机进行通风，如果两个都发生了异常状态，马上切断设备电源，从而实现煤矿的安全生产。10报警程序当检测得到的实际值超过或低于设定的报警值时，就会报警，引起煤矿井下工作人员的注意。因甲烷浓度、温度、风机静压和全压报警程序基本相同，这里我以风机静压、全压和甲烷浓度的报警程序为例。5结论随着我国改革开放，国民经济的迅猛发展，生活水平不断的提高，人们逐渐意识到生命的宝贵性，安全生产被人们日益重视起来。高危行业之一的煤矿行业，安全生产成为煤矿行业首要解决的问题，保证煤矿井下工作人员的生命安全刻不容缓。煤矿安全生产的核心部分是保证通风系统的正常工作，通风机是通风系统中最为重要的设备，如果通风机发生异常将直接影响煤矿的安全生产。因此，监控通风机的工作状态是非常必要的。本次风机监控系统的设计，我的监控对象是隔爆对旋轴流风机，西门子S300PLC作为监控系统的核心，通过各种传感器检测信号，用STEP7进行软件程序编写。系统的控制方式包含手动控制和自动控制等多种控制方式，系统实现了正常通风与反向通风的控制，当一个风机发生异常状态的时候，可以自动启动另一个风机进行通风，保证通风系统正常工作，当两个风机都发生异常状态能够马上切断设备电源，实现煤矿的安全生产。由于第一次接触煤矿通风系统，对这方面的知识了解的比较少，对煤矿通风系统的现场具体情况了解的也比较少，所以在做风机监控系统的设计中有很多不足之处，软件程序编写上也存在很多不足，我会在以后的工作学习中继续努力学习，不断完善。经过本次设计，我对煤矿通风系统有了很深的了解，也从中学习到了很多宝贵的知识，为我今后的工作打下了坚实的基础。参考文献1胡学林可编程控制器教程（提高版）M北京电子工业出版社，20052廖常初S7300/400PLC应用技术（第2版）M北京机械工业出版社，20083薛鹏骞,潘玉民煤矿安全检测技术与监控系统M北京煤炭工业出版社，20104袁河津通风安全监测知识M北京中国劳动社会保障出版社，20115刘志成,白爱成通风区（队）长M北京煤炭工业出版社，20036范天吉煤矿通风综合技术手册M吉林吉林电子出版社,200397游华聪煤矿通风技术与安全管理M成都西南交通大学出版社，2003118全国职业培训教学工作指导委员会煤炭专业委员会M矿井通风北京煤炭工业出版社，200589张惠忱计算机在矿井通风中的应用M徐州中国矿业大学出版社，1992410李建兴可编程序控制器应用技术M北京机械工业出版社，2004711陈荣邦,谢文强矿井通风M北京煤炭工业出版社，201112郁汉琪电气控制与可编程序控制器应用技术M南京东南大学出版社，2003613孙海维SIMATIC可编程序控制器及应用M北京机械工业出版社，200514胡汉华矿井通风系统设计原理、方法与实例M北京化学工业出版社，2010515廖常初PLC基础及应用M北京机械工业出版社，200716PRIBAPAUL,PAMETICKYTERRYPLCAPPLICATIONFORLARGEMOTORMONITORINGM2000,8致谢时间过的飞快，转眼间大学生活就要结束了。这四年的大学生活，有过喜悦，也有过悲伤，回想起这一路走过的四年，从一个最初的懵懂少年，成长为现在的知识青年，真的是收获良多。经过几个月的努力，毕业设计最终完成。回想这几个月收集资料、查阅相关图书、整理资料、进行设计、修改设计直至最终完成设计，我得到了很多的帮助。在这里我要向他们表示衷心的感谢。首先，我要衷心的感谢张兰芬老师。张老师是一个有责任心并且平易随和的人。从最初的设计命题确定，资料收集，老师都给予了很多有建设性的意见。在设计过程中，张老师一有时间就会召集大家开会，查看大家的设计进度，并对设计中错误的地方提出宝贵的修改意见。可以说，是张老师的辛勤指导让我顺利完成了本次设计。在这里我要衷心的感谢张老师对我的关心与教诲。其次，我要感谢我的同学，在我设计迷茫时，给予我的鼓励与支持。最后，再一次向在设计过程中所有帮助、鼓励、支持过我的人，致以由衷的感谢。附录ADESIGNANDIMPLEMENTATIONOFPLCBASEDMONITORINGCONTROLSYSTEMFORINDUCTIONMOTORMARIAGIOANNIDES,SENIORMEMBER,IEEEABSTRACTTHEIMPLEMENTATIONOFAMONITORINGANDCONTROLSYSTEMFORTHEINDUCTIONMOTORBASEDONPROGRAMMABLELOGICCONTROLLERPLCTECHNOLOGYISDESCRIBEDALSO,THEIMPLEMENTATIONOFTHEHARDWAREANDSOFTWAREFORSPEEDCONTROLANDPROTECTIONWITHTHERESULTSOBTAINEDFROMTESTSONINDUCTIONMOTORPERFORMANCEISPROVIDEDTHEPLCCORRELATESTHEOPERATIONALPARAMETERSTOTHESPEEDREQUESTEDBYTHEUSERANDMONITORSTHESYSTEMDURINGNORMALOPERATIONANDUNDERTRIPCONDITIONSTESTSOFTHEINDUCTIONMOTORSYSTEMDRIVENBYINVERTERANDCONTROLLEDBYPLCPROVEAHIGHERACCURACYINSPEEDREGULATIONASCOMPAREDT