基于PLC的矿井通风控制系统设计

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.............................................................................................43.5PID调节原理介绍...................................................................................54提高通风机装置综合效率..................................................................................74.1风机调速.....................................................................................................74.2调整轴流风机叶片安装角度.....................................................................84.3更换电机.....................................................................................................84.4采用“子母”风机.....................................................................................95硬件的设计..........................................................................................................95.1PLC类型的选用......................................................................................95.2变频器类型的选用及接线方式...............................................................105.3瓦斯传感器的选择...................................................................................105.4压力传感器的选择...................................................................................115.5变送器的选择...........................................................................................115.6电机的选择...............................................................................................125.6电源的供电方式.......................................................................................125.7故障处理及保护功能...............................................................................146软件的实现........................................................................................................156.1PLC的I/O分配.....................................................................................156.2PLC接线图............................................................................................166.3程序控制流程图.......................................................................................166.4程序的调试、测试和监控.......................................................................176.5上位机联机调试.......................................................................................186.6软件操作应注意事项...............................................................................197结束语................................................................................................................19谢辞........................................................................................................................20参考文献................................................................................................................20附录1程序清单...................................................................................................221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。图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，瓦斯传感器PLC变频器380V交流电声光报警手动/自动压力传感器变送器电动机通风机工频/变频然后停止该台电机运转。停止一台电机后，如果仍高于