(完整word版)基于PLC的矿井通风控制系统设计.doc

目 录

1 引言 ......................................................................................................................1

2 设计方案的拟定 ..................................................................................................1

3 系统的结构及工作原理 ......................................................................................2

3.1 系统的结构 .................................................................................................2

3.2 系统的控制原理 .........................................................................................2

3.3 系统的运行方式 .........................................................................................3

3. 4 变频调速原理 .............................................................................................4

3.5 PID 调节原理介绍 ....................................................................................5

5.1 PLC 类型的选用 .......................................................................................9

5.2 变频器类型的选用及接线方式 ...............................................................10

5.3 瓦斯传感器的选择 ...................................................................................10

5.4 压力传感器的选择 ...................................................................................11

5.5 变送器的选择 ...........................................................................................11

5. 6 电机的选择 ...............................................................................................1 2

5.6 电源的供电方式 .......................................................................................12

5.7 故障处理及保护功能 ...............................................................................14

6 软件的实现 ........................................................................................................15

6.1 PLC 的 I/O 分配......................................................................................15

谢辞 ........................................................................................................................20

参考文献 ................................................................................................................20

附录 1 程序清单 ...................................................................................................22

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，井下环境恶劣且风流压力受各种扰动影响而变化无常、难以把握。

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。

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

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）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

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：

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