基于PLC的煤礦礦井新型通風(fēng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì).docVIP

1緒論煤礦礦井通風(fēng)系統(tǒng)是煤礦礦井安全生產(chǎn)的重要組成部分，煤礦礦井通風(fēng)系統(tǒng)能否正常工作與礦井內(nèi)工作環(huán)境條件、生產(chǎn)效率、安全生產(chǎn)密切相關(guān)。隨著我國政府對各行各業(yè)安全生產(chǎn)監(jiān)管力度的不斷加強(qiáng)，尤其對煤礦安全生產(chǎn)的要求越來越高，對煤礦礦井通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造，提高其運(yùn)行穩(wěn)定性、可靠性、節(jié)能降耗等勢在必行。目前在煤礦礦井通風(fēng)系統(tǒng)中，大多仍采用繼電接觸器控制系統(tǒng)，但這種控制系統(tǒng)存在著體積大、機(jī)械觸點(diǎn)多、接線復(fù)雜、可靠性低、排除故障困難等很多的缺陷；且因工作通風(fēng)機(jī)一直高速運(yùn)行，備用通風(fēng)機(jī)停止，不能輪休工作，易使工作通風(fēng)機(jī)產(chǎn)生故障，降低使用壽命。針對這一系列問題，本系統(tǒng)將PLC與變頻器有機(jī)地結(jié)合起來，采用以礦井氣壓壓力為主控參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對電動(dòng)機(jī)工作過程和運(yùn)轉(zhuǎn)速度的有效控制，使礦井通風(fēng)機(jī)通風(fēng)高效、安全，達(dá)到了明顯的節(jié)能效果。PLC控制系統(tǒng)具有對驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)的電機(jī)過熱保護(hù)、故障報(bào)警、機(jī)械故障報(bào)警和瓦斯?jié)舛葦嚯姷裙δ芴攸c(diǎn)，為煤礦礦井通風(fēng)系統(tǒng)的節(jié)能技術(shù)改造提供一條新途徑。2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制方案2.1系統(tǒng)的設(shè)計(jì)功能本控制系統(tǒng)具有通風(fēng)機(jī)組的啟動(dòng)、互鎖和過熱保護(hù)等功能。與常規(guī)繼電器實(shí)施的通風(fēng)系統(tǒng)相比，PLC系統(tǒng)具有故障率低、可靠性高、接線簡單、維護(hù)方便等諸多優(yōu)點(diǎn)，PLC的控制功能使通風(fēng)系統(tǒng)的自動(dòng)化程度大大提高，減輕了崗位人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。PLC和變頻器與空氣壓力變送器配合使用，使系統(tǒng)控制的安全性、可靠性大大提高，也使通風(fēng)機(jī)運(yùn)行的故障率大大降低，不僅節(jié)約了電能，而且還提高了設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)率。為滿足礦井通風(fēng)系統(tǒng)自動(dòng)控制的要求，系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)要求如下：（1）本系統(tǒng)提供手動(dòng)自動(dòng)兩種工作模式，具有狀態(tài)顯示以及故障報(bào)警等功能。（2）模擬量壓力輸入經(jīng)PID運(yùn)算，輸出模擬量控制變頻器。（3）在自動(dòng)方式下，當(dāng)井下壓力低于設(shè)定壓力下限時(shí)，兩組風(fēng)機(jī)將同時(shí)投入工作運(yùn)行，同時(shí)并發(fā)出指示和報(bào)警信號。（4）模擬量瓦斯輸入，當(dāng)?shù)V井瓦斯?jié)舛却笥谠O(shè)定報(bào)警上限時(shí)，發(fā)出指示和報(bào)警。當(dāng)瓦斯?jié)舛却笥谠O(shè)定斷電上限時(shí)，PLC將切斷工作面和風(fēng)機(jī)組電源，防止瓦斯爆炸。（5）運(yùn)用溫度傳感器測定風(fēng)機(jī)組定子溫度或軸承溫度，當(dāng)定子溫度或軸承溫度超過設(shè)定報(bào)警上線時(shí)，發(fā)出指示和報(bào)警信號。當(dāng)定子溫度或軸承溫度超過設(shè)定風(fēng)機(jī)組轉(zhuǎn)換溫度界線時(shí)，PLC將切斷指示和報(bào)警信號并自動(dòng)切斷當(dāng)前運(yùn)行風(fēng)機(jī)組，在自2動(dòng)方式下并能自動(dòng)接入另一臺風(fēng)機(jī)組運(yùn)行，若在手動(dòng)方式下，工作人員手動(dòng)切換。（6）為防止通風(fēng)機(jī)的疲勞運(yùn)行，在任何狀態(tài)下，風(fēng)機(jī)在累計(jì)運(yùn)行設(shè)定時(shí)間后都會自動(dòng)切換至另一臺風(fēng)機(jī)組運(yùn)行。（7）手動(dòng)方式下，有防止風(fēng)機(jī)組頻繁啟動(dòng)功能。由于定子溫度或軸承溫度過高，若當(dāng)前風(fēng)機(jī)組停止運(yùn)行后，當(dāng)其溫度下降到設(shè)定下限時(shí)該風(fēng)機(jī)組不能連續(xù)二次啟動(dòng)，只有接入另一臺風(fēng)機(jī)組進(jìn)行工作，即防止溫度在臨界線狀態(tài)而頻繁啟動(dòng)。（8）有風(fēng)機(jī)組機(jī)械卡死指示報(bào)警功能。2.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及方案通風(fēng)控制系統(tǒng)主要由2臺通風(fēng)機(jī)組成，每臺通風(fēng)機(jī)有2臺電機(jī)，每臺電機(jī)驅(qū)動(dòng)1組扇片，2組扇片是對旋的，1組用于吸風(fēng)，1組為增加風(fēng)速，對井下進(jìn)行供風(fēng)。根據(jù)井下用風(fēng)量的不同，采用不同型號的風(fēng)機(jī)。本設(shè)計(jì)以風(fēng)機(jī)組230kW為例，選用1臺西門子S7200可編程控制器(PLC)，空氣壓力變送器等組成一個(gè)完整的閉環(huán)控制系統(tǒng)。其中還包括瓦斯傳感器、溫度傳感器、接觸器、中間繼電器、熱繼電器、礦用防爆型磁力起動(dòng)器、斷路器等系統(tǒng)保護(hù)電器，實(shí)現(xiàn)對電機(jī)和PLC的有效保護(hù)，以及對電機(jī)的切換控制。3系統(tǒng)硬件構(gòu)成及各部分功能圖1硬件系統(tǒng)功能塊框架圖本控制系統(tǒng)有可編程控制器（PLC）、A/D轉(zhuǎn)換模塊、D/A轉(zhuǎn)換模塊、變頻器、傳感器部分、監(jiān)控對象和電控回路組成。其硬件功能框架圖如圖1所示。1#定子溫度傳感器2#軸承溫度傳感器2#定子溫度傳感器1#軸承溫度傳感器空氣壓力傳感器瓦斯?jié)舛葌鞲衅?#通風(fēng)機(jī)組1#通風(fēng)機(jī)組聲光報(bào)警控制回路S7-200可編程控制器EM231擴(kuò)展模塊開關(guān)信號EM235擴(kuò)展模塊變頻器3.1PLC可編程控制器部分3.1.1PLC概述PLC是以微處理器為核心的一種特殊的工業(yè)用計(jì)算機(jī)，其結(jié)構(gòu)與一般的計(jì)算機(jī)相類似，由中央處理單元（CPU）、存儲器（RAM、ROM、EPROM、EEPROM等）、輸入接口、輸出接口、I/O擴(kuò)展接口、外部設(shè)備接口以及電源等組成。CPU單元由微處理器、系統(tǒng)程序存儲器、用戶程序存儲器以及工作數(shù)據(jù)存儲器等組成，它是PLC的核心部件，是由大規(guī)?；虺笠?guī)模的集成電路微處理芯片構(gòu)成，主要完成運(yùn)算和控制任務(wù)，可以接收并存儲從編程器輸入的用戶程序和數(shù)據(jù)。進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)后，用掃描的方式接收輸入裝置的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，從內(nèi)存逐條讀取用戶程序，通過解釋后按指令的規(guī)定產(chǎn)生控制信號。分時(shí)、分渠道地執(zhí)行數(shù)據(jù)的存取、傳送、比較和變換等處理過程，完成用戶程序所設(shè)計(jì)的邏輯或算術(shù)運(yùn)算任務(wù)，并根據(jù)運(yùn)算結(jié)果控制輸出設(shè)備。存儲器單元按照物理性能分為兩類，隨機(jī)存儲器（RAM）和只讀存儲器（ROM）。隨機(jī)存儲器由一系列寄存器陣組成，每位寄存器可以代表一個(gè)二進(jìn)制數(shù)，在剛開始工作時(shí)，它的狀態(tài)是隨機(jī)的，只有經(jīng)過置“1”或清“0”的操作后，它的狀態(tài)才確定。若關(guān)斷電源，狀態(tài)丟失。這種存儲器可以進(jìn)行讀、寫操作，主要用來存儲輸入輸出狀態(tài)和計(jì)數(shù)器、定時(shí)器以及系統(tǒng)組態(tài)的參數(shù)。為防止斷電后數(shù)據(jù)丟失，可采用后備電池進(jìn)行數(shù)據(jù)保護(hù)，一般可以保存5年，當(dāng)電池電壓降低時(shí)，欠電壓指示燈發(fā)光，提醒用戶更換電池。只讀存儲器在兩種，一種是不可擦除ROM，這種ROM只能寫入一次，不能改寫。另一種是可擦除ROM，這種ROM經(jīng)過擦除以抂這可以重寫。其中EPROM只能用紫外線探險(xiǎn)內(nèi)部信息，E2PROM可以用電擦除內(nèi)部信息，這兩種存儲器的信息可以保留10年左右。輸入輸出單元由輸入模塊、輸出模塊和功能模塊構(gòu)成，是PLC與現(xiàn)場輸入輸出設(shè)備或其他外部設(shè)備之間的連接部件。PLC通過輸入模塊把工業(yè)設(shè)備或生產(chǎn)過程的狀態(tài)或信息讀入中央處理單元，通過用戶程序的運(yùn)算與操作，把結(jié)果通過輸出模塊輸出給執(zhí)行單元。輸出模塊用于把用戶程序的邏輯運(yùn)算結(jié)果輸出到PLC外部，輸出模塊具有隔離PLC內(nèi)部電路和外部執(zhí)行單元的作用，還具有功率放大的作用。輸出模塊有晶體管輸出模塊、晶閘管輸出模塊和繼電器輸出模塊。接口單元包括擴(kuò)展接口、編程器接口、存儲器接口和通信接口。擴(kuò)展接口是用于擴(kuò)展輸入輸出單元。它使PLC的控制規(guī)模配置得更加靈活。這種接口為總線形式，可以配置開關(guān)量的I/O單元，也可以配置如模擬量、高速計(jì)數(shù)等特殊I/O單元及通信4適配器等。編程器接口是連接編程器的，PLC本體通常是不帶編程器的。為了能對表1CPU226技術(shù)指標(biāo)程序存儲器4096字用戶存儲器2560字存儲器類型EEPROM存儲卡EEPROM數(shù)據(jù)后備（超級電容）190h編程語言LAD、FBD和STL程序組織1個(gè)組織塊（可以包含子程序和中斷程序）本機(jī)I/O24點(diǎn)輸入/16點(diǎn)輸出擴(kuò)展模塊數(shù)量7個(gè)模塊數(shù)字量I/O映像區(qū)256點(diǎn)（128點(diǎn)輸入/128點(diǎn)輸出）數(shù)字量I/O物理區(qū)248點(diǎn)（128點(diǎn)輸入/240點(diǎn)輸出）模擬量I/O映像區(qū)32路畭32路輸出模擬量I/O物理區(qū)35路（28路畭7路輸出）或14路輸出布爾指令執(zhí)行速度0.37s/指令計(jì)數(shù)器/定時(shí)器256/256個(gè)順序控制繼電器256個(gè)基本運(yùn)算指令11項(xiàng)增強(qiáng)功能指令8項(xiàng)FOR/NEXT循環(huán)有整數(shù)運(yùn)算（算術(shù)運(yùn)算）有實(shí)數(shù)運(yùn)算（算術(shù)運(yùn)算）有內(nèi)置高速計(jì)數(shù)器6個(gè)（30kHz）內(nèi)置模擬電位器2個(gè)（8位分辯率）脈沖輸出2個(gè)高速輸出（20kHz）通信中斷1發(fā)送器/2接收器定時(shí)中斷2個(gè)（1255ms）輸入中斷4個(gè)口令保護(hù)3級口令保護(hù)通信2個(gè)RS-485通信接口可用作PPI接口、MPI從站接口和自由口PLC編程及監(jiān)控，PLC上專門設(shè)置有編程器接口。通過這個(gè)接口可以接各種形式的編程裝置，還可以利用此接口做通信、監(jiān)控工作。存儲器接口是為了擴(kuò)展存儲器而設(shè)置的。用于擴(kuò)展用戶程序存儲區(qū)和用戶數(shù)據(jù)參數(shù)存儲區(qū)，可以根據(jù)使用的需要擴(kuò)展存儲器。其內(nèi)部也是接到總線上的。通信接口是為了在微機(jī)與PLC、PLC與PLC之間建立通信網(wǎng)絡(luò)而建立的接口。3.1.2PLC選型和性能指標(biāo)根據(jù)系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域、采集數(shù)據(jù)的類型和大小、I/O點(diǎn)數(shù)、以及設(shè)置數(shù)據(jù)需要得內(nèi)存大小，本文中所選用的PLC是西門子公司的產(chǎn)品S7-200系列，CPU的型號是CPU2261。表2I/O接口分配表輸入輸出風(fēng)機(jī)啟動(dòng)SB1I0.0風(fēng)機(jī)組1輸出KM1Q0.0風(fēng)機(jī)停止SB2I0.1風(fēng)機(jī)組2輸出KM2Q0.1手動(dòng)自動(dòng)轉(zhuǎn)換SB3I0.2工頻輸出KM3Q0.2風(fēng)機(jī)組選擇SB4I0.3壓力下限指示燈L1Q0.4變頻工頻轉(zhuǎn)換SB5I0.4風(fēng)機(jī)組1運(yùn)行指示燈L2Q0.5報(bào)警解除按鈕SB6I0.5風(fēng)機(jī)組2運(yùn)行指示燈L3Q0.6風(fēng)機(jī)組1轉(zhuǎn)子測速器輸入SB7I0.6風(fēng)機(jī)組1溫度上限指示燈L4Q0.7風(fēng)機(jī)組2轉(zhuǎn)子測速器輸入SB8I0.7風(fēng)機(jī)組2溫度上限指示燈L5Q1.0急停SB9I1.0蜂鳴器1SpeakerQ1.1壓力傳感器輸入AIW0急停指示燈L6Q1.2瓦斯?jié)舛葌鞲衅鰽IW2風(fēng)機(jī)組錯(cuò)選指示燈L7Q1.3風(fēng)機(jī)組1軸溫度傳感器輸入AIW4風(fēng)機(jī)組1機(jī)械故障指示燈L8Q1.4風(fēng)機(jī)組1定溫度傳感器輸入AIW6風(fēng)機(jī)組2機(jī)械故障指示燈L9Q1.5風(fēng)機(jī)組2軸溫度傳感器輸入AIW8手動(dòng)自動(dòng)指示燈L10Q1.6風(fēng)機(jī)組2定溫度傳感器輸入AIW10瓦斯上限指示燈L11Q1.7壓力模擬量輸出QW0CPU226集成了24點(diǎn)輸入和16點(diǎn)輸出，共有40個(gè)數(shù)字量I/O點(diǎn)?？蛇B接7個(gè)擴(kuò)展模塊，最大擴(kuò)展至248點(diǎn)數(shù)字量I/O點(diǎn)或35路模擬量I/O。CPU226有13KB程序和數(shù)據(jù)存儲空間，6個(gè)獨(dú)立的30kHz高速脈沖輸出，具有PID控制器。CPU226配有2個(gè)RS-485通信編程口，具有PPI通信、MPI通信和自由方式通信能力，用于較高要求的中小型6控制系統(tǒng)。其性能指標(biāo)如表1。3.1.3PLC內(nèi)部分配CPU226I/O接口及內(nèi)部寄存器分配如表2和表3。表3內(nèi)部存儲器使用觸摸屏PID參數(shù)設(shè)定置VW10風(fēng)機(jī)組啟動(dòng)位M0.0觸摸屏PID參數(shù)增益VW12瓦斯?jié)舛葓?bào)警位M0.1觸摸屏PID參數(shù)采樣時(shí)間VW14瓦斯?jié)舛葦嚯娢籑0.2觸摸屏PID參數(shù)積分時(shí)間VW16自動(dòng)風(fēng)機(jī)組1啟動(dòng)位M1.0觸摸屏PID參數(shù)微分時(shí)間VW18自動(dòng)風(fēng)機(jī)組2啟動(dòng)位M1.1PID反饋量（PVn）VD100手動(dòng)風(fēng)機(jī)組1啟動(dòng)位M1.2PID給定置（SPn）VD104手動(dòng)風(fēng)機(jī)組2啟動(dòng)位M1.3PID輸出置（Yn）VD108防止風(fēng)機(jī)組1頻繁啟動(dòng)位M1.4PID增益（KC）VD112防止風(fēng)機(jī)組2頻繁啟動(dòng)位M1.5PID采樣時(shí)間（T）VD116壓力下限位M2.0PID積分時(shí)間（TI）VD120風(fēng)機(jī)組1軸溫報(bào)警位M20.0PID微分時(shí)間（TD）VD124風(fēng)機(jī)組1軸溫?cái)嚯娗袚Q位M20.1模擬輸入壓力值存儲VD128風(fēng)機(jī)組1定溫報(bào)警位M20.2壓力下限存儲VD132風(fēng)機(jī)組1定溫?cái)嚯娗袚Q位M20.3風(fēng)機(jī)組1軸承溫度VD180風(fēng)機(jī)組2軸溫報(bào)警位M20.4風(fēng)機(jī)組1定子溫度VD184風(fēng)機(jī)組2軸溫?cái)嚯娗袚Q位M20.5風(fēng)機(jī)組2軸承溫度VD188風(fēng)機(jī)組2定溫報(bào)警位M20.6風(fēng)機(jī)組2定子溫度VD192風(fēng)機(jī)組2定溫?cái)嚯娗袚Q位M20.7瓦斯?jié)舛却鎯D1963.1.4輸入輸出外部接線CPU226接線規(guī)則如下：（1）DC輸入端中1M、I0.0I1.4為第1組，2M、I1.5I2.7為第2組組成，1M、2M分別為各級公共端。DC24V的負(fù)極接公共端1N或2M。輸入開關(guān)的一端接天DC24V的正極，輸入開關(guān)的另一端連接到CPU226各個(gè)輸入端。DC輸出端中1M、1L+、Q0.0Q0.7為第1組，2M、2L+、Q1.0Q1.7為第2組組成。1L+、2L+分別為公共端。第1組DC24V的負(fù)極接1M端，正極接1L+端。輸出負(fù)載的一端接到1M端，輸出負(fù)載的另一端接到CPU226各輸出端。第2組的接線與第1組相似。圖2PLC輸入/輸出和變頻器接線圖（2）DC輸入繼電器輸出端與CPU226的DC輸入DC輸出的相同。2LQ0.6