基于PLC的煤礦礦井新型通風控制系統(tǒng)設計.doc

1緒論煤礦礦井通風系統(tǒng)是煤礦礦井安全生產的重要組成部分，煤礦礦井通風系統(tǒng)能否正常工作與礦井內工作環(huán)境條件、生產效率、安全生產密切相關。隨著我國政府對各行各業(yè)安全生產監(jiān)管力度的不斷加強，尤其對煤礦安全生產的要求越來越高，對煤礦礦井通風系統(tǒng)進行技術改造，提高其運行穩(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、機械觸點多、接線復雜、可靠性低、排除故障困難等很多的缺陷；且因工作通風機一直高速運行，備用通風機停止，不能輪休工作，易使工作通風機產生故障，降低使用壽命。針對這一系列問題，本系統(tǒng)將PLC與變頻器有機地結合起來，采用以礦井氣壓壓力為主控參數，實現對電動機工作過程和運轉速度的有效控制，使礦井通風機通風高效、安全，達到了明顯的節(jié)能效果。PLC控制系統(tǒng)具有對驅動風機的電機過熱保護、故障報警、機械故障報警和瓦斯?jié)舛葦嚯姷裙δ芴攸c，為煤礦礦井通風系統(tǒng)的節(jié)能技術改造提供一條新途徑。2系統(tǒng)結構和控制方案2.1系統(tǒng)的設計功能本控制系統(tǒng)具有通風機組的啟動、互鎖和過熱保護等功能。與常規(guī)繼電器實施的通風系統(tǒng)相比，PLC系統(tǒng)具有故障率低、可靠性高、接線簡單、維護方便等諸多優(yōu)點，PLC的控制功能使通風系統(tǒng)的自動化程度大大提高，減輕了崗位人員的勞動強度。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，也使通風機運行的故障率大大降低，不僅節(jié)約了電能，而且還提高了設備的運轉率。為滿足礦井通風系統(tǒng)自動控制的要求，系統(tǒng)的具體設計要求如下：（1）本系統(tǒng)提供手動自動兩種工作模式，具有狀態(tài)顯示以及故障報警等功能。（2）模擬量壓力輸入經PID運算，輸出模擬量控制變頻器。（3）在自動方式下，當井下壓力低于設定壓力下限時，兩組風機將同時投入工作運行，同時并發(fā)出指示和報警信號。（4）模擬量瓦斯輸入，當礦井瓦斯?jié)舛却笥谠O定報警上限時，發(fā)出指示和報警。當瓦斯?jié)舛却笥谠O定斷電上限時，PLC將切斷工作面和風機組電源，防止瓦斯爆炸。（5）運用溫度傳感器測定風機組定子溫度或軸承溫度，當定子溫度或軸承溫度超過設定報警上線時，發(fā)出指示和報警信號。當定子溫度或軸承溫度超過設定風機組轉換溫度界線時，PLC將切斷指示和報警信號并自動切斷當前運行風機組，在自2動方式下并能自動接入另一臺風機組運行，若在手動方式下，工作人員手動切換。（6）為防止通風機的疲勞運行，在任何狀態(tài)下，風機在累計運行設定時間后都會自動切換至另一臺風機組運行。（7）手動方式下，有防止風機組頻繁啟動功能。由于定子溫度或軸承溫度過高，若當前風機組停止運行后，當其溫度下降到設定下限時該風機組不能連續(xù)二次啟動，只有接入另一臺風機組進行工作，即防止溫度在臨界線狀態(tài)而頻繁啟動。（8）有風機組機械卡死指示報警功能。2.2系統(tǒng)結構及方案通風控制系統(tǒng)主要由2臺通風機組成，每臺通風機有2臺電機，每臺電機驅動1組扇片，2組扇片是對旋的，1組用于吸風，1組為增加風速，對井下進行供風。根據井下用風量的不同，采用不同型號的風機。本設計以風機組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器、斷路器等系統(tǒng)保護電器，實現對電機和PLC的有效保護，以及對電機的切換控制。3系統(tǒng)硬件構成及各部分功能圖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轉換模塊、D/A轉換模塊、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?#通風機組1#通風機組聲光報警控制回路S7-200可編程控制器EM231擴展模塊開關信號EM235擴展模塊變頻器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)用計算機，其結構與一般的計算機相類似，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擴展接口、外部設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據存儲器等組成，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成，主要完成運算和控制任務，可以接收并存儲從編程器輸入的用戶程序和數據。進入運行狀態(tài)后，用掃描的方式接收輸入裝置的狀態(tài)或數據，從內存逐條讀取用戶程序，通過解釋后按指令的規(guī)定產生控制信號。分時、分渠道地執(zhí)行數據的存取、傳送、比較和變換等處理過程，完成用戶程序所設計的邏輯或算術運算任務，并根據運算結果控制輸出設備。存儲器單元按照物理性能分為兩類，隨機存儲器（RAM）和只讀存儲器（ROM）。隨機存儲器由一系列寄存器陣組成，每位寄存器可以代表一個二進制數，在剛開始工作時，它的狀態(tài)是隨機的，只有經過置“1”或清“0”的操作后，它的狀態(tài)才確定。若關斷電源，狀態(tài)丟失。這種存儲器可以進行讀、寫操作，主要用來存儲輸入輸出狀態(tài)和計數器、定時器以及系統(tǒng)組態(tài)的參數。為防止斷電后數據丟失，可采用后備電池進行數據保護，一般可以保存5年，當電池電壓降低時，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經過擦除以抂這可以重寫。其中EPROM只能用紫外線探險內部信息，E2PROM可以用電擦除內部信息，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成，是PLC與現場輸入輸出設備或其他外部設備之間的連接部件。PLC通過輸入模塊把工業(yè)設備或生產過程的狀態(tài)或信息讀入中央處理單元，通過用戶程序的運算與操作，把結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算結果輸出到PLC外部，輸出模塊具有隔離PLC內部電路和外部執(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。接口單元包括擴展接口、編程器接口、存儲器接口和通信接口。擴展接口是用于擴展輸入輸出單元。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，可以配置開關量的I/O單元，也可以配置如模擬量、高速計數等特殊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技術指標程序存儲器4096字用戶存儲器2560字存儲器類型EEPROM存儲卡EEPROM數據后備（超級電容）190h編程語言LAD、FBD和STL程序組織1個組織塊（可以包含子程序和中斷程序）本機I/O24點輸入/16點輸出擴展模塊數量7個模塊數字量I/O映像區(qū)256點（128點輸入/128點輸出）數字量I/O物理區(qū)248點（128點輸入/240點輸出）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/指令計數器/定時器256/256個順序控制繼電器256個基本運算指令11項增強功能指令8項FOR/NEXT循環(huán)有整數運算（算術運算）有實數運算（算術運算）有內置高速計數器6個（30kHz）內置模擬電位器2個（8位分辯率）脈沖輸出2個高速輸出（20kHz）通信中斷1發(fā)送器/2接收器定時中斷2個（1255ms）輸入中斷4個口令保護3級口令保護通信2個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上專門設置有編程器接口。通過這個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展存儲器而設置的。用于擴展用戶程序存儲區(qū)和用戶數據參數存儲區(qū)，可以根據使用的需要擴展存儲器。其內部也是接到總線上的。通信接口是為了在微機與PLC、PLC與PLC之間建立通信網絡而建立的接口。3.1.2PLC選型和性能指標根據系統(tǒng)的應用領域、采集數據的類型和大小、I/O點數、以及設置數據需要得內存大小，本文中所選用的PLC是西門子公司的產品S7-200系列，CPU的型號是CPU2261。表2I/O接口分配表輸入輸出風機啟動SB1I0.0風機組1輸出KM1Q0.0風機停止SB2I0.1風機組2輸出KM2Q0.1手動自動轉換SB3I0.2工頻輸出KM3Q0.2風機組選擇SB4I0.3壓力下限指示燈L1Q0.4變頻工頻轉換SB5I0.4風機組1運行指示燈L2Q0.5報警解除按鈕SB6I0.5風機組2運行指示燈L3Q0.6風機組1轉子測速器輸入SB7I0.6風機組1溫度上限指示燈L4Q0.7風機組2轉子測速器輸入SB8I0.7風機組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風機組錯選指示燈L7Q1.3風機組1軸溫度傳感器輸入AIW4風機組1機械故障指示燈L8Q1.4風機組1定溫度傳感器輸入AIW6風機組2機械故障指示燈L9Q1.5風機組2軸溫度傳感器輸入AIW8手動自動指示燈L10Q1.6風機組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點輸入和16點輸出，共有40個數字量I/O點?？蛇B接7個擴展模塊，最大擴展至248點數字量I/O點或35路模擬量I/O。CPU226有13KB程序和數據存儲空間，6個獨立的30kHz高速脈沖輸出，具有PID控制器。CPU226配有2個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)。其性能指標如表1。3.1.3PLC內部分配CPU226I/O接口及內部寄存器分配如表2和表3。表3內部存儲器使用觸摸屏PID參數設定置VW10風機組啟動位M0.0觸摸屏PID參數增益VW12瓦斯?jié)舛葓缶籑0.1觸摸屏PID參數采樣時間VW14瓦斯?jié)舛葦嚯娢籑0.2觸摸屏PID參數積分時間VW16自動風機組1啟動位M1.0觸摸屏PID參數微分時間VW18自動風機組2啟動位M1.1PID反饋量（PVn）VD100手動風機組1啟動位M1.2PID給定置（SPn）VD104手動風機組2啟動位M1.3PID輸出置（Yn）VD108防止風機組1頻繁啟動位M1.4PID增益（KC）VD112防止風機組2頻繁啟動位M1.5PID采樣時間（T）VD116壓力下限位M2.0PID積分時間（TI）VD120風機組1軸溫報警位M20.0PID微分時間（TD）VD124風機組1軸溫斷電切換位M20.1模擬輸入壓力值存儲VD128風機組1定溫報警位M20.2壓力下限存儲VD132風機組1定溫斷電切換位M20.3風機組1軸承溫度VD180風機組2軸溫報警位M20.4風機組1定子溫度VD184風機組2軸溫斷電切換位M20.5風機組2軸承溫度VD188風機組2定溫報警位M20.6風機組2定子溫度VD192風機組2定溫斷電切換位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的負極接公共端1N或2M。輸入開關的一端接天DC24V的正極，輸入開關的另一端連接到CPU226各個輸入端。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的負極接1M端，正極接1L+端。輸出負載的一端接到1M端，輸出負載的另一端接到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