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1、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
2、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
3、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
4、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
5、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 230kW为例，选用 1台西门子S7200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。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
6、EM231扩展模块开关信号EM235扩展模块变频器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。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
7、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
8、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，E2PROM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
9、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 CPU
10、226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/O24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0.37s/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
11、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（1255ms）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
12、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CPU2261。表2 I/O接口分配表输入输出风机启动SB1I0.0风机组1输出KM1Q0.0风机停止SB2I0.1风机组2输出KM2Q0.1手动自动转换SB3I0.2工频输出KM3Q0.2风机组选择SB4I0.3压力下限指示灯L1Q0.4变频工频转换SB5I0.4风机组1运行指示灯L2Q0.5报警解除按钮SB6I0.5风机组2运行指示灯L3Q0.6风机组1转子测速器输入SB7I0.6风机组1温
13、度上限指示灯L4Q0.7风机组2转子测速器输入SB8I0.7风机组2温度上限指示灯L5Q1.0急停SB9I1.0蜂鸣器1SpeakerQ1.1压力传感器输入AIW0急停指示灯L6Q1.2瓦斯浓度传感器AIW2风机组错选指示灯L7Q1.3风机组1轴温度传感器输入AIW4风机组1机械故障指示灯L8Q1.4风机组1定温度传感器输入AIW6风机组2机械故障指示灯L9Q1.5风机组2轴温度传感器输入AIW8手动自动指示灯L10Q1.6风机组2定温度传感器输入AIW10瓦斯上限指示灯L11Q1.7压力模拟量输出QW0CPU226集成了24点输入和16点输出，共有40个数字量I/O点。可连接7个扩展模块，最
14、大扩展至248点数字量I/O点或35路模拟量I/O。CPU226有13KB程序和数据存储空间，6个独立的30kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。CPU226配有2个RS-485通信编程口，具有PPI通信、MPI通信和自由方式通信能力，用于较高要求的中小型控制系统。其性能指标如表1。3.1.3 PLC内部分配CPU226I/O接口及内部寄存器分配如表2和表3。表3 内部存储器使用触摸屏PID参数设定置VW10风机组启动位M0.0触摸屏PID参数增益VW12瓦斯浓度报警位M0.1触摸屏PID参数采样时间VW14瓦斯浓度断电位M0.2触摸屏PID参数积分时间VW16自动风机组1启动位M1.0触摸屏PID参数微分时间VW18自动风机组2启动位M1.1PID反馈量（PVn）VD100手动风机组1启动位M1.2PID给定置（SPn）VD104手动风机组2启动位M1.3PID输出置（Yn）VD108防止风机组1频繁启动位M1.4PID增益（KC）VD112防止风机组2频繁启动位M1.5PID采样时间（T）VD116压力下限位M2.0PID积分时间（TI）VD120风机组1轴温报警位M20.0PID微分时间（TD）VD124风机组1轴温断电切换位M20.1模拟输入压力值存储VD128风机组1定
