PLC的矿井通风控制系统设计

1、封面作者：PanHongliang仅供个人学习摘要煤矿的安全生产中，矿井通风系统起着极其重要的作用，它是煤矿安全生 产的关键环节。 而矿井通风机又是矿井通风系统的主要设备之一，因此对其进 行 PLC 控制的变频调速系统的设计和研究，不仅可以大大提高煤矿生产的机械 化、自动化水平，还能节省大量的电能，具有较高的经济效益。煤矿主通风机监控系统主要包括风机性能检测和风机风量调节控制两部 分。本文以一台矿用对旋轴流风机为控制对象，结合 PLC 控制技术、变频调速 技术和组态监控技术，对矿井通风机进行了 PLC 控制的状态监测和变频调速的 设计和研究。监控系统采用上位机加下位机的设计模式。下位机采用可靠

2、性高的可编程 逻辑控制器，通过各种传感器和电量采集单元实时监测通风机的性能参数和状 态参数、电机的电气参数并能实现远程通讯。上位机应用北京亚控科技公司开 发的 KINGVIEW6.52组态软件编写人机界面，将风机工作流程以直观的画面显 示出来，实现数据采集和显示、关键数据的记录和报警、生产数据的存储和报 表输出、为操作员提供良好的操作界面，完成了风机房的无人值守自动化监控 和管理的设计和改造。在变风量系统中，主要比较了风门调节与变频调节，显示出了变频调节系 统不仅能使风机工作在高效区，并且其节能效果要优于其它调节方法，具有很 重要的应用前景。风机调节控制由PLC+变频器控制电机转速实现风量控制

3、。同时本文还研究了风量调节的算法。关键词：PLC 控制；变频调速技术；矿井通风机；组态王软件；目录1引言12设计方案的拟定13系统的结构及工作原理23.1系统的结构23.2系统的控制原理23.3系统的运行方式33.4变频调速原理43.5 PID调节原理介绍54提高通风机装置综合效率64.1风机调速64.2调整轴流风机叶片安装角度74.3更换电机74.4采用“子母”风机75硬件的设计85.1 PLC类型的选用85.2变频器类型的选用及接线方式105.3瓦斯传感器的选择95.4压力传感器的选择105.5变送器的选择105.6电机的选择105.7电源的供电方式115.8故障处理及保护功能126软件的

4、实现126.1PLC的I/O分配136.2 PLC接线图错误！未定义书签。6.3程序控制流程图146.4程序的调试、测试和监控156.5上位机联机调试166.6软件操作应注意事项177结束语 错误！未定义书签。谢辞17参考文献 错误！未定义书签 附录 程序清单 错误！未定义书签1引言矿井通风控制是井下采、掘行业必不可少的环节，特别是在瓦斯浓度要求 严格的作业面，井内的通风状态以及瓦斯气体含量对工作人员来说非常重要。 因此，矿井通风的控制具有重要的理论意义与实际意义，近年来受到格外关 注。所谓通风控制，主要是针对矿井风流的控制，通过对通风机进行调速来控 制风流状态。在通常状况下，井下环境恶劣且风

5、流压力受各种扰动影响而变化 无常、难以把握。原先用人工进行通风控制，由于无法每时每刻对矿井的风量 进行准确的定位监测，很难准确控制风机的启停；并且出现故障多，可靠性 差，给维修带来很大的麻烦。以往通风控制系统中有很大一部分通风电机是不 变速拖动，不变速电机的电能大多消耗在适应风量的变化而频繁的开停风机 中，这样不但使电机工作在低效区、减短电机的使用寿命，而且电机的频繁开 停使设备故障率很高，系统的维护、维修工作量较大；另一方面，由于风量的 随机性，所使用的风量是动态的，采用传统方法难以保证通风的实时性。从整 体最优目标要求出发，这些因素必须在控制设计中加以考虑，这就需要寻找并 应用行之有效的理

6、论，从而来满足这些要求使设计变得简单易行。针对以上提 出的问题，本文采用自动化控制对整个矿井通风系统进行改进，将所关心区域 主风流作为当前状态，井下环境干扰作为外部扰动输入，通风机输出功率作为 控制输入，并考虑实际上瓦斯浓度、风流流速检测滞后的基础上，应用控制理 论与技术解决这类矿井通风控制问题，在整体上求得技术与经济的最佳效益。2设计方案的拟定用变频调速来控制风机的运行，通常有单片机或 PLC 控制两种方式，但在 软件设计上， PLC 比单片机的编程更简洁、直观；从硬件接口考虑，单片机电 路稍微复杂一些；从经济方面考虑，由于 PLC 工艺的日渐成熟，小型 PLC的成 本与单片机相差无几，由于

7、要根据现场情况调整系统参数， PLC 的软件中时间 参数的调整更简单，硬件接口简易可行、提高系统运行的可靠性，特别是整个 系统的稳定性和抗干扰能力很强，这样更有利于售后服务人员掌握。本设计方案将 PLC 与变频器结合在一起组成自动化的通风控制系统，更好 的优化了传统的通风系统， 解决了传统系统中能耗大、 通风质量差等诸多问 题， 它用 PLC 进行逻辑控制，用变频器对电机速度进行调节，自动控制电机转 速，在保持恒压状况下，达到控制风量的目的。系统通过瓦斯传感器检测瓦斯浓度和压力传感器检测的负压，经变送器转 换后，送到 PLC 进行比较、判断，将控制信号送给变频器，从而控制通风电机 的转速，使之

8、实现最优控制。系统应具有“变频 / 工频”切换功能，当变频器出 现故障或电机需要长期在工频状态下运行时，可将电机切换到工频状态，有手动和自动切换 2 种方式，同时还有手动“启/停”功能、电机过热保护、声光报 警等功能，提高了系统可靠性。3系统的结构及工作原理3.1 系统的结构系统的结构框架如图 3-1 所示，整个控制系统主要由 PLC、变频器、瓦斯传感器、压力传感器、电机组、通风机组等组成，该系统主控单元采用PLC，被控元件为变频运行的通风电机，主控参数为瓦斯浓度。手动/自动图3-1系统控制原理框图3.2 系统的控制原理通过安装在矿井内部的瓦斯传感器和压力传感器，将信号传给变送器变成 标准电信

9、号送入 PID 调节器，经运算与给定压力参数进行比较，得出调节参数 送给变频器，由变频器控制风机电机的转速。系统工作主电路如图 3-2 所示，当系统切换到自动状态时，根据检测到矿 井内负压的大小，首先控制通风电机M1 软启动，变频运转并随时检测其数值，如果得到设定值，系统将处于当前状态恒速运行。否则频率上升到50Hz,M1 工频运行，如果还未得到设定值，系统软启动M2 电机，变频运行并无冲击切换到工频电源，直到矿井内负压达到设定值为止，实现通风电机循环软起 动。当所需负压减小时，M2 电机转速逐渐下降到某一个设定低速值， 如井内负 压仍高于设定值，然后停止该台电机运转。停止一台电机后，如果仍高

10、于设定 值，系统将 M1 电机由工频切换为变频运行，以此实现通风电机循环运行，直 到压力等于设定值。 M3 做备用瓦斯传感器压力传感器380V交流电声光报警工频/变频电机，当 M1 或 M2 发生故障，以及需要维修和 紧急情况时，通过启用 M3 电机来达到正常工作的目的。图3-2系统工作主电路图控制系统用一台变频器可以带两台电机， M1、 M2、 M3 电机可以工作在常 规工频模式， M1 、M2 可以工作在变频模式。每台电机只能处于变频或工频其 中一种工作模式，通过 PLC 的程序和外部接触器进行互锁，保证了安全与可靠 的运行。利用安置在矿井内部的传感器将信号传输到变送器，转换成数字信 号，

11、再传送给 PLC，数值在 PLC 内部进行比较后， 控制变频器从而对电机的速 度控制。 电机的起、 停分别由 PLC内部参数所决定。根据所需负压的大小由 PLC 控制工作组电机数量的增减及变频器对电机的调速，实现稳定的负压值。采用变频器控制通风电机的转速，并自动调节风机的运行台数，完成系统 的闭环控制，达到稳定的负压和节能的目的。系统任意设定所需负压值，其反 馈值通过 PID 调节后控制调速装置，以调节通风电机的运行速度，从而调节井 内的瓦斯浓度。这与传统的手动控制相比，该控制系统具有通风质量高、灵活 性强、能耗少、电动机启 / 停平稳等许多优点。3.3 系统的运行方式该系统包括自动和手动两种

12、运行方式：（1） 手动运行该系统设有“手动 / 自动”转换开关。当开关切换到“手动”时，可在现场 启动、停止各台通风电机。当变送器或变频器发生故障时，为确保通风可靠， 三台通风电机可分别采取手动工频运行，该方式主要供检修或变送器和变频器 发生故障以及紧急时用。（2） 自动运行当转换开关转至“自动”状态时，电机的“启/ 停”及“变频 / 工频”切换，完全由 PLC 根据矿井内通风状况及程序内部的设定自动调整，最终达到现 场无人值守、系统本身全自动运行。合上自动开关后， M1 通风电机通电，变频 器输出频率从 OHz 上升，同时 PLC 接收传感器的信号，经运算与给定参数进行 比较，控制变频器调节

13、电机转速，如果风量不足，则频率上升到 50Hz， M1 由 变频切换为工频， M2 电机变频启动，变频器逐渐上升频率直到满足设定值为 止。变频自动功能是该系统最基本的功能，系统自动完成对二台通风电机软启 动、停止、循环变频的全部操作过程。3.4 变频调速原理变频通风控制主要由变频器、控制系统、电机及传感器等部分组成。该系 统通过控制变频调速器，将 50Hz 的交流电从 050Hz 之间频率输出，实现交 流电机的无极调速，从而实现矿井通风机的优化控制，当变频系统为开环时， 设备可以人为设定输出任意频率控制电机转速；当变频系统为闭环时，随着反 馈等要求的变化，自动得到相应的频率。通风电机通常由三相

14、交流异步电动机来拖动，对通风机的调速是通过对其 电机转速的调节来实现。我们知道：异步电动机转速n=60f（1-S）/P。在这个公式中， f 为电机电源的频率， P 为电机的磁极对数， S 为转差率 （0 3%或 0 6%） 。由上述电机的转速公式可见：要想改变电机的转速，可以通过三种方法 来实现：（1） 改变电动机的频率 f；（2） 改变电动机的转差率 S；（3） 改变电动机的磁极对数 P。通过对上面三种方法的分析可以知道：改变电动机的转速的最好方法是改 变电动机电源的频率。因为转差率 S 的范围在 （03%或 06%）之间，由此转差 率 S 对电动机的影响不大，调速效果不明显，效率相对较低。

15、改变磁极对数 P 这种方法，首先它不容易实现，其次由电机的工作原理决定了电机的磁极数是 固定不变的。由于该磁极数值不是一个连续的数值（为 2 的倍数，例如极数为 2， 4， 6），所以一般不适合通过改变该磁极对数 P 来调整电机的速度。电动机的转速 n 和供电电源的频率 f 成正比，要设法改变三相交流电动机 的频率f,就能十分方便地改变电动机的转速 n,另外，频率 f 能够在电机的外 面调节后再供给电机，这样电机的旋转速度就可以被自由的控制，比改变磁极 对数 P 和转差率 S 两个参数简单方便得多。而实际上如果仅仅改变电动机的频 率并不能获得良好的变频特性。如果电压不变，频率下调至小于50Hz

16、 时，会使电机气隙磁通 （约等于 V/f）饱和；反之，电压不变，频率上调至大于50Hz时，则使磁通减弱。所以真正应用变频调速时，需要同时改变电压V 和频率f，以保持磁通基本恒定。通常，电机产生的转矩要随频率的减小（速度降低）而减小。通过使用磁 通矢量控制的变频器，将改善电机低速时转矩的不足，甚至在低速区电机也可 输出足够的转矩。矢量控制具有转矩提升功能，它能增加变频器在低频时的输出电压，以补 偿定子电阻上电压降引起的输出转矩损失，从而改善电机的输出转矩。改善电 机低速输出转矩不足的情况，使用“矢量控制”，可以使电机在低速时的输出 转矩可以达到电机在50Hz 供电输出的转矩。对于常规的 V/F

17、控制，电机的电 压降随着电机速度的降低而相对增加，这就导致由于励磁不足，而使电机不能 获得足够的旋转力。为了补偿这个不足，变频器中需要通过提高电压，来补偿 电机速度降低而引起的电压降。转矩提升功能是提高变频器的输出电压。然而即使提高输出电压，电机转 矩并不能和其电流相对应的提高，因为电机电流包含电机产生的转矩分量和其 它分量。矢量控制把电机的电流值进行分配，从而确定产生转矩的电机电流分 量和其它电流分量的数值。矢量控制可以通过对电机端的电压降的响应，进行 优化补偿，在不增加电流的情况下，允许电机输出大的转矩。3.5 PID 调节原理介绍在通风控制系统中，变送器将传感器的信号变换成电压量或电流量

18、，反馈到 PLC 高级模块 -PID 模块， PID 将压力反馈信号与给定信号进行比较，并经Proportion （比例）、Integral （积分）、Differential coefficient （微分）、诸环节 调节后得到频率给定信号，控制变频器的工作频率，从而控制了电机的转速和 通风量。（1） 比较与判断功能设负压为给定信号，传感器的反馈信号为，PID 调节器首先对上述信号进行比较，得到偏差信号（1） 接着根据值判断如下： 为“”，表明通风量低于给定值，电机应加速。大，说明所需风量低得 较多，应加快电机的转速。为“ -”，表明通风量高于给定值，电机应减速。小，说明所需风量高得较 多，

19、应使电机减速。如果所用风量 Q 增大了，引起通风不足，于是出现了偏差信号。的大小与 负压成比例，但具体数值因其型号的不同而各异。图3-3 PID功能示意图（a）风量增大（b）负压下降（c）P调节后的风量（d）P调节后的负压（e）PI调节后的风量（f）PI调节后的负压（g）PID调节后的风量（h）PID调节后的负压仅仅依靠的变化来进行上述控制，虽然也基本可行，但在值很小时，反映 不够灵敏，不可能使值减小为 0，而存在静差。（2） P （比例）功能 简略的说，P 功能就是将值按比例放大。这样，值 即使很小，也被放大得足够大，使电机的转速得到迅速调整，从而减小了静 差。但是，另一方面， P 值设定得

20、大，则灵敏度高，通风压力到达给定值的速 度快。但由于拖动系统有惯性的原因，很容易发生超调（风压超过了给定 值）。于是又必须向相反方向回调，回调也很容易超调。结果使风量 Q 在新的 风量处振荡，而风压则在给定值处振荡。（3） I （积分）功能 振荡现象之所以发生，主要是电机的升速过程和降 速过程都太快的缘故。I （积分）功能就是用来减缓升速和降速的功能，以缓解 因 P 功能设定过大而引起的超调。I 功能和 P 功能相结合，即为 PI 功能。（4） D（ 微分）功能 为了克服因 I 值设定过大而带来的缺陷，又增加了 D（微分）功能。 D 功能是将 X 的变化率（）作为自己的输出信号。当风量刚刚增大

21、、负压刚下降的瞬间，最大；随着电机转速的逐渐上升，负压的逐渐恢 复，将迅速衰减。 D 功能和 PI 功能相结合，便得到 PID 调节功能2。 PID 功能 示意图如图 3-3所示。4提高通风机装置综合效率通风机装置是矿井通风的心脏，是通风系统最重要的组成部分。它功率 大，日夜不停地运转、 耗电量很大。 据统计， 全国统配煤矿平均主通风机耗电 占全矿耗电的 16%。对主通风机进行改造，应优先考虑提高风机装置综合效 率，即在系统改造的基础上通过风机调速、调整叶片安装角度等措施提高效 率，尽量避免更换风机，因更换风机投资多、工程量大、工期长。总之，调节 方案的选择取决于调节期长短，应综合考虑多个方面

22、因素，经过技术和经济比 较后采取综合治理措施3。4.1 风机调速风机的选型一般是以风机服务期内应克服的最大阻力的风机风压为依据。 当矿井风量过大时，采用风峒中的调节闸门来控制风量，但通风阻力大增，风 机风压增加，风机所消耗的功率变化不明显。而采用调速技术来调节风量，其 功率变化是非常显著的。根据比例定律，同型号风机，当转速由ni调为 n2时，存在着 n1/n2=。由此可见，风机转速稍有变化，矿井的风量变化不明显，而风机的风压和 功率的变化较大。所以，当矿井风量过大时，采用调速技术控制矿井风量，比 闸门控制风量节电效果明显。而当风量不足时，采用增速调节比新购置风机将 节省一大笔购置费和安装费。如

23、图 4-1 所示为 4-72-11NO.20B 风机部分性曲线， 风机转速 710r/min。不采用闸门调节时，矿井风量为 56.5 m3/s，风压力 2760 Pa,采用闸门控制风量，将风量控制在 50m3/s，此时矿井通风总阻力为 2960 Pa,电机功率消耗为 190 kW，比不用闸门调节时功率降低 10kW。后经改造将 风机转速由 710r/min 降为 630 r/min，将闸门提起，矿井风量仍控制在 50 m3/s, 此时主扇风压为 2180 Pa,主扇所耗功率仅为 143 kW，与采用闸门调节相比， 年节省电费 12 万元。可见,矿井通风改造时应优先考虑风机调速。随着调速技术的发

24、展，调速方法很多，诸如晶闸管串级调速、液力偶合器 调速、变频调速、双速电机等。选用时要考虑实施的可能性或采取综合措施， 但风量不足时，增速调节要注意风机的转速不要超过风机的最大转速，以免发 生风机震动、噪音增大、轴温升高、电机超载等问题。图4-1风机部分性能曲线图4.2 调整轴流风机叶片安装角度轴流式扇风机由于叶片安装角度可调，因此当矿井需风量发生变化时，可 通过调整叶片安装角度来满足矿井通风要求。但调节应该在系统改造的基础上 进行，不能盲日的加大叶片安装角度。4.3 更换电机据调查现在不少煤矿的主要通风机都存在着电机与风机不匹配即“大马拉 小车”的现象。一方面由于设计的原因，考虑的备用系数过

25、多。另一方面由于 生产布局的调整，系统的改变造成的。对这种情况，应进行经济技术分析比 较，需要更换电机的应予以更换，以降低电机空载损耗。如双鸭山 A 矿井，设 备选型时选用的电机功率为 800kW 。由于生产布局的调整，总需风量减少，主 扇所需输人功率下降，使得电机容量过剩，经实测40o 叶片安装角时电机功率仅为 340 kW，即使考虑一定的备用系数及叶片安装角增大时功率的增加值，其 电机功率也只需 500 kW。因此根据现场实际情况，系统改造时将电机更换为 630 kW，其空载功率下降了 40 kW，年节省电费 13 余万元。 可见“大马拉小 车”的局面应尽快改变。4.4 采用“子母”风机现

26、在煤矿使用的主扇和电机的选型，一般是考虑开采前期、中期和后期矿 井的风量风压的变化情况，“一锤定终身”，且两个通风机的型号是一样的。 这样势必造成前期风量大、风压高，通风能力过剩。建议风机选型或改造时选 用“子母”风机，即选用一个大风机和一个小风机，或风机型号一样，所选电 机在转速或功率上有所差异，以适应不同生产情况下的矿井通风要求。运行时 以适合矿井通风能力的通风机作主通风机，另一通风机作备用，当需要检修时 启动备用临时进行通风。5硬件的设计5.1 PLC 类型的选用日本松下公司的 FPO 系列 PLC，可以说是可编程控制器市场的后起之秀， FP0是超小型 PLC，是近几年开发的新产品，虽然

27、松下电工的产品进入中国市 场较晚，但由于其设计上有不少独到之处，其产品特点可以归纳为以下几点：（1） 丰富指令系统在 FPO 系列 PLC 中，即使是小型机，也具有近 200 条指令。除能实现一般 逻辑控制外，还可以进行运动控制，复杂数据处理，甚至可以直接控制变频器 实现电动机调速控制。此外，FP0 可以单台使用，也可以多模块组合，最多可 增加 3 个扩展模块，I/O 口从最小 10 点可扩大到 128 点。（2） 快速的 CPU 处理速度FP0 系列 PLC 各种机型的 CPU 速度均优于同类产品，小型机尤为突出，超 小型FP0 的几 ms/千步，对于大型机，处理速度会更快。FP0 的运行速

28、度在同类产品中是最快的，每个基本指令执行速度为 0.9；so 500 步的程序只需 0.5ms 的 扫描时间。还可读限制 50 g 的窄脉冲，即 FP0 有脉冲捕捉功能。（3） 大程序容量FP0 系列机的用户程序容量也较同类机型大，其小型机一般都可达3 千步左右，最高可达到 5 千步。FP0 具有大容量的数据寄存器，可用于复杂控制及 大数据量处理。（4） 功能强大的编程工具FP0 系列无论采用的是手持编程器还是编程工具软件，其编程及监控功能 都很强。其 FP0-II 型手持编程器还有用户程序转存功能。其编程软件除已汉化 的 DOS 版NPST-GR 外， 还推出了 Windows 版的 FPS

29、OFT,最新版的 FPWIN- GR 也已进入市场。这些工具都为用户的软件开发提供了方便的环境。（5） 强大的网络通信功能FP0 系列机的各种机型都提供了通信功能，而且它们所采用的应用层通信 协议又具有一致性，这为构成多级 PLC 网络，开发 PLC 网络应用程序提供了方 便。松下电工提供了多达 6 种的 PLC 网络产品，在同一子网中集成了几种通信 方式，用户可根据需要选用。尽管这些网络产品的数据链路层与物理层各不相 同，但都保持了应用层的一致性。 FP0 可经 RS232 口直接连接调制解调器。通 信时若选用“调制解调器”通信方式，则 FP0 可使用 AT 命令自动拔号，实现 远程通信4。

30、5.2 变频器类型的选用及接线方式选用变频器的类型，首先要按照类型、调速范围、静态速度精度、起动转 矩等，然后决定选用那种控制方式的变频器。为满足本系统需要，选用富士变 频器 G11S 系列，它具备以下功能：（1）简单矢量控制功能，简单矢量控制是确保低速运转时仍保持高转矩 （1Hz 时转矩为 150%额定转矩）。（2）自动调谐（带差转补偿）功能，此功能可以自动监控矢量控制电动机 的恒定值，并适用于 2 极、4 极或 6 极的三相鼠笼式电动机。（3）速度跟踪功能，起动变频器时无需停止电动机的运转（空转时）即可 从商业电驱动运行过渡到变频器驱动运行或者从突然断电后恢复运转。（4）改进的防止跳闸功能

31、，在过载运行中，当输出电流达到过流失速水平 时，该功能可以自动降低频率；负载恢复正常后，该功能又自动将频率恢复到 原设定值并继续运行；该功能还可以防止某些机械运行中因过电流而跳闸。变频器的接线图如图 5-1 所示。图5-1变频器的接线图5.3 瓦斯传感器的选择根据设计要求，为了满足功能需要选用 CH217 瓦斯传感器，由上海无线电 14 厂根据瓦斯报警的特定功能和技术要求新近开发研制的一种单片低压、低功 耗、微小信号检测报警的专用设备。它适合于煤矿开采过程中的瓦斯检测与报 警，其内部设两个报警通道，可发出预报和危险两种报警信号，报警信号又分 为视觉和听觉（声音）两种，而以声音信号的不同来代表预

32、报（低浓度）和危 险（高浓度）两种报警形式。芯片内部由小信号放大器 AV ，两个信号比较器 VC1、VC2，两组振荡器，逻辑编码控制器以及驱动器组成。使用电路简单， 易于调试，安装方便。CH217 采用全 CMOS 工艺制造，具有输入阻抗高，功耗低的特点；又由于 采用了最新低压 CMOS 线性电路设计技术，并巧妙地将线性电路与逻辑电路组 合成完整的功能系统，因而具有工作电压低、满足井下工作环境要求等特点。报警电路工作过程：瓦斯传感器输出信号通过 CH217 的 17、 18 脚送入到 内部小信号放大器 AV，由其将传感器的微弱信号放大后由19 脚输出形成 Vx信号， Vx 通过 16、 13

33、脚进入两个信号比较器 VC1、 VC2,由 VC1、 VC2 将 Vx 与从 RP2、RP1 上提取的预报与危险两种基准信号 VL 、VH 进行比较，形成报 警控制信号 Fl（11脚）和 SE（14 脚）。当 VxvVL 时，两报警控制信号同时为低电 平，说明此时瓦斯浓度很低，没有危险，不需要报警；当 VLvVxvVH 时，预 报警控制信号 FI 为高电平，危险报警控制信号 SE 为低电平，说明此时瓦斯有 了一定的浓度 , 应进行预报，这时CH217 通过第 3 脚输出频率较低的声音预报 报警信号，同时通过 2 脚输出光报警信号；当 Vx VH 时，两报警控制信号同 时为高电平，说明此时瓦斯浓

34、度已达到了危险的程度，这时 CH217 通过第 3 脚 输出频率较高的声音危险报警信号 , 光报警信号仍然通过 2 脚输出。5.4 压力传感器的选择MPX2000 属于压阻式压力传感器。压阻式压力传感器是利用单晶硅的压阻 效应制成的器件。它是在单晶硅基片上用扩散工艺制成一定形状的应变元件， 当受到压力作用时，使应变元件的电阻率发生变化，电阻变化引起电路输出电 压发生变化。压阻式传感器的特点有：易于小型化、易于集成化、灵敏度高、 测量范围宽、频率响应宽、工作可靠寿命长、受温度影响大。压阻式压力传感 器广泛应用于流体压力、压差的测量。5.5 变送器的选择在通风控制系统中选用变送器是将矿井内压力传感

35、器的模拟信号变换成标 准的电信号。从而便于 PLC 内的 PID 调节，实现对变频器的控制，使变频器输 出相应的频率来控制电机的转速，有效的调节矿井内的通风量。在整个控制系 统中，变送器起着非常重要的作用。在本系统中选用由天津市奥斯克科技发展有限公司生产的 SK1151 系列电 容式压力变送器。SK1151 系列电容式变送器是采用国外先进技术和设备，关键原材料、元器 件、和零部件均从国外进口，整机经过严格组装和测试。具有设计原理先进， 品种规格齐全，安装使用简便（规格、尺寸与原装 1151 完全兼容），外形美观 等特点。最近研制开发出来的 S 智能系列更是一种智能式变送器，有很强的使 用价值。

36、目前，该系列产品已广泛应用于石油、化工、冶金、电力、食品、造 纸、医药、机械制造等行业。同时 SK1151 系列电容式变送器还具有以下特点：精度高，稳定性好，二线制输出标准电流（ 0-20mA）； 阻尼可调、单向过载保护特性好，无机械可动部件、维修工作量少； 全系列统一结构、零部件互换性强，接触介质的膜片材料可选择，（316L， TAN， HAST-C、 MONEL 等耐腐蚀材料）防爆结构、全天候使用；基于以上优点，选用 SK1151 系列电容式压力变送器。5.6 电机的选择1#泵电机 M1 和 2#泵电机 M2 均为 15kW 的三相鼠笼型异步电动机，工作 方式：在工频 / 变频情况下都正转

37、，并且可以手动控制。3#附属小泵电机 M3 为 2.2kW 的三相鼠笼型异步电动机，工作方式：在工 频/ 变频下都正转，且可以手动控制。1#泵和 2#泵电机顺序起动，附属小泵电机起平衡作用。要求各个电机都具 有短路和过载保护。5.7 电源的供电方式煤矿井下掘进工作面一般采用通风机以稀释巷道涌出的瓦斯浓度。在高瓦 斯矿井的掘进工作面，一旦出现因供电故障而造成通风机停电停风，在很短的 时间内会造成瓦斯积聚，进而使瓦斯浓度超限，严重威胁矿井的安全生产。经 分析造成掘进工作面瓦斯浓度超限的主要原因有：（1）掘进工作面局部通风机停电停风；（2）通风系统出现故障；（3）没有严格按照煤矿安全规程的规定操作；

38、（4）矿井局部通风设施管理混乱。上述 4 个原因中，掘进工作面局部通风机的停电停风是引起井下掘进工作 面瓦斯超限最主要的原因。所以，为了预防掘进工作面瓦斯聚集导致瓦斯爆炸 事故，井下局部通风机供电方式是非常重要的。图5-2单电源供电方式（1）单电源供电方式如图 5-2 所示。此供电方式只有 1 路电源，掘进工作 面的用电设备和通风机共用同一路电源线路，其特点是接线方式简单。但当供 电线路出现停电检修、短路、漏电等，或掘进工作面其他用电设备发生故障 时，该掘进工作面通风机就会停止工作，造成该掘进工作面的瓦斯浓度超限。（2）在图 5-2 供电方式的基础上增设双电源，使掘进工作面的用电设备和 通风机

39、由两路不同的电源线路供电。并且增加 1 台备用通风机，所有的通风机 均采用更灵活、更安全可靠的双电源供电方式，如图 5-3 所示。图5-3双电源供电方式此供电方式的优点：掘进工作面采用 2 台通风机供风， 2 台通风机由 2 路不 同的电源线路供电。 2 台通风机可以同时运转，如果其中的一路供电线路出现 故障，则发出报警信号由工作人员排除故障，电源从另一供电线路供电保证通 风机仍能正常运转供风，以保证掘进工作面的正常供风，此供电方式使工作面 更加安全可靠。掘进工作面局部通风机采用合理的供电方式，能保证掘进工作 面局部通风机正常工作，确保安全生产。有电则风流通畅，有风则瓦斯不会聚 集。因此，加强

40、通风设施的管理 , 增强安全意识，是预防煤矿井下瓦斯超限的行 之有效的方法。5.8 故障处理及保护功能（1）故障处理 从冗余设计原则考虑，在变频器发生故障时仍要不间断工作。当变频器 突然发生故障，蜂鸣器报警， PLC 发指令使全部通风电机停止，然后 M3 电 机工频运行（若通风机功率大于 37kW ，则需要采用降压启动方式），经过 一定延时后根据井内瓦斯浓度， PLC 则按实际情况在工频状态下切换。当出 现停机、电动机欠压电、过压或故障等情况时， 均能由蜂鸣器发出警报声。条件许可时可以添加 MODEM 模块，在变频器、电动机发生故障时能通过远 程通信口拨叫值班人员电话，通知有关人员前来维修。所

41、有故障解决、恢复 正常后，报警信号取消。有时电源会突然断电，可自动切换到另一个备用的电源，恢复供电后若 系统无法起动会造成严重后果， 为此本系统设置了通电后自动变频起动方 式。 在电源恢复后， PLC会发出指令，蜂鸣器发出警告，然后按自动运行方 式首先变频起动 M1 ，直到风量达到稳定。（2）电动机热保护功能图5-4富士变频器的热保护电动机过载的基本特征是温升超过额定温升。因此，从根本上说，对电 动机进行过载保护的目的，是使电动机不因过热而烧坏。在选择电动机时， 是按照电动机的温升情况进行计算的。对于某些变动负载和断续负载，短时 间的过载是允许的。采用日本的富士 G11S 系列的变频器，具备了

42、过转矩保护功能，即当转 矩电流超过由用户预置的数据时，将进行报警，甚至跳闸。如图 5-4 所示，当电动机内的温度变化时，由于热敏电阻R1（PTC） 的阻值变化 , 使 A 点的电位也随之变化。 A 点的电位和基准值（与电动机的额定 温升相对应）比较，比较结果将决定继电器 KT 触点的状态。当电动机过热时， A 点电位超过基准值，使 KT 闭合，变频器将因为得 到过热信号而报警或跳闸5。6软件的实现编程软件采用松下电工公司开发的在 Windows 环境下使用的软件： FPWINGR 。它支持所有松下电工生产的 PLC 产品，可以用这个软件来实和数据的监控及测试；系统寄存器和PLC 各种系统参数的

43、设置；程序清单和监控结果等文档的打印；数据传输及文件管理等功能。FPWIN GR 软件采用的是典型的 Windows 界面、菜单界面、编程界面、监控界面等可同时以窗口形式相叠或平铺显示，甚至可以把两个不同的 程序在一个屏幕上同时显示，可以通过快捷键在各个窗口之间进行移动和切 换，这给调试程序和现场监控带来了便利。各种功能切换和指令的输入既可 用软件上的键盘快捷操作键操作，也可用鼠标点击图标操作。菜单采用点击 下拉形式，操作起来很方便，特别是它在软件的“帮助”菜单中增加了软件 操作方法和指令、特殊内部继电器、特殊数据寄存器等一览表。这样在没有 手册的情况下也能方便的使用计算机与外设通信通常采用R

44、S-485 串行口，常用 RS-485 端为与计算机相连的 9 针凸式梯形插头，另一端为与适配器相连的25 针凹式梯形插头。若 PLC 的编程电缆引出口采用的是RS-422 串行口，就要使用 RS-422/RS-485 适配器。将所连 FPO 的波特率设置为 9600bps。9600bps 是各编程软件的 初始化设置。为方便调试和编程，系统控制器采用模块化编程，系统由若干个子程序 构成，包括数据采集子程序、控制量运算子程序、电机控制子程序、报警子 程序、风力调节子程序、压力检测子程序、停机“睡眠”子程序等等组成。6.1 PLC 的 I/O 分配在这个控制系统中，共用到 8 个输入和 8 个输出

45、。输入口从 X0X7,输出 口从丫0丫7,其中 X0 和 X1 组合开关，要求在任一时刻都有一个处于闭合状 态，即系统处于自动状态或是处于手动状态。如表 6-1 所示。该系统具有手动和自动两套运行模式，手动运行靠转换开关和接触器来实 现，不需要 PLC 的软件编程，这样可以减少 PLC 的 I/O 点数，不仅降低了成 本，还提高了整个系统的可靠性，一旦 PLC 出现故障，还可以手动运行。现：PLC序 和释 和入 及辑；序检查；行状输入功能输岀接触器功能对程注输编程运态M1 工频X0自动/手动Y0KM1变频器X1外部信号Y1KM2M1 变频X2M1 手动Y2KM3M1 工频X3M2 手动Y3KM

46、4M2 变频X4M3 手动Y4KM5M2 工频X5报警信号Y5KM6M3 工频X6报警解除Y6灯光报警X7过热保护Y7声音报警表6-1 PLC的I/O口分配表6.2PLC 接线图图6-1 PLC接线图6.3 程序控制流程图根据煤矿安全规程，当瓦斯浓度达到或超过1.5%CH4 时，应进入排放瓦斯状态。为了达到节能效果，当瓦斯浓度在01.5%时，局部通风机的转速与瓦斯浓度的增减成比例地升降，即随瓦斯浓度的变化自动调整转速。本系统设 计的调频控制完成了此功能，其程序流程如图6-2 所示。PLC 控制程序见附录。流程图如下：Y图6-2程序流程图6.4 程序的调试、测试和监控实际应用系统的调试分为软件和

47、硬件两部分，通常这两部分是相互关联、 紧密联系的。一般情况下是先进行软件部分的调试，但最重要、最费时的调试 是软硬件联调和现场调试。PLC 控制系统的实质是利用计算机实现控制功能， 因此，PLC 控制系统的调试与通用计算机应用系统基本一样，一些在调试通用 计算机应用系统所用的方法也能用于 PLC 控制系统的调试，如仿真模拟法、程 序隔离法、跟踪执行法和边界参数法等。由于 PLC 自身特点，如循环扫描的工作方式或较多的输入/输出操作等，因此有一些特殊的调试手段和方法，如信号时序法、信号组合法等。在信号时 序法中，特别要注意脉冲触发的信号、定时器和计数器的工作过程及脉冲继电 器的特性等。系统测试一

48、般可从以下几点来进行。（1） 是否具备设计所规定的全部功能；（2） 是否达到设计所规定的技术指标（精度、控制稳定性、响应速度等）；（3） 应变能力（在发生意外事件时，系统能否作出正确的响应）；（4） 抗干扰能力。在调试过程中如果能灵活有效地利用系统寄存器和错误报警继电器，通常 可以大大提高调试效率。当然，调试过程是较多地依靠开发人员的经验进行的，每个设计者有各自的方法和习惯，主要靠自己不断摸索，不断总结。监控：包括数据、触点和动态时序图监控。数据监控可以对数据寄存器等要求以字（16bit）为单位进行监控的设备进 行“设备登录”，以一览表的形式进行监控。同时也可以写入、修改这些数 据。触点监控可

49、以将需要监控的触点或线圈进行“设备登录”然后以一览表的 形式监控其 ON/OFF 状态。同时，也可以对触点进行 ON/OFF 操作。动态时序图监控是以时序图的形式对继电器和寄存器进行监控。时序图描 述的是继电器状态或寄存器值随时间变化的情况，时序图的横轴表示时间，纵 轴表示继电器的状态或寄存器值的大小。选择“在线”菜单中的“时序图监控”功能，在弹出窗口中设置相应的继 电器，即可实现对时序图监控功能。上位机联机调试通过与上位机的监控系统之间建立通信协议，使得上位机直接能够对设备 的工作状态进行控制、监控。用 PLC 的通信电缆 RS-485 将计算机的 C0M1 口 与 PLC 联机，进行 PL

50、C 设备通信调试。首先验证上位机的各参数设置是否正 确。打开 PLC 编程软件， 将设计好的程序下载到 PLC 中， 并检验 PLC 与组态 的通信参数设置是否一致。PLC通信参数设置在 FPWIN 编程软件 选项中通 信设置 中，将计算机中与 PLC 不一致的参数设置成相同。检查完成后，将 PLC 编程软件关闭，再运行组态软件，以免发生串口通信 竞争，导致出错，不能正常运行组态软件。返回进入计算机工程软件中 设备调试属性栏，此时若通信异常则通信状态标志位为“ 1 ”，此时需要按照步骤检 查相关设置是否正确；如设置正确则通信状态标志位为“ 0”，对应的 X 输入继 电器和 Y 输出继电器的状态

51、将与 PLC 的状态变化一致，此时计算机工程软件即 采集到 PLC 中数据，并可实现数据的读、写监控。设备调试通信正常，在关闭设备窗口前系统弹出一个对话框，要求存盘。选择 是即可执行保存操作。通信正常后，在 文件 菜单中选择进入 运行环境 ，进入运行环境，此时 在按下 PLC 设备的外部启动按钮时，在该监控画面中，相应设备中的状态颜色 有红变成绿颜色，监控画面中的设备处于运行状态， PLC 输出继电器闭合，即 对应设备处于工作状态。相反，若按下 PLC 设备的外部停止按钮时，在该监控 画面中，相应设备中的状态颜色有绿变成红颜色，表示相应设备停止工作。由 此可知，在监控画面中，每个设备的启动 /

52、 停止状态分别用绿和红颜色表示。系 统若设置正确，计算机工程界面将按照控制要求正常运行。否则，我们应该进 一步设置相关通信参数，制定通信协议，直到符合系统的控制要求为止。上述 系统各部分程序通过与上位机联机模拟调试，符合设计要求。软件操作应注意事项(1)进入 FPWIN GR 编程软件时， PLC 机型应选择正确，否则无法正常 下载程序。(2)下载程序前，应确认 PLC 供电正常。连线时，应先连 PLC 电源线，再连 I/O 接线。( 4)在程序反显状态下，生成或编辑程序最多只能进行33 行的处理，若超过 33 行， PLC 将无法实现 PG 转换，此时可分批进行转换。( 5)若向没有注释写入

53、存储区的 PLC 中下载带有注释的程序时，注释将 不被写入 PLC。如果再次执行“程序上载”，则注释将被取消。对于这样的 PLC,在下载程序时会出现询问对话框，选择“确定”即可。( 6)强制输入 / 输出的点数最多 16 点。( 7)在“线编辑方式”是指在与 PLC 连机状态下，进行程序编写、调试 的一种工作方式。使用在线编辑方式时，由软件所编辑的程序或系统寄存器的 设置等内容，将被直接传送到 PLC 中，要监控程序的运行状态，必须采用“在 线编辑方式”。若选用在“线编辑方式”，必须首先将 PLC 与计算机正确连接，并且通信 设置也要求匹配，否则会出现“通信错误”的提示，甚至会很容易出现死机的

54、 情况。7结束语此系统构成了两台通风电机自动控制的循环结构，在软件设计中充分考虑了变频与工频在切换瞬间压力与电流冲击，每台泵均采用变频器软起动，是解 决这一问题的关键。PLC 控制的通风控制系统具有节能、安全通风优点。采用 PLC 做为控制 器，硬件结构简单，成本低，系统实现电机的无级调速，依据瓦斯浓度的变化 自动调节系统的运行参数。使得操作更方便、安全性更高、灵敏度、可靠性等 都得到了提高，因此该设计方案具有一定的推广价值。此外，由于本系统还没有完全实现全自动化控制，自动调节等功能，还需 要做进一步的深入改造。谢辞经过了几个多月的努力，终于完成了毕业设计。在这次毕业设计中，我碰 到很多棘手的

55、难题和挫折，有时曾想过放弃，但我没有，因为有很多的人在帮 助我、鼓励我，给我动力与信心走下去。借此论文完稿之际，向所有关心、帮助与支持我的老师、同学及朋友致以崇高的敬意和真挚的感谢！感谢院系领导 给我们创造良好的环境和机会，让我们能够将所学得的知识学以所用；更感谢 这次设计指导老师的不倦教导和大力帮助，也感谢我的同学对我的帮助，让我 顺利完成毕业设计。通过这次设计也使我了解和学得了许多专业的前沿知识， 最终得以圆满地完成了毕业设计任务，在此表示最衷心的感谢！同时，感谢电控学院的各位领导和老师，感谢您们在工作之余依然关注着 我们即将毕业之前的各项准备工作和注意事项。最后，我要向关心和帮助过我的每一个人致意，向他们表示我最真心的谢 意！参考文献.矿内空气非定常流动规律研究J.辽宁工程技术大学学 报，1998,17(4):3373422李舒伶,任志玲,王玉学等学报,1999,18(2):125127术大学学报,2001,20(3):270272秦彦磊,陆愈实等.基于BP神经网络模型的矿井通风可靠性研究J.中国地质大学工程学院学报,2006,32(2):4849秦宪礼,吴强,姚嵩等.提高矿井