基于PLC的礦井通風控制系統(tǒng)設計

1、列表1簡介12創(chuàng)建設計方案13系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理23.1系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)23.2系統(tǒng)控制原理23.3系統(tǒng)工作原理33.4頻率控制原理43.5 pid曹征原理簡介54提高風扇設備的綜合效率74.1風扇速度調(diào)節(jié)74.2軸流風扇葉片安裝角度曹征84.3更換馬達8使用4.4“字母”風扇95硬件設計95.1選擇plc類型95.2變頻器類型選擇和布線方法105.3氣體傳感器選擇105.4壓力傳感器選擇11選擇5.5變送器115.6選擇電動機125.6電源的電源125.7故障排除和保護功能146軟件實施156.1 plc i/o分配156.2 plc接線圖166.3程序控制流程圖166.4程序調(diào)試、測試和監(jiān)視17

2、6.5主機計算機聯(lián)機調(diào)試186.6軟件操作需要注意197結(jié)論19薩莎20參考文獻20附錄1流程列表22引言1礦井通風控制是地下開采、挖掘行業(yè)不可缺少的渡邊杏環(huán)節(jié)。特別是在瓦斯?jié)舛葒栏竦墓ぷ髅?，井下通風和瓦斯含量對工人來說很重要。因此礦井通風的控制具有理論和實際意義，近年來受到了特別關注。通風控制主要是控制礦井風流，調(diào)節(jié)通風機的速度，調(diào)節(jié)風流狀態(tài)。地下環(huán)境惡劣，風浪的壓力往往被各種干擾變化不定，難以掌握。原來人工控制了通風，每次都不能準確定位礦井的風量，所以很難準確控制風扇的啟動。另外，故障多，可靠性低等，在整頓上面臨很大的困難。過去，通風控制系統(tǒng)的很大一部分是變速牽引，沒有變速馬達的電力大部分

3、是適應風量變化的，經(jīng)常的啟動停止風扇消耗，使電機在效率低下的地區(qū)工作，縮短短電機壽命，由于電機頻繁啟動停止，設備故障率高，系統(tǒng)裴珉姬維修、裴珉姬維修工作量大。另一方面，由于氣流的隨機性，使用的氣流是動態(tài)的，采用現(xiàn)有方法很難確保通風的實時性。從總體最佳目標要求開始，控制設計中必須考慮這些因素。為此，必須找到并應用有效的理論，以滿足這些要求，使設計簡單易行。針對上述問題，本文利用自動控制改善了整個礦井通風系統(tǒng)，以感興趣地區(qū)的主風流為現(xiàn)狀，以地下環(huán)境擾動為外部擾動輸入，以通風機輸出功率為控制輸入，并根據(jù)實際氣體濃度、風流流速檢測延遲，應用控制理論和技術(shù)解決這些礦井通風控制問題，全面追求技術(shù)和經(jīng)濟的最

4、佳利益。2創(chuàng)建設計方案使用頻率控制來控制風扇的操作。一般來說，有兩種方法可以實現(xiàn)單片機或plc控制，但是在軟件設計中，plc比單片機的編程更簡單、更直觀。在硬件接口中，單片機電路有點復雜。從經(jīng)濟的角度來看，由于plc過程變得成熟，小型plc成本與單片機幾乎沒有區(qū)別，因此需要根據(jù)現(xiàn)場情況調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)，更容易調(diào)整plc軟件的時間參數(shù)，硬件接口簡單、可行，系統(tǒng)運行的可靠性，特別是整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾能力，具有售后服務人員可以掌握的優(yōu)點。該設計結(jié)合plc和變頻器構(gòu)成了自動通風控制系統(tǒng)，可以更好地優(yōu)化現(xiàn)有通風系統(tǒng)，解決現(xiàn)有系統(tǒng)能耗大、通風質(zhì)量低等諸多問題，利用plc進行邏輯控制，利用變頻器調(diào)節(jié)電機速

5、度，自動控制電機速度，在保持一定壓力條件的情況下控制風量。系統(tǒng)通過氣體傳感器檢測氣體濃度和壓力傳感器檢測到的聲壓，通過變送器發(fā)送到plc進行比較、判斷，并向變頻器發(fā)送控制信號，從而調(diào)節(jié)通風電機的速度，實現(xiàn)最佳控制。該系統(tǒng)必須具有“變頻/工頻”開關功能，如果變頻器出現(xiàn)故障或電動機需要在工頻狀態(tài)下長時間運行，可以通過手動和自動切換、手動“啟動/停止”功能、電動機過熱保護、聲光報警等功能提高系統(tǒng)可靠性。3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理3.1系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架如圖1所示，整個控制系統(tǒng)主要由plc、變頻器、氣體傳感器、壓力傳感器、電動機組、通風設備等組成，該系統(tǒng)主設備是使用plc，控制部件是通過變頻操作的通風

6、電動機，主參數(shù)是氣體濃度。電源頻率/頻率轉(zhuǎn)換通風機馬達變送器壓力傳感器手動/自動聲光報警380v交流電變頻器plc氣體傳感器圖1系統(tǒng)控制方塊圖3.2系統(tǒng)控制原理通過安裝在礦井內(nèi)部的氣體傳感器和壓力傳感器，將信號作為標準電氣信號傳送到發(fā)射器，傳送到pid調(diào)節(jié)器，比較操作和給定的壓力參數(shù)，將曹征參數(shù)傳送到變頻器，由變頻器控制風扇電機的速度。如圖2所示，系統(tǒng)操作主電路根據(jù)系統(tǒng)進入自動狀態(tài)時檢測到的礦井內(nèi)負壓的大小，首先檢測通風電動機m1軟起動、變頻運行及其值，設置值后，系統(tǒng)以恒定速度進入當前狀態(tài)。否則，頻率上升到50hz，m1工頻操作，如果尚未設定，系統(tǒng)軟起動m2電動機，變頻操作將無沖擊地切換到工頻

7、電源，直到礦井的負壓達到設定值，實現(xiàn)通風電動機循環(huán)軟起動。所需的負壓降低后，m2電動機速度逐漸下降到一定的低速值。例如，當井的負壓高于設置值時，電動機停止運行。停止一臺電動機后，如果保持在設定值以上，系統(tǒng)會將m1電動機從功率頻率切換到頻率轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)通風電動機循環(huán)，直到壓力等于設定值。m3是備用電動機，如果m1或m2出現(xiàn)故障，或需要維修和緊急情況，請激活m3電動機以實現(xiàn)正常運行目的。圖2系統(tǒng)工作主電路圖控制系統(tǒng)可以從一個變頻器中引入兩個電動機，m1、m2、m3電動機可以在正常工頻模式下運行，m1、m2可以在變頻模式下運行。每個電動機只能處于變頻或工頻操作模式，并通過plc的程序和外部接觸器徐璐鎖

8、定，以確保安全可靠的操作。使用放置在礦井內(nèi)部的傳感器將信號傳輸?shù)桨l(fā)射器，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，然后傳輸?shù)絧lc，在plc內(nèi)部比較值，然后控制變頻器，控制電機的速度。電動機的啟動和停止分別由plc內(nèi)部變量確定。根據(jù)所需負壓的大小，通過plc控制工作組電動機數(shù)量的增加或減少以及變頻器對電動機速度的調(diào)節(jié)，實現(xiàn)穩(wěn)定的負壓值1。利用變頻器控制通風電機的速度，自動調(diào)節(jié)風機運行臺數(shù)，完成系統(tǒng)閉環(huán)控制，達到穩(wěn)定負壓和節(jié)能的目的。系統(tǒng)隨機設定所需的負壓值，反饋值通過pid調(diào)節(jié)后的調(diào)速裝置調(diào)節(jié)通風電機的運行速度，調(diào)節(jié)井內(nèi)氣體濃度。與傳統(tǒng)的手動控制相比，該控制系統(tǒng)具有通風質(zhì)量、靈活性、能耗降低、電動機啟動/停止等諸多優(yōu)點

9、。3.3系統(tǒng)工作原理此系統(tǒng)有兩種操作方法：自動和手動。(1)手動運行此系統(tǒng)具有手動/自動轉(zhuǎn)換開關。開關手動切換后，現(xiàn)場可以啟動和停止每個通風馬達。如果發(fā)射器或變頻器出現(xiàn)故障，三個通風電動機將分別以手動開工頻率運行，以確保穩(wěn)定的通風。此頻率主要用于維修或發(fā)射器和變頻器故障，僅用于費翔。(2)自動運行切換開關切換到自動狀態(tài)后，電動機的啟動/停止和變頻/工頻切換完全由plc根據(jù)礦井內(nèi)的通風狀態(tài)和程序內(nèi)部的設置自動調(diào)節(jié)，最終由現(xiàn)場無人值守系統(tǒng)本身自動運行。關閉自動開關后，m1通風電動機將通電，在變頻器輸出頻率從0hz上升的同時，plc接收傳感器的信號，通過運算控制變頻器與給定參數(shù)相比較，調(diào)節(jié)電機速度，

10、空氣量不足時，頻率上升到50hz，m1通過變頻轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換為功率頻率，由m2電動機頻率轉(zhuǎn)換啟動，變頻器逐漸提高頻率，直到滿足設定值。變頻自動功能是該系統(tǒng)最基本的功能，系統(tǒng)自動完成兩個通風電機的軟起動、停止、循環(huán)變頻的整個運行過程。3.4頻率控制原理變頻通風控制主要由變頻器、控制系統(tǒng)、電動機和傳感器組成。該系統(tǒng)通過控制變頻器，0 50hz之間的頻率到50hz的交流輸出，實現(xiàn)了礦井通風機的最佳控制，并可以在變頻系統(tǒng)為開環(huán)時，將設備設置為手動控制所有頻率下的電機速度。當變頻系統(tǒng)是閉環(huán)時，隨著反饋等要求的變化，自動獲得相應的頻率。通風電動機通常由三相交流劉濤電動機拖動，風扇的速度調(diào)節(jié)通過調(diào)節(jié)該電動機的速度

11、來實現(xiàn)。我們知道異步電動機速度n=60f(1-s)/p。在此公式中，f是電動機電源的頻率，p是電動機的極對數(shù)，s是滑動率(0 3%或0 6%)。上述馬達的速度公式為：變更馬達速度的方法有三種：(1)變更馬達的頻率。(2)改變電機的公差速度s。(3)變更馬達的極對數(shù)p。通過對上述三種方法的分析可以知道。變更馬達速度的最佳方法是變更馬達電源的頻率。變化率s的范圍在(0 3%或0 6%)之間，因此，此變化率s對馬達的影響很小，速度調(diào)節(jié)效果不明顯，效率相對低。極對數(shù)p改變方法首先是不容易的，其次是根據(jù)電動機的工作原理，電動機的極數(shù)是固定的。極值不是連續(xù)值(例如，如果極數(shù)為2，4，6，則為2的倍數(shù))，因

12、此通常不適合通過更改極對數(shù)p來調(diào)整電動機速度。馬達速度n與電源的頻率f成比例變更三相交流馬達的頻率f非常容易變更馬達的速度n，頻率f可以在馬達外部調(diào)整后再供給馬達，因此可以自由控制馬達的旋轉(zhuǎn)速度，比變更極對數(shù)p和旋轉(zhuǎn)速度s兩個參數(shù)要方便得多。實際上，只改變電動機的頻率，并不能很好地實現(xiàn)變頻特性。電壓恒定，頻率下降到低于50hz時，電動機氣隙磁通(約v/f)飽和。相反，如果電壓恒定，頻率大于50hz，則會發(fā)生磁通量減弱。因此，實際應用頻率控制時，基本上必須同時更改電壓v和頻率f以保持恒定磁通量。馬達產(chǎn)生的扭矩通常隨頻率的降低而減少(速度降低)。利用磁通量矢量控制的變頻器，低速電機的轉(zhuǎn)矩缺陷得到了

13、改善，低速區(qū)域電機也能輸出足夠的轉(zhuǎn)矩。矢量控制具有提高低頻頻率下變頻器輸出電壓的功能，補償定子電阻中電壓下降引起的輸出轉(zhuǎn)矩損失，從而改善電機輸出轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩。如果馬達的低速輸出扭矩不足，則向量控制允許馬達在低速旋轉(zhuǎn)時的輸出扭矩達到50hz的馬達輸出扭矩。對于常規(guī)v/f控制，隨著電動機速度的降低，電動機的電壓降相對增加，由于缺少勵磁，電動機可能無法獲得足夠的轉(zhuǎn)動力。為了補償這種不足，變頻器必須提高電壓，補償由于電機速度降低而引起的電壓下降。轉(zhuǎn)矩升降功能是提高變頻器的輸出電壓。但是，即使提高輸出電壓，馬達電流也包含馬達產(chǎn)生的扭矩元件和其他元件，因此馬達扭矩不會隨電流成比例增加。矢量控制分布電動機的電

14、流值，以確定產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電動機的電流分量和其他電流分量的值。矢量控制通過對電動機末端電壓降的響應，可以執(zhí)行優(yōu)化補償，使電動機輸出允許大轉(zhuǎn)矩，而不增加電流。3.5 pid曹征原理簡介在通風控制系統(tǒng)中，發(fā)射器將傳感器中的信號轉(zhuǎn)換為電壓量或載流量，并向pid模塊(plc高級模塊)發(fā)送反饋，pid將壓力反饋信號與給定信號進行比較，然后將proportion、integral、differential coefficient、differential coefficient、differential(1)比較和判斷功能是給定負壓的信號，傳感器的反饋信號是，pid調(diào)節(jié)器首先比較上述信號以獲得偏差信號(1)然

15、后根據(jù)值按以下方式判斷：表示通風量低于指定值，電動機需要加速。也就是說，大的話所需的空氣量要少得多，要提高馬達速度。如果設定為-，則滲透量必須高于指定值，且馬達必須減速。小，所需風量高得多，說明馬達要減速。使用的風量q增加，導致通風不足時出現(xiàn)偏差信號。的大小與負壓成正比，但具體數(shù)字因模型而異。圖3 pid功能圖(a)增加風量(b)降低聲壓(c)p曹征后的風量(d)p曹征后負壓(e)pi曹征后風量(f)pi曹征后負壓(g)pid曹征后風量(h)pid曹征后負壓這些控件的基本原理是僅依賴的變化，但如果值非常快，則值不能減少到0，并且是靜態(tài)的。(2)p(比例)功能簡單地說，p功能是按比例放大值。這樣

16、，即使值較小，電動機的速度也可以快速調(diào)整，從而減小靜態(tài)差。但是，如果將p值設置得較大，則靈敏度會較高，通風壓力達到給定值的速度會更快。但是，由于拖動系統(tǒng)的慣性，很容易發(fā)生過載(風壓超過指定值)。所以要回到相反的方向，回調(diào)也很容易復蓋。結(jié)果是氣流q在新氣流中振蕩，而風壓在指定值中振蕩。(3)發(fā)生i(積分)功能振動現(xiàn)象的原因主要是馬達的速度增加過程和降速過程太快。i(積分)功能用于減緩上升速度和降速，以緩解p功能過度設置導致的過載。i功能與p功能相結(jié)合將成為pi功能。(4)d(微分)功能添加了d(微分)功能，以克服i值設置過高導致的缺陷。d功能是使用x的變化率()作為自己的輸出信號。風量剛增加，負壓剛下降，最大。隨著電機速度的逐漸上升，負壓的逐步恢復迅速衰退。d功能與pi功能相結(jié)合，可獲得pid調(diào)節(jié)功能2。pid功能圖如圖3所示。4提高風扇設備的綜合效率通風機裝置是礦井通風的心臟，是通風系統(tǒng)最重要的部分。它力氣大，日夜不停地運轉(zhuǎn)，耗電量大。統(tǒng)計了占全部礦山電力16%的全國統(tǒng)一煤礦的平均主扇電力。要改造主風扇，就要提高風扇裝置綜合效率，即在系統(tǒng)改造的基礎上，通過調(diào)整風扇速度、刀片安裝角度曹征等措施提高效率，盡量避免更換風扇，因為風扇更換投資、