(完整word版)基于PLC的矿井通风控制系统设计.doc

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 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 95.1 PLC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 156.1 PLC的I/O分配 156.2 PLC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工频/变频通风机电动机变送器 压力传感器 手动/自动声光报警380V交流电变频器PLC瓦斯传感器 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，然后停止该台电机运转停止一台电机后，如果仍高于设定值，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，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[1] 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0Hz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0～50Hz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(0～3%或0～6%)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时，会使电机气隙磁通φ(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，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，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 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 。