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基于PLC的煤矿矿井新型通风控制系统设计.doc
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基于PLC的煤矿矿井新型通风控制系统设计.doc
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1 绪论
煤矿矿井通风系统是煤矿矿井安全生产的重要组成部分,煤矿矿井通风系统能
否正常工作与矿井内工作环境条件、生产效率、安全生产密切相关。随着我国政府
对各行各业安全生产监管力度的不断加强,尤其对煤矿安全生产的要求越来越高,
对煤矿矿井通风系统进行技术改造,提高其运行稳定性、可靠性、节能降耗等势在
必行。目前在煤矿矿井通风系统中,大多仍采用继电接触器控制系统,但这种控制
系统存在着体积大、机械触点多、接线复杂、可靠性低、排除故障困难等很多的缺
陷;且因工作通风机一直高速运行,备用通风机停止,不能轮休工作,易使工作通
风机产生故障,降低使用寿命。针对这一系列问题,本系统将 PLC与变频器有机地
结合起来,采用以矿井气压压力为主控参数,实现对电动机工作过程和运转速度的
有效控制,使矿井通风机通风高效、安全,达到了明显的节能效果。PLC控制系统
具有对驱动风机的电机过热保护、故障报警、机械故障报警和瓦斯浓度断电等功能
特点,为煤矿矿井通风系统的节能技术改造提供一条新途径。
2 系统结构和控制方案
2.1 系统的设计功能
本控制系统具有通风机组的启动、互锁和过热保护等功能。与常规继电器实施
的通风系统相比,PLC系统具有故障率低、可靠性高、接线简单、维护方便等诸多
优点,PLC的控制功能使通风系统的自动化程度大大提高,减轻了岗位人员的劳动
强度。PLC和变频器与空气压力变送器配合使用,使系统控制的安全性、可靠性大
大提高,也使通风机运行的故障率大大降低,不仅节约了电能,而且还提高了设备
的运转率。为满足矿井通风系统自动控制的要求,系统的具体设计要求如下:
(1)本系统提供手动/自动两种工作模式,具有状态显示以及故障报警等功能。
(2)模拟量压力输入经PID运算,输出模拟量控制变频器。
(3)在自动方式下,当井下压力低于设定压力下限时,两组风机将同时投入工
作运行,同时并发出指示和报警信号。
(4)模拟量瓦斯输入,当矿井瓦斯浓度大于设定报警上限时,发出指示和报警。
当瓦斯浓度大于设定断电上限时,PLC将切断工作面和风机组电源,防止瓦斯爆炸。
(5)运用温度传感器测定风机组定子温度或轴承温度,当定子温度或轴承温度
超过设定报警上线时,发出指示和报警信号。当定子温度或轴承温度超过设定风机
组转换温度界线时,PLC将切断指示和报警信号并自动切断当前运行风机组,在自
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动方式下并能自动接入另一台风机组运行,若在手动方式下,工作人员手动切换。
(6)为防止通风机的疲劳运行,在任何状态下,风机在累计运行设定时间后都
会自动切换至另一台风机组运行。
(7)手动方式下,有防止风机组频繁启动功能。由于定子温度或轴承温度过高,
若当前风机组停止运行后,当其温度下降到设定下限时该风机组不能连续二次启动,
只有接入另一台风机组进行工作,即防止温度在临界线状态而频繁启动。
(8)有风机组机械卡死指示报警功能。
2.2 系统结构及方案
通风控制系统主要由2台通风机组成,每台通风机有2台电机,每台电机驱动1组
扇片,2组扇片是对旋的,1组用于吸风,1组为增加风速,对井下进行供风。根据井
下用风量的不同,采用不同型号的风机。本设计以风机组 2×30kW为例,选用 1台
西门子S7—200可编程控制器(PLC),空气压力变送器等组成一个完整的闭环控制系
统。其中还包括瓦斯传感器、温度传感器、接触器、中间继电器、热继电器、矿用
防爆型磁力起动器、断路器等系统保护电器,实现对电机和 PLC的有效保护,以及
对电机的切换控制。
3 系统硬件构成及各部分功能
图1 硬件系统功能块框架图
本控制系统有可编程控制器(PLC)、A/D转换模块、D/A转换模块、变频器、
传感器部分、监控对象和电控回路组成。其硬件功能框架图如图1所示。
1#定子温度传感器
2#轴承温度传感器
2#定子温度传感器
1#轴承温度传感器
空气压力传感器
瓦斯浓度传感器
2#
通
风
机
组
1#
通
风
机
组
声光报警
控制回路
S7-200
可
编
程
控
制
器
EM23
1 扩展
模块
开
关
信
号
EM23
5 扩展
模块
变频器
2
3.1 PLC可编程控制器部分
3.1.1 PLC概述
PLC是以微处理器为核心的一种特殊的工业用计算机,其结构与一般的计算机
相类似,由中央处理单元(CPU)、存储器(RAM、ROM、EPROM、EEPROM等)、
输入接口、输出接口、I/O扩展接口、外部设备接口以及电源等组成。
CPU单元由微处理器、系统程序存储器、用户程序存储器以及工作数据存储器
等组成,它是PLC的核心部件,是由大规模或超大规模的集成电路微处理芯片构成,
主要完成运算和控制任务,可以接收并存储从编程器输入的用户程序和数据。进入
运行状态后,用扫描的方式接收输入装置的状态或数据,从内存逐条读取用户程序,
通过解释后按指令的规定产生控制信号。分时、分渠道地执行数据的存取、传送、
比较和变换等处理过程,完成用户程序所设计的逻辑或算术运算任务,并根据运算
结果控制输出设备。
存储器单元按照物理性能分为两类,随机存储器(RAM)和只读存储器
(ROM)。随机存储器由一系列寄存器阵组成,每位寄存器可以代表一个二进制数,
在刚开始工作时,它的状态是随机的,只有经过置“1”或清“0”的操作后,它的状态
才确定。若关断电源,状态丢失。这种存储器可以进行读、写操作,主要用来存储
输入输出状态和计数器、定时器以及系统组态的参数。为防止断电后数据丢失,可
采用后备电池进行数据保护,一般可以保存5年,当电池电压降低时,欠电压指示灯
发光,提醒用户更换电池。只读存储器在两种,一种是不可擦除ROM,这种ROM
只能写入一次,不能改写。另一种是可擦除ROM,这种ROM经过擦除以抂这可以
重写。其中EPROM只能用紫外线探险内部信息,E
2
PROM可以用电擦除内部信息,
这两种存储器的信息可以保留10年左右。
输入输出单元由输入模块、输出模块和功能模块构成,是PLC与现场输入输出
设备或其他外部设备之间的连接部件。PLC通过输入模块把工业设备或生产过程的
状态或信息读入中央处理单元,通过用户程序的运算与操作,把结果通过输出模块
输出给执行单元。输出模块用于把用户程序的逻辑运算结果输出到PLC外部,输出
模块具有隔离PLC内部电路和外部执行单元的作用,还具有功率放大的作用。输出
模块有晶体管输出模块、晶闸管输出模块和继电器输出模块。
接口单元包括扩展接口、编程器接口、存储器接口和通信接口。扩展接口是用
于扩展输入输出单元。它使PLC的控制规模配置得更加灵活。这种接口为总线形式,
可以配置开关量的I/O单元,也可以配置如模拟量、高速计数等特殊I/O单元及通信
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适配器等。编程器接口是连接编程器的,PLC本体通常是不带编程器的。为了能对
表1 CPU226技术指标
程序存储器
4096
字
用户存储器
2560
字
存储器类型
EEPROM
存储卡
EEPROM
数据后备(超级电容)
190h
编程语言
LAD
、
FBD
和
STL
程序组织
1
个组织块(可以包含子程序和中断程序)
本机
I/O
24
点输入
/16
点输出
扩展模块数量
7
个模块
数字量
I/O
映像区
256
点(
128
点输入
/128
点输出)
数字量
I/O
物理区
248
点(
128
点输入
/240
点输出)
模拟量
I/O
映像区
32
路畭
32
路输出
模拟量
I/O
物理区
35
路(
28
路畭
7
路输出)或
14
路输出
布尔指令执行速度
0.37
μ
s/
指令
计数器
/
定时器
256/256
个
顺序控制继电器
256
个
基本运算指令
11
项
增强功能指令
8
项
FOR/NEXT
循环
有
整数运算(算术运算)
有
实数运算(算术运算)
有
内置高速计数器
6
个(
30kHz
)
内置模拟电位器
2
个(
8
位分辩率)
脉冲输出
2
个高速输出(
20kHz
)
通信中断
1
发送器
/2
接收器
定时中断
2
个(
1
~
255ms
)
输入中断
4
个
口令保护
3
级口令保护
通信
2
个
RS-485
通信接口可用作
PPI
接口、
MPI
从站接口和自由口
4
PLC编程及监控,PLC上专门设置有编程器接口。通过这个接口可以接各种形式的
编程装置,还可以利用此接口做通信、监控工作。存储器接口是为了扩展存储器而
设置的。用于扩展用户程序存储区和用户数据参数存储区,可以根据使用的需要扩
展存储器。其内部也是接到总线上的。通信接口是为了在微机与PLC、PLC与PLC之
间建立通信网络而建立的接口。
3.1.2 PLC选型和性能指标
根据系统的应用领域、采集数据的类型和大小、I/O点数、以及设置数据需要得
内存大小,本文中所选用的PLC是西门子公司的产品S7-200系列,CPU的型号是
CPU226
[1]
。
表2 I/O接口分配表
输入
输出
风机启动
SB1
I0.0
风机组
1
输出
KM1
Q0.0
风机停止
SB2
I0.1
风机组
2
输出
KM2
Q0.1
手动自动转换
SB3
I0.2
工频输出
KM3
Q0.2
风机组选择
SB4
I0.3
压力下限指示灯
L1
Q0.4
变频工频转换
SB5
I0.4
风机组
1
运行指示灯
L2
Q0.5
报警解除按钮
SB6
I0.5
风机组
2
运行指示灯
L3
Q0.6
风机组
1
转子测速器输入
SB7
I0.6
风机组
1
温度上限指示
灯
L4
Q0.7
风机组
2
转子测速器输入
SB8
I0.7
风机组
2
温度上限指示
灯
L5
Q1.0
急停
SB9
I1.0
蜂鸣器
1
Speaker
Q1.1
压力传感器输入
AIW0
急停指示灯
L6
Q1.2
瓦斯浓度传感器
AIW2
风机组错选指示灯
L7
Q1.3
风机组
1
轴温度传感器输入
AIW4
风机组
1
机械故障指示
灯
L8
Q1.4
风机组
1
定温度传感器输入
AIW6
风机组
2
机械故障指示
灯
L9
Q1.5
风机组
2
轴温度传感器输入
AIW8
手动自动指示灯
L10
Q1.6
风机组
2
定温度传感器输入
AIW10
瓦斯上限指示灯
L11
Q1.7
压力模拟量输出
QW0
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