畢業(yè)設計-新型煤礦礦井通風系統設計

資源目錄里展示的全都有，所見即所得。下載后全都有,請放心下載。原稿可自行編輯修改=【QQ：401339828 或11970985 有疑問可加】 學生姓名 班級 指導教師 論文（設計）題目 基于PLC新型煤礦礦井通風系統的設計 目前已完成任務 1.已經完成礦井通風系統的基本設計。如PLC的選型、I/O的確定、擴展模塊和傳感器的答配及兼容性和風機的選型等單元電路的原理分析和設計 2.設計出了硬件整體框圖，編寫出了大部分程序 3.軟件設計部分，手動/自動轉換、溫度模擬信號的采集及轉換和模擬壓力量的采集、轉換及PID運算設計等部分都已基本完成 是否符合任務書要求進度：符合 尚需完成的任務 1.進一步修改，整理出規(guī)范的畢業(yè)論文 2.編寫完整的程序，并進行調試 能否按期完成論文（設計）：能夠按期完成畢業(yè)論文。 存在問題和解決辦法 存 在 問 題 1.軟件編程整體思路考慮不太全面，調試結果不一 2.軟件調試經驗不足 擬 采 取 的 辦 法 在老師的指導和自己的努力下彌補自己的缺陷和不足，多學習和自己畢業(yè)設計方面相關的編程調試的知識。 和同學討論、交流，確保按時按質完成畢業(yè)設計。 指導教師簽 字 日期 年 月 日 教學院長（系主任） 意 見 簽字： 年 月 日 本科畢業(yè)論文（設計）中期進展情況檢查表 畢業(yè)論文（設計）開題報告 題目名稱： 新型煤礦礦井通風系統設計 學生姓名 專業(yè) 應用電子技術教育 班級 一、選題的目的意義 通過設計，綜合性地將大學四年期間所學的理論知識應用于實際生產設計中，使礦井的生產安全和改善礦工的勞動條件相結合，因地制宜地采用現代采礦新技術，盡可能地簡化生產系統，縮短建井工期和減少初期工程量，提高采掘工作面單產和單進，盡可能地提高勞動生產率，降低原材料消耗，以獲得較好的技經濟指標，實現礦井高產、高 效，盡可能地提高煤炭資源采出率的同時保證礦井的安全生產。 針對礦井舊通風控制系統中存在的體積龐大、接線復雜、機械觸點多、排除故障困難、可靠性差、自動化程度低等缺陷，設計了一種基于先進PLC控制技術的礦井通風安全控制系統，詳細討論了系統的結構、控制方案、工作原理、硬件與軟件設計方法。該控制系統投入使用，運行結果表明，系統具有功能完善，運行穩(wěn)定，可靠性高，便于維護，節(jié)能效果明顯等特點，提高了企業(yè)的生產效率和經濟效益，具有很好的應用前景。同時該控制系統若配置相應的通信模塊和上位計算機，可方便地組成集散式控制系統，對現場設備的運行狀態(tài)進行監(jiān)控，實現遠程控制，提升企業(yè)生產的自動化程度。 二、國內外研究現狀 目前，煤炭在世界能源消費結構中的比例約占22%，是世界能源供給的重要來源，在我國，煤炭在能源消費結構中處于主導地位。按行業(yè)統計，2006年我國共生產煤炭23.25億噸，占我國一次能源生產和消費結構中的70％左右，煤炭工業(yè)是我國重要的基礎能源產業(yè)，預計到2050年還將占50％以上，為我國國民經濟的發(fā)展提供了有力的能源保證。 因此，煤炭在相當長的時期內仍將是我國的主要能源，要求煤炭工業(yè)維持較高產出，對煤炭工業(yè)發(fā)展提出了更高的要求。 2007年煤炭行業(yè)的總體發(fā)展趨勢：我國煤炭行業(yè)以整合和有序開發(fā)為重點，改小建大，進一步優(yōu)化了煤炭生產布局；優(yōu)先建設了大型現代化煤礦，按照一個礦區(qū)由一個主體開發(fā)的原則推動資源整合，加強大型煤炭企業(yè)集團的發(fā)展速度；進一步提高了科技創(chuàng)新和安全投入的力度，加強煤礦的安全生產保障能力；有效控制煤炭產能過剩狀況，繼續(xù)緩和產需平衡；加快資源節(jié)約型和環(huán)境友好型礦區(qū)的建設步伐。安全技術方面：在2007年度，煤礦安全生產形勢仍然嚴峻，重特大事故雖然有所減少，但安全隱患仍將嚴重威脅大部分煤礦；資源、環(huán)境仍是煤炭企業(yè)亟待改善的弱項；煤礦企業(yè)的素質、礦工的生產生活條件等普遍亟待改善。 三、主要研究內容 （1）通風系統概況分析； （2）針對礦井舊通風系統中存在的問題提出改進方法； （3）可編程控制器的選型； （4）傳感器的選型及在礦井通風系統中的應用； （5）進行軟件設計。 四、畢業(yè)論文（設計）的研究方法或技術路線 （1）調查研究：煤礦行業(yè)現狀和發(fā)展趨勢，礦井結構系統設計方法和存在的問題及改進的方法。 （2）查閱資料：通過圖書館，網絡搜集相關文獻。 （3）創(chuàng)新設計：在現有資料和技術的基礎上開發(fā)創(chuàng)新，設計自己的方案。 （4）完成論文：整理資料，完成論文設計。 五、主要參考文獻與資料 ［1］殷洪義．可編程控制器選擇、設計與維護［M］．北京：機械工業(yè)出版社，2002 ［2］周九寧．可編程控制器在礦山設備中的應用［J］．采礦技術，2004，4(1)：45—46 ［3］彭桂力，劉知貴．集中供熱鍋爐控制系統的PLC控制［J］．電力自動化設備，2006(9)：75．77 ［4］馬寧，孔紅．S7-300PLC和MM440變頻器的原理與應用［M］．北京：機械工業(yè)出版社，2006 ［5］許明，言自行，劉堅．大型泵機組狀態(tài)監(jiān)測及工況調控系統的研制［J］．機械工程學報，2002，(7)：145～147 ［6］徐國林．PLC應用技術［M］．北京：機械工業(yè)出版社，2007 ［7］陳建明，等．電氣控制與PLC應用［M］．北京：電子工業(yè)出版社，2006 ［8］李國厚，楊青杰，余澤通．球磨機潤滑站控制系統的設計［J］．金屬礦山，2005(9)：74-75 ［9］丁紀凱，許逸舟．基于PLC和現場總線的污水處理系統［J］．機電一體化，2006(1)：80．83 ［10］吳中立．礦井通風與安全［M］．徐州：中國礦業(yè)大學出版社，1989：138 ［11］傅貴，秦躍平，楊偉民，等．礦井通風系統分析與優(yōu)化［M］．北京：機械工業(yè)出版社，1995：23 ［12］高廣軍，賈世勝，朱學軍，等．通風系統調整中常見問題及對策［J］．山西煤炭，2002，(2) ［13］徐鵬．張雙樓礦西翼通風系統調整及經濟效果分析［J］．煤礦安全，2001，(4)． ［14］石秋潔．變頻器應用基礎［M］．北京：機械工業(yè)出版社．2003 ［15］陳仕瑋．礦井主要用通風機在線監(jiān)測監(jiān)控現狀及展望［J］．煤礦安全，1999，(12)：39～41 ［16］李月紅，吳永祥．變電所監(jiān)控及其網絡系統的設計［J］．工礦自動化，2005，(3)：27～28 ［17］廖常初. 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3）在自動方式下，當井下壓力低于設定壓力下）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)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。出指示和報警信號。n n（4 4）模擬量瓦斯輸入，當礦井瓦斯?jié)舛却笥谠O定）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)舛却笥趫缶舷迺r，發(fā)出指示和報警。當瓦斯?jié)舛却笥谠O定斷電上限時，設定斷電上限時，PLCPLC將切斷工作面和風機組電源，將切斷工作面和風機組電源，防止瓦斯爆炸。防止瓦斯爆炸。n n（5 5）運用溫度傳感器測定風機組定子溫度或軸承）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溫度，當定子溫度或軸承溫度超過設定報警上線n n時，發(fā)出指示和報警信號。當定子溫度或軸承溫度時，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，超過設定風機組轉換溫度界線時，PLCPLC將切斷指示將切斷指示和報警信號并自動切斷當前運行風機組，在自動方和報警信號并自動切斷當前運行風機組，在自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。式下，工作人員手動切換。n n（6 6）為防止通風機的疲勞運行，在任何狀態(tài)下，）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。風機組運行。n n（7 7）手動方式下，有防止風機組頻繁啟動功能。）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，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。即防止溫度在臨界線狀態(tài)而頻繁啟動。n n（8 8）有風機組機械卡死指示報警功能。）有風機組機械卡死指示報警功能。3 系統硬件構成及各部分功能系統硬件構成及各部分功能3.1.2 PLC選型選型 n n本系統設計選用的是西門子公司生產的本系統設計選用的是西門子公司生產的S7-200S7-200系列。系列。由于在設計中用到了由于在設計中用到了9 9個數字量輸入，個數字量輸入，6 6個模擬量輸入，個模擬量輸入，1515個數字量輸出和個數字量輸出和1 1個模擬量輸出。所以根據個模擬量輸出。所以根據I/OI/O點點數、以及設置數據需要得內存大小，本文中所選用數、以及設置數據需要得內存大小，本文中所選用的的CPUCPU的型號是的型號是CPU226 CPU226。n nCPU224 14I/10OCPU224 14I/10On nCPU226 24I/16OCPU226 24I/16On nCPU226CPU226集成了集成了2424點輸入和點輸入和1616點輸出，共有點輸出，共有4040個數字個數字量量I/OI/O點。可連接點?？蛇B接7 7個擴展模塊，最大擴展至個擴展模塊，最大擴展至248248點數點數字量字量I/OI/O點或點或3535路模擬量路模擬量I/OI/O。CPU226CPU226有有13KB13KB程序和程序和數據存儲空間，數據存儲空間，6 6個獨立的個獨立的30kHz30kHz高速脈沖輸出，具高速脈沖輸出，具有有PIDPID控制器?？刂破?。CPU226CPU226配有配有2 2個個RS-485RS-485通信編程口，通信編程口，具有具有PPIPPI通信、通信、MPIMPI通信和自由方式通信和自由方式 通信能力，用于通信能力，用于較高要求的中小型控制系統。較高要求的中小型控制系統。3.2 模數轉換模塊模數轉換模塊n n模數轉換模塊分為模數轉換模塊分為A/DA/D轉換模塊和轉換模塊和D/AD/A轉換模塊。轉換模塊。PLCPLC模擬量處理功能主要通過模擬量輸入輸出模模擬量處理功能主要通過模擬量輸入輸出模塊及用戶程序來完成。本系統設計有塊及用戶程序來完成。本系統設計有6 6路模擬量輸路模擬量輸入和入和1 1路模擬量輸出，其中有四路是溫度傳感器輸路模擬量輸出，其中有四路是溫度傳感器輸入。所以本設計選用一塊入。所以本設計選用一塊EM231EM231熱電偶模擬量輸熱電偶模擬量輸入模塊，該模塊完成四路溫度傳感器的模數字量入模塊，該模塊完成四路溫度傳感器的模數字量轉換功能；一塊轉換功能；一塊EM235EM235模擬量輸入輸出模塊，該模擬量輸入輸出模塊，該模塊完成兩路傳感器的模數轉換和一路數模轉換模塊完成兩路傳感器的模數轉換和一路數模轉換功能。功能。3.3 傳感器部分傳感器部分n nKGJ16B型瓦斯傳感器，其測量范圍 為04%CH。報警點、斷電點、復電點均為0.34.00%CH可任意設置。輸出為0 5mA經變送器輸出1 10V的電壓信號。n nHM23Y礦井專用型壓力變送器，測量范圍為00.5MPa220MPa，信號輸出420mA。n nPt100鉑熱電阻溫度傳感器。測溫范圍為-50 180，信號輸出420mA的電流。3.4 變頻器和監(jiān)控對象部分變頻器和監(jiān)控對象部分n n本系統選用的是西門子全新一代標準變頻器本系統選用的是西門子全新一代標準變頻器MicroMaster440MicroMaster440功能強大，應用廣泛。變頻器的容功能強大，應用廣泛。變頻器的容量不低于電機的容量；變頻器的電流大于電機的量不低于電機的容量；變頻器的電流大于電機的電流。由于本設計以風機組電流。由于本設計以風機組 230kW230kW為例，因此可為例，因此可選用選用37kW37kW，額定電流，額定電流75A75A的變頻器。的變頻器。n n風機是礦井通風的心臟，所以風機的選擇在礦井風機是礦井通風的心臟，所以風機的選擇在礦井通風設計中也尤其重要的。本設計以風機組通風設計中也尤其重要的。本設計以風機組230kW230kW為例，選用為例，選用FBCZFBCZ系列煤礦防爆抽出式軸系列煤礦防爆抽出式軸流通風機。具有高效、節(jié)能、低噪聲的優(yōu)點，并流通風機。具有高效、節(jié)能、低噪聲的優(yōu)點，并達到了防爆要求，整機防爆性能已通過了國家防達到了防爆要求，整機防爆性能已通過了國家防爆電器產品質量檢測中心的防爆檢驗爆電器產品質量檢測中心的防爆檢驗 。4 軟件設計軟件設計n n由于由于PLCPLC所能識別的是數字量信號，所以要對傳感器所能識別的是數字量信號，所以要對傳感器采集的電壓或電流信號的輸入信號進行轉換。若輸采集的電壓或電流信號的輸入信號進行轉換。若輸入電壓范圍為入電壓范圍為0 010V10V的模擬量信號，則對應的數字的模擬量信號，則對應的數字量結果應為量結果應為0 03200032000或需要的數字?；蛐枰臄底?。n n模擬量和數字量的轉換公式為：模擬量和數字量的轉換公式為：n n(y-AL)/(AH-AL)=(X-0)/(32000-0)(y-AL)/(AH-AL)=(X-0)/(32000-0)n ny:y:轉換過后的工程值（多少電流）轉換過后的工程值（多少電流）n nAHAH：工程值的上限（電流的上限）：工程值的上限（電流的上限）n nALAL：工程值的下限（電流的下限）：工程值的下限（電流的下限）n nX X：工程轉換后的數字量值（電流轉換后的數字值）：工程轉換后的數字量值（電流轉換后的數字值）4.1 壓力控制子程序壓力控制子程序 在系統穩(wěn)態(tài)運行時，PID控制器的作用就是通過調節(jié)其輸出使偏差為零。偏差由定量（SP，希望值）與過程變量（PV，實際值）之差來確定。系統PID調節(jié)的微分方程式由比例項、積分項和微分項組成。n nPIDPID反饋量存放在反饋量存放在VD100VD100中；中；n nPIDPID給定置存放在給定置存放在VD104VD104中；中；n nPIDPID輸出置輸出置YnYn存放在存放在VD108VD108中；中；n nPIDPID增益增益KCKC存放在存放在VD112VD112中；中；n nPIDPID采樣時間采樣時間T T存放在存放在VD116VD116中；中；n nPIDPID積分時間積分時間T T存放在存放在IVD120IVD120中；中；n nPIDPID微分時間微分時間TDTD存放在存放在VD124VD124中。中。n n壓力控制是用壓力控制是用SMB34SMB34定時設定的時間周期進行中定時設定的時間周期進行中斷處理的，利用斷處理的，利用SMB34SMB34固定的時間間隔作為采樣固定的時間間隔作為采樣周期，對模擬量周期，對模擬量AIW0AIW0輸入進行采樣，然后通過輸入進行采樣，然后通過A/DA/D轉換模塊進行模數轉換轉換模塊進行模數轉換。4.2 溫度控制子程序溫度控制子程序n4.3 瓦斯深度控制子程序n4.4 機械故障處理部分n4.5 壓力輸出控制變頻器部分摘 要 針對礦井舊通風控制系統中存在的體積龐大、接線復雜、機械觸點多、排除故障困難、可靠性差、自動化程度低等缺陷,設計了一種基于先進PLC和變頻器控制技術的礦井通風安全控制系統。詳細討論了系統的結構、控制方案、工作原理、硬件與軟件設計方法。該控制器通過采集外界各個設備的狀態(tài)信號，以礦井壓力為主控參數,通過PLC控制變頻調速系統,來調節(jié)通風機電機轉速，對2臺風機組電機進行手動和自動控制實現最優(yōu)控制。該控制系統合理控制各臺電機的啟停，同時實現故障報警。通過PLC和變頻器的應用，礦井通風系統不僅節(jié)約了電能，提高了效率，并且還達到安全監(jiān)控的目的,為煤礦創(chuàng)造了良好的經濟效益。 關鍵詞: PLC，變頻器，通風系統，礦井，S7—200PLC New Underground Mine Ventilation Planning Based on PLC Abstract In view of the defects in the old underground mine ventilation control system such as large size，complex wire connection，many mechanical contacts，difficult failure shooting，poor reliability and low automation degree，a mine ventilation safety control system based on advanced PLC and transducer control technology is designed．Its structure，control scheme，work mechanism，hardware and software design method are discussed in detail．The controller adjust fan speed by Frequency Control System controlled of PLC, through collecting Status signal of every outside equipment in Mine pressure to control parameters. The fan sets of two of the ventilation unit achieve optimal control by manual and automatic control. The control system controls start and stop of every motor reasonably, and achieves failure alarm at the same. Underground Mine Ventilation not only saves electricity, improves efficiency, and also achieves the purpose of monitoring safety, creates a good economic returns for coal mine by the application of PLC and transducer. Keywords：PLC, Transducer, Ventilation System, Underground Mine, S7—200PLC 目 錄 1 緒論 2 2 系統結構和控制方案 2 2.1 系統的設計功能 2 2.2 系統結構及方案 3 3 系統硬件構成及各部分功能 3 3.1 PLC可編程控制器部分 4 3.1.1 PLC概述 4 3.1.2 PLC選型和性能指標 6 3.1.3 PLC內部分配 7 3.1.4 輸入輸出外部接線 7 3.2 模數轉換模塊 9 3.3 傳感器部分 10 3.4 變頻器部分 12 3.5 監(jiān)控對象 13 4 軟件設計 15 4.1 溫度控制部分 15 4.2 瓦斯?jié)舛瓤刂撇糠?18 4.3 壓力控制部分 20 4.4 機械故障處理部分 23 致謝 24 參考文獻 24 附錄 程序總圖 26 1 緒論 煤礦礦井通風系統是煤礦礦井安全生產的重要組成部分，煤礦礦井通風系統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中，大多仍采用繼電 接觸器控制系統，但這種控制系統存在著體積大、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的節(jié)能技術改造提供一條新途徑。 2 系統結構和控制方案 2.1 系統的設計功能 本控制系統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相比，PLC系統具有故障率低 、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自動控制的要求，系統的具體設計要求如下： （1）本系統提供手動／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 系統結構及方案 通風控制系統主要由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 2×30kW為例，選用 1臺西門子S7—200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。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。 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? 2#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 系統硬件構成及各部分功能 圖1 硬件系統功能塊框架圖 本控制系統有可編程控制器（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。 3.1 PLC可編程控制器部分 3.1.1 PLC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1 CPU226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/O 24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 0.37μs/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（1～255ms） 輸入中斷 4個 口令保護 3級口令保護 通信 2個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。 3.1.2 PLC選型和性能指標 根據系統的應用領域、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CPU226[1]。 表2 I/O接口分配表 輸入 輸出 風機啟動 SB1 I0.0 風機組1輸出 KM1 Q0.0 風機停止 SB2 I0.1 風機組2輸出 KM2 Q0.1 手動自動轉換 SB3 I0.2 工頻輸出 KM3 Q0.2 風機組選擇 SB4 I0.3 壓力下限指示燈 L1 Q0.4 變頻工頻轉換 SB5 I0.4 風機組1運行指示燈 L2 Q0.5 報警解除按鈕 SB6 I0.5 風機組2運行指示燈 L3 Q0.6 風機組1轉子測速器輸入 SB7 I0.6 風機組1溫度上限指示燈 L4 Q0.7 風機組2轉子測速器輸入 SB8 I0.7 風機組2溫度上限指示燈 L5 Q1.0 急停 SB9 I1.0 蜂鳴器1 Speaker Q1.1 壓力傳感器輸入 AIW0 急停指示燈 L6 Q1.2 瓦斯?jié)舛葌鞲衅? AIW2 風機組錯選指示燈 L7 Q1.3 風機組1軸溫度傳感器輸入 AIW4 風機組1機械故障指示燈 L8 Q1.4 風機組1定溫度傳感器輸入 AIW6 風機組2機械故障指示燈 L9 Q1.5 風機組2軸溫度傳感器輸入 AIW8 手動自動指示燈 L10 Q1.6 風機組2定溫度傳感器輸入 AIW10 瓦斯上限指示燈 L11 Q1.7 壓力模擬量輸出 QW0 CPU226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控制系統。其性能指標如表1。 3.1.3 PLC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? M0.1 觸摸屏PID參數采樣時間 VW14 瓦斯?jié)舛葦嚯娢? M0.2 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 M1.1 PID反饋量（PVn） VD100 手動風機組1啟動位 M1.2 PID給定置（SPn） VD104 手動風機組2啟動位 M1.3 PID輸出置（Yn） VD108 防止風機組1頻繁啟動位 M1.4 PID增益（KC） VD112 防止風機組2頻繁啟動位 M1.5 PID采樣時間（T） VD116 壓力下限位 M2.0 PID積分時間（TI） VD120 風機組1軸溫報警位 M20.0 PID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? VD196 3.1.4 輸入輸出外部接線 CPU226接線規(guī)則如下： （1）DC輸入端中1M、I0.0～I1.4為第1組，2M、I1.5～I2.7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各輸入端。 DC輸出端中1M、1L+、Q0.0～Q0.7為第1組，2M、2L+、Q1.0～Q1.7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。 2L Q0.6 L3 Q0.4 L1 L2 Q0.7 L4 Q1.0 L5 3L Q1.6 L10 Q1.7 L11 Q1.2 L6 Q1.3 L7 Q1.4 L8 Q1.5 L9 Q1.1 Speaker EM231模數轉換 溫度傳感器1 溫度傳感器2 溫度傳感器3 溫度傳感器4 KM1 Q0.0 KM2 Q0.1 1L KM3 Q0.2 1M I0.0 SB1 I0.1 SB2 I0.2 SB3 I0.3 SB5 I0.5 SB7 I0.6 SB8 I0.7 SB9 I1.0 SB10 I0.4 SB6 EM235模擬量輸入輸出模塊 瓦斯?jié)舛葌鞲衅? 傳感器4 壓力傳感器 QW0+ QW0- AIN1+ AIN- M 3～ ～220V Q 3 4 MM440 KM3 S7-PLC 。 圖2 PLC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。 繼電器輸出端由3組構成，其中N（—）、1L、Q0.0～Q0.3為第1組，N（—）、2L、Q0.4～Q1.0為第2組，N（—）、3L、Q1.1～Q1.7為第3組。各組的公共端為1L、2L和3L。第1組負載電源的一端N接負載的N（—）端，電源的另一L（+）接繼電器輸出端的1L端。負載的另一端分別接到CPU226各繼電器輸出端子。第2組、第3組的接線與第1組相似。 根據接線規(guī)則，PLC輸入/輸出接線和變頻器接線圖如圖2所示。 3.2 模數轉換模塊 模數轉換模塊分為A/D轉換模塊和D/A轉換模塊。PLC模擬量處理功能主要通過模擬量輸入輸出模塊及用戶程序來完成。模擬量輸入模塊接受各種傳感器輸出的標準電壓信號或電流信號，并將其轉換為數字信號存儲到PLC中。PLC根據生產實際要求，通過用戶程序對轉換后的信息進行處理并將處理結果通過模擬量輸出模塊轉換為標準電壓或電流信號去驅動執(zhí)行元件。 表3 EM231性能指標 型號 6ES7231-7PD22-0XA0 模塊更新時間 405ms 模塊名稱及描述 EM231模擬輸入熱電偶4輸入 數據字格式 -32767到+32767 尺寸（mm） W×H×D 71.2×80×62 基本誤差 0.1%FS（電壓） 重量 210g 冷端誤差 ±1.5℃ 功耗 1.8W 重復性 0.05%FS +5VDC 87mA 導線長度 到傳感器最長100m +24VDC 60mA 輸入阻抗 ≥1MΩ? 輸入類型 懸浮型熱電偶 最大輸入電壓 30VDC 輸入范圍 TC類型（選擇一種）S，T，R，E，N，K，J 電壓范圍：+/-80mV 輸入濾波衰減 -3dbat21kHz 輸入分辨率 0.1℃/0.1℉15位加符號位 24VDC電壓范圍 20.4～28.8VDC 本系統設計有6路模擬量輸入和1路模擬量輸出，其中有四路是溫度傳感器輸入。所以本設計選用一塊EM231熱電偶模擬量輸入模塊，該模塊完成四路溫度傳感器的模數字量轉換功能；一塊EM235模擬量輸入輸出模塊，該模塊完成兩路傳感器的模數轉換和一路數模轉換功能。EM231性能指標如表3所示。 熱電偶類型選擇： 表4 熱電偶類型選擇 熱電偶類型 SW1 SW2 SW3 J 0 0 0 K 0 0 1 T 0 1 0 E 0 1 1 R 1 0 0 S 1 0 1 N 1 1 0 +/-80mV 1 1 1 EM231熱電偶模塊是專門用于對熱電 偶輸出信號進行A/D轉換的智能模塊。它可以連接7種類型的熱電偶（J，K，E，N，S，T和R），還可以用于測量0～+/-80mV范圍的低電平模擬信號，所以使用EM231模擬量輸入熱電偶模塊時，需要通過模塊右下側的設置開關進行心要的設置。對熱電偶模塊，其熱電偶的類型通過設置開關SW1、SW2、SW3選擇，如表4所示。 3.3 傳感器部分 該控制系統中存在大量的模擬量信號，這些信號的輸入都要通過傳感器是進行模擬量采集，將采集的模擬量信號送入PLC輸入模塊進行模數轉換，將連續(xù)的變化量（大部分為4－20mA的電流信號，0－5V或0－10V的電壓信號）轉換離散的數字量，存儲到PLC內存里；輸出是由模擬量輸出模塊將我們要輸出的存儲在內存中的數字離散信號轉換為電壓信號或者電流信號。 本系統模擬量傳感器選用有KGJ16B型瓦斯傳感器用于檢測煤礦井下空氣中的瓦斯含量，HM23Y礦井專用型壓力變送器用于檢測礦井的井巷氣壓，Pt100鉑熱電阻作為測量溫度用的傳感器用于檢測風機組軸承和定子溫度。要想正確的使用它們，首先了解各個傳感器的性能指標。 KGJ16B型瓦斯?jié)舛葌鞲衅魇且环N智能型檢測儀表，具有穩(wěn)定可靠、使用方便等特點。調零、調精度、報警點設置等均可通過遙控器實現[2]。其性能指標如表5所示。 HM23Y型壓力變送器采用歐洲先進的濺射薄膜壓力傳感器作為敏感元件，和電子線路做成一體化結構該型號壓力變送器為全不銹鋼圓柱型結構，使用方便。特別適用于井田測井、制藥、紡織等粘稠宜堵、強振動的工業(yè)現場。并在國內油田得到很好的應用效果。 表5 KGJ16B型瓦斯?jié)舛葌鞲衅餍阅苤笜? 防爆型式 礦用隔爆兼本質安全型 工作電壓 DC 9～24 V 測量范圍 0～4%CH 工作電流 DC 18 V 不大于65 mA 測量誤差 0.00 1.00 0.10 標定流量 1.00 3.00 0.10% 真值 3.00 4.00 0.30 響應時間 小于20 外形尺寸 266 120 45 (mm) 遙控范圍 距離不大于5m，角度不大于120 重量 1 kg 報警點 0.3～4.00%CH可任意設置（出廠調至1.0% CH） 斷電點 0.3～4.00%CH可任意設置（出廠調至1.5% CH） 復電點 0.3～4.00%CH可任意設置（出廠調至1.0% CH） 輸出信號 KGJ16B－1型：200～1000Hz頻率，負載電阻大于1.5 KΩ時，輸出高電平大于3 V。紅色發(fā)光二極管 H10為頻率輸出指示，發(fā)光二極管亮時，有頻率輸出，反之則無輸出 KGJ16B－2型：1～5mA恒流，負載電阻0～500Ω KGJ16B－3型：RS485接口，通信波特率1200bps 報警方式 蜂鳴器斷續(xù)鳴叫，響度大于80dB （18 V 供電，距離1 m） 該壓力變送器有高溫、高壓、高精度、高穩(wěn)定性、抗振動、沖擊、耐腐蝕全不銹鋼結構、體積小、重量輕直接過程安裝等特點。其性能參數如表6所示。 Pt100鉑熱電阻作為測量溫度用的傳感器，通常和顯示儀表、記錄儀表及控制裝置配套使用，測量范圍-50℃～180℃?？梢杂迷陔姍C的軸承和定子測溫，也可以用在紡織、機械、鐵路機車等有需要測量溫度的場合。該溫度傳感器采用德國進口薄膜鉑熱電阻元件，產品質量達到IEC751國際標準。鉑電阻的電阻值隨著溫度的變化而變化。溫度和電阻的關系接近于線性關系，偏差極小，且電氣性能穩(wěn)定。耐振動、可靠性高，同時具有精確靈敏、穩(wěn)定性好、產品壽命長和安裝方便等優(yōu)點。 Pt100鉑電阻溫度傳感器是利用金屬鉑在溫度變化時自身電阻值也隨之改變的特性來測量溫度的，能夠準確的測出軸承或定子的溫度并將它們傳給PLC模數轉換電路。當被測介質中存在溫度梯度時，所測得的溫度是感溫元件所在范圍內介質層中的平均溫度[3]。其性能參數如表7所示。 表6 HM23Y型壓力變送器性能參數 測量范圍 0～0.5MPa～220MPa 過載能力 2倍滿量程壓力(其中100Mpa以上過壓為1.1倍) 壓力類型 表壓或絕壓 測量介質 與316不銹鋼兼容的氣體或液體 供電電源 12～36VDC(一般為24V) 信號輸出 4～20mA/1～5VDC/0～5VDC/0.5～4.5VDC 綜合精度 ±0.1%FS ±0.25%FS ±0.5%FS 長期穩(wěn)定性 ±0.1%FS/年 使用溫度范圍 -40～+150℃ 補償溫度范圍 -40～+120℃ 溫度性能 零點溫度系數：≤±0.02%FS/℃ 靈敏度溫度系數：≤±0.02%FS/℃ 接液材料 膜片:17-4PN???? 連接件:1Cr18Ni9Ti 響應時間 ≤2毫秒 負載電阻 ≤(U-10)/0.02Ω 絕緣電阻 100MΩ；50VDC 外殼防護 插頭型（IP65）；電纜型（IP67） 安全防爆 ExiaⅡ；CT5 重量 約0.25公斤 3.4 變頻器部分 本系統選用的是西門子全新一代標準變頻器MicroMaster440功能強大，應用廣泛。它采用高性能的矢量控制技術，提供低速高轉矩輸出和良好的動態(tài)特性，同時具備超強的過載能力，以滿足廣泛的應用場合。 變頻器的選用： 變頻器的選用應滿足以下規(guī)則，變頻器的容量應大于負載所需的輸出；變頻器的容量不低于電機的容量；變頻器的電流大于電機的電流。由于本設計以風機組2×30kW為例，因此可選用37kW，額定電流75A的變頻器?？紤]到改進設計方案的可行性，調速系統的穩(wěn)定性及性價比，我們采用西門子MM440，37kw，額定電流為75A?的通用變頻器。該變頻器采用高性能矢量控制技術，提供低速高轉矩輸出和良好的動態(tài)特性，同時具備超強的過載能力，可以控制電機從靜止到平滑起動期間提供3S，有200％的過載能力。 表7 Pt100鉑熱電阻溫度傳感器性能指標 型號 WZPM-201 測溫范圍 -50℃～ 180℃ 分度號 PT100 精度等級 A 0℃阻值 100Ω?0.06Ω 熱響應時間 6秒 絕緣電阻 ≥200MΩ 測溫端 Φ6X18 螺紋 M8X0.75 引線 長度 引線長度用戶 規(guī)格 3X0.2m㎡ 材料 F46導線 耐溫 200℃ 用途 軸承測溫 傳感器工作電流 ≤1mA 變頻器參數的設置： 負載為一大慣性負載，在停車時，為防止因慣性而產生的回饋制動使泵升電壓過高的現象，加入制動電阻，斜坡下降時間設定長一些。外接制動電阻的阻值和功率可按公式R≥2Ud／1P≥(0.3—0.5)選取。式中：U為變頻器直流側電壓，d?為變頻器的額定電流。本次設計采用西門子與37kW電機配套的制動電阻響和對轉速調整的要求，系統用模擬量輸入作為附加給定，與固定頻率設定相疊加以滿足不同型號模具特殊要求。調速系統電路圖如圖2。制動電阻的熱敏開關4BD22-2EAO，1.5Q，2.2kW [4]。變頻器的各項參數設置如表8所示。 3.5 監(jiān)控對象 風機是礦井通風的心臟，所以風機的選擇在礦井通風設計中也尤其重要的。本設計以風機組2×30kW為例，選用FBCZ系列煤礦防爆抽出式軸流通風機。 FBCZ系列(原BK54、BK55系列)風機是結合中小型煤礦的通風網絡參數研制成功的煤礦防爆軸流通風機，具有高效、節(jié)能、低噪聲的優(yōu)點，是中小型煤礦專用作 表8 變頻器性能參數設置 參數號 設定值 說明 P0100 0 歐洲/北美設定選擇 P0300 1 電機類型選擇（異步電機） P0304 380 電機額定電壓 P0305 75 電機額定電流 P0307 37 電機額定功率 P0308 0.87 電機額定功率因數 P0309 0.925 電機額定效率 P0310 50 電機額定頻率 P0311 1450 電機額定轉速 P0700 1 基本操作板（BOP）設置 P1000 2 變頻器頻率設定值通過外部模擬量給定 P1080 0 電機運行的最小頻率 P1082 50 電機運行的最大頻率 P1120 10 斜坡上升時間 P1121 10 斜坡下降時間 P1060 5 點動斜坡上升時間 P1061 5 點動斜坡下降時間 P1300 20 變頻器頻率的運行方式為無速度反饋的矢量控制 P0701 16 Din1選擇固定頻率1運行 P0702 16 Din2選擇固定頻率2運行 P0703 16 Din3選擇固定頻率3運行 P0705 1 Din5控制變頻器啟停 P0706 10 Din6正向點動 P1001 20 固定頻率1 P1002 30 固定頻率2 P1003 40 固定頻率3 P1004 45 固定頻率4 P1005 50 固定頻率5 為主扇的風機。該風機所用的材料，已通過了中國煤炭科學院重慶分院檢測中心的摩擦火花試驗，并達到了防爆要求，整機防爆性能已通過了國家防爆電器產品質量檢測中心的防爆檢驗[5]。 主要特點： （1）采用電動機與葉輪直聯的風機最簡結構，改變了當前煤礦抽出式軸流通風及全部采用皮帶傳動或長軸傳動的復雜結構，利于運行和維修。 （2）該系列風機在電機外面安裝全封閉型并具有一定耐壓強度的密閉散熱罩及氣壓平衡管，使電機始終處于無瓦斯空氣中運行，達到了煤礦有關防爆規(guī)程的要求。 （3）該系列風機為單級工作輪結構，風機可反轉反風，其反風量可達正風量的65%～85%，不必另設反風道，具有節(jié)約基建投資和反風速度快的優(yōu)點。 （4）葉輪的葉片安裝角的可調整，可根據生產的要求來調整葉片角度。該風機采用特殊設計，性能曲線無駝峰，在任何網絡阻力的情況下，均能穩(wěn)定運行。 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2×30kW為例。所選風機的性能指標如表9所示。 表9 FBCZ系列性能指標 型號 轉速(r/min) 風量(m3/s) 風壓(Pa) 配用電機功率(kW) FBCZ-4-No11 1450 6.4～19.2 327～1193 30 4 軟件設計 本控制系統的軟件設計是分四部分實現的，主要包括手動自動控制部分、溫度轉換控制部分、瓦斯?jié)舛瓤刂撇糠趾蛪毫ID控制部分。 本文中所采用的PLC是西門子公司的產品S7-200系列，CPU的型號是CPU226。 西門子PLC編程工具的使用可以參照西門公司的程序使用手冊或者在程序中按F1調出幫助文件參考。 下面介紹一下PLC程序的主要結構。首先看流程圖圖3所示。 由系統流程圖可以看出本控制系統的軟件設計是由六部分來實現的，主要包括手動/自動控制部分、溫度轉換控制部分、瓦斯?jié)舛瓤刂撇糠?、壓力PID控制部分、PLC與變頻器通信和機械故障處理部分。其中手動和自動控制部分是在溫度、瓦斯和壓力控制中使用的。所以下面僅對溫度、瓦斯、壓力和通信控制子程序進行分析。本系統控制程序可見附錄。 4.1 溫度控制部分 本設計的風機組設有軸承溫度和定子溫度過熱保護。綜合所選用的風機組自身特性和國家規(guī)定標準，設置了風機組軸承溫度和定子溫度報警溫度和跳閘溫度（本系統是風機組切換溫度）。 PLC主程序 通電初使化 掃描結束 手動控制 自動控制 溫度狀態(tài)采集 數據轉換 瓦斯?jié)舛炔杉? 數據轉換 壓力中斷 PID運算 壓力濃度采集 數據轉換 機械故障處理 圖3 系統總流程圖 軸承溫度保護設置85℃為報警溫度，90℃為跳閘溫度。定子溫度保護設置120℃為報警溫度，125℃為跳閘溫度。 表10 工程值與數字量對應關系 溫度值（℃） 數字量 電壓值（V） 120 23652.2 7.39 125 24347.8 7.61 85 18782.6 5.87 90 19478.3 6.09 由于PLC所能識別的是數字量信號，所以要對傳感器采集的電壓或電流信號的輸入信號進行轉換。若輸入電壓范圍為0～10V的模擬量信號，則對應的數字量結果應為0～32000或需要的數字。 模擬量和數字量的轉換公式為： (y-AL)/(AH-AL)=(X-0)/(32000-0) （1） y:轉換過后的工程值（多少電流） AH：工程值的上限（電流的上限） AL：工程值的下限（電流的下限） X：工程轉換后的數字量值（電流轉換后的數字值） 若數據格式為單極性，模擬量信號的類型為電壓信號，滿量程為0～10V，那么根據公式1可得軸承溫度和定子溫度報警溫度和跳閘溫度所對應的數量和電壓的關系如表10所示。 模擬量信號的類型及范圍是通過模擬量模塊右下側的DIP設定開關進行輸入和輸出信號選擇的[6] 。 圖4 溫度控制子程序 本系統有自動/手動兩種控制方式。在自動狀態(tài)下，根據風機選擇按鈕的選擇風機組運行工作。在沒有出現異常的情況下，風機組1和風機組2根據需要所設定的時間交替運行工作。主程序每次掃描都要調用溫度子程序。調用子程序后首先對程序中反復用到的累加器AC0清零。若運行的是風機組1，那么風機組1運行后其定子溫度和軸承就會上升，溫度傳感器將其連續(xù)變化的溫度轉換為0～10V的電壓送入A/D轉換模塊EM231，由EM231將連續(xù)的電壓信號轉換為PLC能識別的離散數字量，并將其存入AIW4和AIW6。為了提高運算精度，將AIW4和AIW6存儲的數據轉換為實數進行處理，分別存儲到VD180和VD184中。溫度控制子程序圖如圖4所示。 自動方式下，存儲到VD180和VD184中的數據與設定的報警溫度上線進行比較，當軸承溫度VD180或定子溫度VD184的值過高超出設定置上線時，M20.0或M20.2閉合，指示燈Q0.7閉合，蜂鳴器Q1.1也閉合，系統發(fā)出報警并有指示燈指示。若溫度繼續(xù)上升，當其溫度超過風機組轉換溫度上線時，M20.1或M20.3閉合，PLC將自動將風機組1的電源切斷，并將風機組2接入運行。此時，若風機組選擇按扭仍選風機組1，系統將發(fā)出指示并報警，只有工作人員將其按鈕撥到風機組2才能解除報警和指示。同理，當風機組2的軸承溫度或定子溫度超出設定的報警溫度或風機切換溫度時，將出現同上情況。其控制程序如圖5所示。 在手動方式下，若風機組選擇按扭撥到風機組1，按下啟動按鈕后風機組1將投入運行。風機組1的軸承溫度和定子溫度經溫度傳感器將連續(xù)變化的溫度轉換為1～10V的電壓，然后送入EM231模擬量輸入模塊，通過內部的采樣，濾波，轉換為PLC能識別的二進制信號。當風機組1的軸承溫度或定子溫度超出設定的報警溫度或風機切換溫度時，風機組將報警并指示。當其溫度超過一切風機組的溫度時，PLC將切斷風機1的控制回路。風機組1停止工作，同時發(fā)出指示和報警。此時，當風機組1的軸承溫度或定子溫度降低，即便再次低于設定的報警溫度或風機切換溫度時，風機組1也不能再次啟動，只有工作人員將風機組選擇按扭撥向風機組2時，風機組2投入運行工作。同時并切斷風機組1的指示和報警。同理，若風機組2的軸承溫度或定子溫度超限時，處理方式同上。其控制程序見附圖1的網絡6和網絡7。 4.2 瓦斯?jié)舛瓤刂撇糠? 瓦斯?jié)舛瓤刂撇糠趾蜏囟瓤刂撇糠窒嗨?。本設計用到的瓦斯?jié)舛葌鞲衅鳛镵GJ16B 型。其性能參數見硬件設計部分。其原理分析參見附圖1。瓦斯?jié)舛葌鞲衅鲗⑦B續(xù)變化的瓦斯?jié)舛刃盘栟D換為4～20毫安的電流，然后經A/D轉換模塊EM235，通過其內部的采樣、濾波，轉換為PLC能識別的二進制信號存儲到VD196中。在風機運行過程中若礦井工作面的瓦斯?jié)舛却笥谠O定的報警瓦斯?jié)舛壬暇€時，M0.1閉 圖5 溫度控制程序 合，Q1.1也閉合，系統將發(fā)出指示并報警。以警示工作人員工作面瓦斯涌出量已有安全隱患，做好排放瓦斯的準備。若井巷工作面瓦斯?jié)舛壤^續(xù)增大，當VD196的存儲值大于設定的斷電瓦斯?jié)舛壬暇€時，M0.2閉合，PLC將發(fā)出切斷電源的指令，將 PLC所有輸出和內部位復位，并切斷風機電源各井巷工作面的電源，防止有明火引起與其爆炸。同時并發(fā)出報警。抽放瓦斯后，當瓦斯?jié)舛萔D196的存儲值再次下降到小于斷電瓦斯?jié)舛壬暇€時，風機組并不能重新運行工作。只有當瓦斯?jié)舛萔D196的存儲值下降到小于瓦斯?jié)舛葓缶暇€時，PLC才恢復風機組再次啟動并將風機組運行工作。 PID 壓力給定量SP 偏差e PID輸出Y 過程變量 壓力反饋量PV _ + 變頻調速系統 4.3 壓力控制部分 圖6 PID控制系統結構圖 圖7 PID參數設置 壓力是本控制系統的主控參數，在壓力數據處理過程中運用到PID算法。所謂的PID就是比例、積分、微分的總稱。其結構如圖6所示。 PID運算中的積分作用可以消除系統的靜態(tài)誤差，提高精度，加強對系統參數變化的能力，而身分作用可以克服慣性滯后，提高抗干擾能力和系統的穩(wěn)定性，可改善系統動態(tài)響應速度。因此，對于速度、位置等快過程擴溫度、化工合成等慢過程，PID控制都具有良好的實際效果。 在系統穩(wěn)態(tài)運行時，PID控制器的作用就是通過調節(jié)其輸出使偏差為零。偏差由定量（SP，希望值）與過程變量（PV，實際值）之差來確定。系統PID調節(jié)的微分方程式由比例項、積分項和微分項組成。 在自動方式下，利用遠傳空氣壓力傳感器檢測礦井內的氣壓信號，用變送器將現場的模擬壓力信號變換成統一的1～10V直流電壓信號，送人A／D轉換模塊進行模數轉換，轉變?yōu)镻LC內部能識別的二進制信號。壓力參數的設置與礦井的深度、巷道的截面等諸多因素有關，所以本設計利用觸摸屏進行PID參數設置。其設置調用了壓力子程序見附圖1。PID參數設置好后要分別對壓力設定值、增益值、采樣值、積分時間和微分時間進行填表。程序圖如圖7所示。 圖8 壓力中斷子程序 本系統的壓力控制是用SMB34定時設定的時間周期進行中斷處理的，利用SMB34固定的時間間隔作為采樣周期，對模擬量AIW0輸入進行采樣，然后通過A/D轉換模塊進行模數轉換。中斷子程序如圖8所示。 壓力中斷程序分兩部分進行處理數據，一部分將轉換后的數據存儲到VD128中與設定的壓力值進行比較處理。假設礦井內的氣壓在一個大氣壓或在設定的某個大氣壓力數值以上，PLC通過控制變頻器，工作通風機與備用通風機循環(huán)工作，由礦井的氣壓參數通過PLC運算去控制變頻器來達到風機的轉速的控制；當出現突發(fā)事故，或礦井內的氣壓低于設定的某個氣壓參數時，VD128的壓力值與工頻壓力值VD136進行比較，若VD128小于或等于VD136的值，則當前運行通風機將由變頻轉 圖9 壓力中斷程序 到工頻運行，此時如果仍滿足不了通風的需要時，工作通風機與備用通風機不再循環(huán)工作，并自動切換為同時工作，另外，接入的備用通風機根據礦井的氣壓參數進行變頻運行，加大對礦井內的通風量，直至礦井內的氣壓生至設定的大氣壓力數值以上，工作通風機與備用通風機恢復循環(huán)工作。壓力中斷程序如圖9所示。 另一部分直接送到AC0中進行PID運算，因參與PID運算的過程量要求均為實數格式，且要求轉換為無量綱的0.0～1.0之間的標準數，所以要對實際工程值進行標準化處理。處理過的標準化值經PID運算后再轉換為實際工程值進行輸出，送到QW0中去控制變頻器。其控制程序如圖10所示。 圖10 PID運算處理程序 4.4 機械故障處理部分 風機組長期運行經常會出現一些機械故障，如風機組線圈燒壞或機械卡死等諸多電源通電風機卻不運轉的故障。本系統利用軟件設計了預防這種現象發(fā)生而造成重大事故的措施。其程序如圖11所示。 I0.6和I0.7分別為轉子測速器的輸出。所選的測速器輸出為數字信號。即轉子速度為零時測速器輸出為“0”， 轉子速度大于零時測速器輸出為“1”。當PLC的Q0.0或Q0.1有輸出時，Q0.0或Q0.1觸點閉合，若風機組1或風機組2的轉子速度不轉為零時，I0.6或I0.7閉合，Q1.4或Q1.5閉合發(fā)出報警信息。以警告工作人員風機組出現故障請及時處理。 圖11 機械故障處理程序 5 結束語 西門子PLC控制變頻器在煤礦礦井通風系統中的應用，不僅簡化了系統，提高了設備的可靠性和穩(wěn)定性，設備的操作和維護方便，節(jié)省能耗，同時也大大地提高了煤礦生產的安全系數。由于變頻器直接控制電機，通過調速來驅動風機工作，從而提高了風機的傳動效率，另外變頻器加減速時間可以任意設定，避免了風機全負荷啟動時的大電流沖擊，有利于延長設備使用壽命。此系統操作方便，控制精度高，響應速度快，使整個系統工作平穩(wěn)。而且節(jié)電率在20%～70%之間，具有巨大的節(jié)效益。 致謝 在畢業(yè)設計期間，一直得到導師的悉心指導和關懷。特別是在課題的設計過程中，對論文的技術問題，導師都花費了大量的心血，付出了大量的勞動，并一直給予我無微不至的指導與多方面的幫助，使我的知識、能力等各方面都有了很大的進步，在此，謹向導師表示最衷心的感謝！在課題進行期間，學院為我們提供了良好的學習和設計環(huán)境。在課題的研究和進展中，同組成員也給予了很大的幫助，這里也一同表示感謝！由于時間和知識水平所限，論文中還可能會有許多紕漏或錯誤之處，懇請各位老師和同學批評指正。 參考文獻 ［1］殷洪義．可編程控制器選擇、設計與維護［M］．北京：機械工業(yè)出版社，2002 ［2］周九寧．可編程控制器在礦山設備中的應用［J］．采礦技術，2004，4(1)：45—46 ［3］彭桂力，劉知貴．集中供熱鍋爐控制系統的PLC控制［J］．電力自動化設備，2006(9)：75．77 ［4］馬寧，孔紅．S7-300PLC和MM440變頻器的原理與應用［M］．北京：機械工業(yè)出版社，2006 ［5］許明，言自行，劉堅．大型泵機組狀態(tài)監(jiān)測及工況調控系統的研制［J］．機械工程學報，2002，(7)：145～147 ［6］徐國林．PLC應用技術［M］．北京：機械工業(yè)出版社，2007 ［7］陳建明，等．電氣控制與PLC應用［M］．北京：電子工業(yè)出版社，2006 ［8］李國厚，楊青杰，余澤通．球磨機潤滑站控制系統的設計［J］．金屬礦山，2005(9)：74-75 ［9］丁紀凱，許逸舟．基于PLC和現場總線的污水處理系統［J］．機電一體化，2006(1)：80．83 ［10］吳中立．礦井通風與安全［M］．徐州：中國礦業(yè)大學出版社，1989：138 ［11］傅貴，秦躍平，楊偉民，等．礦井通風系統分析與優(yōu)化［M］．北京：機械工業(yè)出版社，1995：23 ［12］高廣軍，賈世勝，朱學軍，等．通風系統調整中常見問題及對策［J］．山西煤炭，2002，(2) ［13］徐鵬．張雙樓礦西翼通風系統調整及經濟效果分析［J］．煤礦安全，2001，(4)． ［14］石秋潔．變頻器應用基礎［M］．北京：機械工業(yè)出版社．2003 ［15］陳仕瑋．礦井主要用通風機在線監(jiān)測監(jiān)控現狀及展望［J］．煤礦安全，1999，(12)：39～41 ［16］李月紅，吳永祥．變電所監(jiān)控及其網絡系統的設計［J］．工礦自動化，2005，(3)：27～28 ［17］廖常初. 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