基于PLC的礦井通風(fēng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、列表1簡(jiǎn)介12創(chuàng)建設(shè)計(jì)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(jiǎn)介54提高風(fēng)扇設(shè)備的綜合效率74.1風(fēng)扇速度調(diào)節(jié)74.2軸流風(fēng)扇葉片安裝角度曹征84.3更換馬達(dá)8使用4.4“字母”風(fēng)扇95硬件設(shè)計(jì)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(dòng)機(jī)125.6電源的電源125.7故障排除和保護(hù)功能146軟件實(shí)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(cè)試和監(jiān)視17

2、6.5主機(jī)計(jì)算機(jī)聯(lián)機(jī)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(xiàn)20附錄1流程列表22引言1礦井通風(fēng)控制是地下開(kāi)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?yán)格的工作面，井下通風(fēng)和瓦斯含量對(duì)工人來(lái)說(shuō)很重要。因此礦井通風(fēng)的控制具有理論和實(shí)際意義，近年來(lái)受到了特別關(guān)注。通風(fēng)控制主要是控制礦井風(fēng)流，調(diào)節(jié)通風(fēng)機(jī)的速度，調(diào)節(jié)風(fēng)流狀態(tài)。地下環(huán)境惡劣，風(fēng)浪的壓力往往被各種干擾變化不定，難以掌握。原來(lái)人工控制了通風(fēng)，每次都不能準(zhǔn)確定位礦井的風(fēng)量，所以很難準(zhǔn)確控制風(fēng)扇的啟動(dòng)。另外，故障多，可靠性低等，在整頓上面臨很大的困難。過(guò)去，通風(fēng)控制系統(tǒng)的很大一部分是變速牽引，沒(méi)有變速馬達(dá)的電力大部分

3、是適應(yīng)風(fēng)量變化的，經(jīng)常的啟動(dòng)停止風(fēng)扇消耗，使電機(jī)在效率低下的地區(qū)工作，縮短短電機(jī)壽命，由于電機(jī)頻繁啟動(dòng)停止，設(shè)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(jī)性，使用的氣流是動(dòng)態(tài)的，采用現(xiàn)有方法很難確保通風(fēng)的實(shí)時(shí)性。從總體最佳目標(biāo)要求開(kāi)始，控制設(shè)計(jì)中必須考慮這些因素。為此，必須找到并應(yīng)用有效的理論，以滿足這些要求，使設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單易行。針對(duì)上述問(wèn)題，本文利用自動(dòng)控制改善了整個(gè)礦井通風(fēng)系統(tǒng)，以感興趣地區(qū)的主風(fēng)流為現(xiàn)狀，以地下環(huán)境擾動(dòng)為外部擾動(dòng)輸入，以通風(fēng)機(jī)輸出功率為控制輸入，并根據(jù)實(shí)際氣體濃度、風(fēng)流流速檢測(cè)延遲，應(yīng)用控制理論和技術(shù)解決這些礦井通風(fēng)控制問(wèn)題，全面追求技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的最

4、佳利益。2創(chuàng)建設(shè)計(jì)方案使用頻率控制來(lái)控制風(fēng)扇的操作。一般來(lái)說(shuō)，有兩種方法可以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)或plc控制，但是在軟件設(shè)計(jì)中，plc比單片機(jī)的編程更簡(jiǎn)單、更直觀。在硬件接口中，單片機(jī)電路有點(diǎn)復(fù)雜。從經(jīng)濟(jì)的角度來(lái)看，由于plc過(guò)程變得成熟，小型plc成本與單片機(jī)幾乎沒(méi)有區(qū)別，因此需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)，更容易調(diào)整plc軟件的時(shí)間參數(shù)，硬件接口簡(jiǎn)單、可行，系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，特別是整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾能力，具有售后服務(wù)人員可以掌握的優(yōu)點(diǎn)。該設(shè)計(jì)結(jié)合plc和變頻器構(gòu)成了自動(dòng)通風(fēng)控制系統(tǒng)，可以更好地優(yōu)化現(xiàn)有通風(fēng)系統(tǒng)，解決現(xiàn)有系統(tǒng)能耗大、通風(fēng)質(zhì)量低等諸多問(wèn)題，利用plc進(jìn)行邏輯控制，利用變頻器調(diào)節(jié)電機(jī)速

5、度，自動(dòng)控制電機(jī)速度，在保持一定壓力條件的情況下控制風(fēng)量。系統(tǒng)通過(guò)氣體傳感器檢測(cè)氣體濃度和壓力傳感器檢測(cè)到的聲壓，通過(guò)變送器發(fā)送到plc進(jìn)行比較、判斷，并向變頻器發(fā)送控制信號(hào)，從而調(diào)節(jié)通風(fēng)電機(jī)的速度，實(shí)現(xiàn)最佳控制。該系統(tǒng)必須具有“變頻/工頻”開(kāi)關(guān)功能，如果變頻器出現(xiàn)故障或電動(dòng)機(jī)需要在工頻狀態(tài)下長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，可以通過(guò)手動(dòng)和自動(dòng)切換、手動(dòng)“啟動(dòng)/停止”功能、電動(dòng)機(jī)過(guò)熱保護(hù)、聲光報(bào)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(gè)控制系統(tǒng)主要由plc、變頻器、氣體傳感器、壓力傳感器、電動(dòng)機(jī)組、通風(fēng)設(shè)備等組成，該系統(tǒng)主設(shè)備是使用plc，控制部件是通過(guò)變頻操作的通風(fēng)

6、電動(dòng)機(jī)，主參數(shù)是氣體濃度。電源頻率/頻率轉(zhuǎn)換通風(fēng)機(jī)馬達(dá)變送器壓力傳感器手動(dòng)/自動(dòng)聲光報(bào)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(guò)安裝在礦井內(nèi)部的氣體傳感器和壓力傳感器，將信號(hào)作為標(biāo)準(zhǔn)電氣信號(hào)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(fēng)扇電機(jī)的速度。如圖2所示，系統(tǒng)操作主電路根據(jù)系統(tǒng)進(jìn)入自動(dòng)狀態(tài)時(shí)檢測(cè)到的礦井內(nèi)負(fù)壓的大小，首先檢測(cè)通風(fēng)電動(dòng)機(jī)m1軟起動(dòng)、變頻運(yùn)行及其值，設(shè)置值后，系統(tǒng)以恒定速度進(jìn)入當(dāng)前狀態(tài)。否則，頻率上升到50hz，m1工頻操作，如果尚未設(shè)定，系統(tǒng)軟起動(dòng)m2電動(dòng)機(jī)，變頻操作將無(wú)沖擊地切換到工頻

7、電源，直到礦井的負(fù)壓達(dá)到設(shè)定值，實(shí)現(xiàn)通風(fēng)電動(dòng)機(jī)循環(huán)軟起動(dòng)。所需的負(fù)壓降低后，m2電動(dòng)機(jī)速度逐漸下降到一定的低速值。例如，當(dāng)井的負(fù)壓高于設(shè)置值時(shí)，電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)行。停止一臺(tái)電動(dòng)機(jī)后，如果保持在設(shè)定值以上，系統(tǒng)會(huì)將m1電動(dòng)機(jī)從功率頻率切換到頻率轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)通風(fēng)電動(dòng)機(jī)循環(huán)，直到壓力等于設(shè)定值。m3是備用電動(dòng)機(jī)，如果m1或m2出現(xiàn)故障，或需要維修和緊急情況，請(qǐng)激活m3電動(dòng)機(jī)以實(shí)現(xiàn)正常運(yùn)行目的。圖2系統(tǒng)工作主電路圖控制系統(tǒng)可以從一個(gè)變頻器中引入兩個(gè)電動(dòng)機(jī)，m1、m2、m3電動(dòng)機(jī)可以在正常工頻模式下運(yùn)行，m1、m2可以在變頻模式下運(yùn)行。每個(gè)電動(dòng)機(jī)只能處于變頻或工頻操作模式，并通過(guò)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(hào)傳輸?shù)桨l(fā)射器，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，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(jī)的速度。電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)和停止分別由plc內(nèi)部變量確定。根據(jù)所需負(fù)壓的大小，通過(guò)plc控制工作組電動(dòng)機(jī)數(shù)量的增加或減少以及變頻器對(duì)電動(dòng)機(jī)速度的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的負(fù)壓值1。利用變頻器控制通風(fēng)電機(jī)的速度，自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)運(yùn)行臺(tái)數(shù)，完成系統(tǒng)閉環(huán)控制，達(dá)到穩(wěn)定負(fù)壓和節(jié)能的目的。系統(tǒng)隨機(jī)設(shè)定所需的負(fù)壓值，反饋值通過(guò)pid調(diào)節(jié)后的調(diào)速裝置調(diào)節(jié)通風(fēng)電機(jī)的運(yùn)行速度，調(diào)節(jié)井內(nèi)氣體濃度。與傳統(tǒng)的手動(dòng)控制相比，該控制系統(tǒng)具有通風(fēng)質(zhì)量、靈活性、能耗降低、電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)/停止等諸多優(yōu)點(diǎn)

9、。3.3系統(tǒng)工作原理此系統(tǒng)有兩種操作方法：自動(dòng)和手動(dòng)。(1)手動(dòng)運(yùn)行此系統(tǒng)具有手動(dòng)/自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)。開(kāi)關(guān)手動(dòng)切換后，現(xiàn)場(chǎng)可以啟動(dòng)和停止每個(gè)通風(fēng)馬達(dá)。如果發(fā)射器或變頻器出現(xiàn)故障，三個(gè)通風(fēng)電動(dòng)機(jī)將分別以手動(dòng)開(kāi)工頻率運(yùn)行，以確保穩(wěn)定的通風(fēng)。此頻率主要用于維修或發(fā)射器和變頻器故障，僅用于費(fèi)翔。(2)自動(dòng)運(yùn)行切換開(kāi)關(guān)切換到自動(dòng)狀態(tài)后，電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)/停止和變頻/工頻切換完全由plc根據(jù)礦井內(nèi)的通風(fēng)狀態(tài)和程序內(nèi)部的設(shè)置自動(dòng)調(diào)節(jié)，最終由現(xiàn)場(chǎng)無(wú)人值守系統(tǒng)本身自動(dòng)運(yùn)行。關(guān)閉自動(dòng)開(kāi)關(guān)后，m1通風(fēng)電動(dòng)機(jī)將通電，在變頻器輸出頻率從0hz上升的同時(shí)，plc接收傳感器的信號(hào)，通過(guò)運(yùn)算控制變頻器與給定參數(shù)相比較，調(diào)節(jié)電機(jī)速度，

10、空氣量不足時(shí)，頻率上升到50hz，m1通過(guò)變頻轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換為功率頻率，由m2電動(dòng)機(jī)頻率轉(zhuǎn)換啟動(dòng)，變頻器逐漸提高頻率，直到滿足設(shè)定值。變頻自動(dòng)功能是該系統(tǒng)最基本的功能，系統(tǒng)自動(dòng)完成兩個(gè)通風(fēng)電機(jī)的軟起動(dòng)、停止、循環(huán)變頻的整個(gè)運(yùn)行過(guò)程。3.4頻率控制原理變頻通風(fēng)控制主要由變頻器、控制系統(tǒng)、電動(dòng)機(jī)和傳感器組成。該系統(tǒng)通過(guò)控制變頻器，0 50hz之間的頻率到50hz的交流輸出，實(shí)現(xiàn)了礦井通風(fēng)機(jī)的最佳控制，并可以在變頻系統(tǒng)為開(kāi)環(huán)時(shí)，將設(shè)備設(shè)置為手動(dòng)控制所有頻率下的電機(jī)速度。當(dāng)變頻系統(tǒng)是閉環(huán)時(shí)，隨著反饋等要求的變化，自動(dòng)獲得相應(yīng)的頻率。通風(fēng)電動(dòng)機(jī)通常由三相交流劉濤電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，風(fēng)扇的速度調(diào)節(jié)通過(guò)調(diào)節(jié)該電動(dòng)機(jī)的速度

11、來(lái)實(shí)現(xiàn)。我們知道異步電動(dòng)機(jī)速度n=60f(1-s)/p。在此公式中，f是電動(dòng)機(jī)電源的頻率，p是電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)，s是滑動(dòng)率(0 3%或0 6%)。上述馬達(dá)的速度公式為：變更馬達(dá)速度的方法有三種：(1)變更馬達(dá)的頻率。(2)改變電機(jī)的公差速度s。(3)變更馬達(dá)的極對(duì)數(shù)p。通過(guò)對(duì)上述三種方法的分析可以知道。變更馬達(dá)速度的最佳方法是變更馬達(dá)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(duì)馬達(dá)的影響很小，速度調(diào)節(jié)效果不明顯，效率相對(duì)低。極對(duì)數(shù)p改變方法首先是不容易的，其次是根據(jù)電動(dòng)機(jī)的工作原理，電動(dòng)機(jī)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(guò)更改極對(duì)數(shù)p來(lái)調(diào)整電動(dòng)機(jī)速度。馬達(dá)速度n與電源的頻率f成比例變更三相交流馬達(dá)的頻率f非常容易變更馬達(dá)的速度n，頻率f可以在馬達(dá)外部調(diào)整后再供給馬達(dá)，因此可以自由控制馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)速度，比變更極對(duì)數(shù)p和旋轉(zhuǎn)速度s兩個(gè)參數(shù)要方便得多。實(shí)際上，只改變電動(dòng)機(jī)的頻率，并不能很好地實(shí)現(xiàn)變頻特性。電壓恒定，頻率下降到低于50hz時(shí)，電動(dòng)機(jī)氣隙磁通(約v/f)飽和。相反，如果電壓恒定，頻率大于50hz，則會(huì)發(fā)生磁通量減弱。因此，實(shí)際應(yīng)用頻率控制時(shí)，基本上必須同時(shí)更改電壓v和頻率f以保持恒定磁通量。馬達(dá)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(jī)的轉(zhuǎn)矩缺陷得到了

13、改善，低速區(qū)域電機(jī)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(bǔ)償定子電阻中電壓下降引起的輸出轉(zhuǎn)矩?fù)p失，從而改善電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩。如果馬達(dá)的低速輸出扭矩不足，則向量控制允許馬達(dá)在低速旋轉(zhuǎn)時(shí)的輸出扭矩達(dá)到50hz的馬達(dá)輸出扭矩。對(duì)于常規(guī)v/f控制，隨著電動(dòng)機(jī)速度的降低，電動(dòng)機(jī)的電壓降相對(duì)增加，由于缺少勵(lì)磁，電動(dòng)機(jī)可能無(wú)法獲得足夠的轉(zhuǎn)動(dòng)力。為了補(bǔ)償這種不足，變頻器必須提高電壓，補(bǔ)償由于電機(jī)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(dá)電流也包含馬達(dá)產(chǎn)生的扭矩元件和其他元件，因此馬達(dá)扭矩不會(huì)隨電流成比例增加。矢量控制分布電動(dòng)機(jī)的電

14、流值，以確定產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電動(dòng)機(jī)的電流分量和其他電流分量的值。矢量控制通過(guò)對(duì)電動(dòng)機(jī)末端電壓降的響應(yīng)，可以執(zhí)行優(yōu)化補(bǔ)償，使電動(dòng)機(jī)輸出允許大轉(zhuǎn)矩，而不增加電流。3.5 pid曹征原理簡(jiǎn)介在通風(fēng)控制系統(tǒng)中，發(fā)射器將傳感器中的信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓量或載流量，并向pid模塊(plc高級(jí)模塊)發(fā)送反饋，pid將壓力反饋信號(hào)與給定信號(hào)進(jìn)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(fù)壓的信號(hào)，傳感器的反饋信號(hào)是，pid調(diào)節(jié)器首先比較上述信號(hào)以獲得偏差信號(hào)(1)然

15、后根據(jù)值按以下方式判斷：表示通風(fēng)量低于指定值，電動(dòng)機(jī)需要加速。也就是說(shuō)，大的話所需的空氣量要少得多，要提高馬達(dá)速度。如果設(shè)定為-，則滲透量必須高于指定值，且馬達(dá)必須減速。小，所需風(fēng)量高得多，說(shuō)明馬達(dá)要減速。使用的風(fēng)量q增加，導(dǎo)致通風(fēng)不足時(shí)出現(xiàn)偏差信號(hào)。的大小與負(fù)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(fēng)量(b)降低聲壓(c)p曹征后的風(fēng)量(d)p曹征后負(fù)壓(e)pi曹征后風(fēng)量(f)pi曹征后負(fù)壓(g)pid曹征后風(fēng)量(h)pid曹征后負(fù)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(jiǎn)單地說(shuō)，p功能是按比例放大值。這樣

16、，即使值較小，電動(dòng)機(jī)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(shè)置得較大，則靈敏度會(huì)較高，通風(fēng)壓力達(dá)到給定值的速度會(huì)更快。但是，由于拖動(dòng)系統(tǒng)的慣性，很容易發(fā)生過(guò)載(風(fēng)壓超過(guò)指定值)。所以要回到相反的方向，回調(diào)也很容易復(fù)蓋。結(jié)果是氣流q在新氣流中振蕩，而風(fēng)壓在指定值中振蕩。(3)發(fā)生i(積分)功能振動(dòng)現(xiàn)象的原因主要是馬達(dá)的速度增加過(guò)程和降速過(guò)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(guò)度設(shè)置導(dǎo)致的過(guò)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(shè)置過(guò)高導(dǎo)致的缺陷。d功能是使用x的變化率()作為自己的輸出信號(hào)。風(fēng)量剛增加，負(fù)壓剛下降，最大。隨著電機(jī)速度的逐漸上升，負(fù)壓的逐步恢復(fù)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(fēng)扇設(shè)備的綜合效率通風(fēng)機(jī)裝置是礦井通風(fēng)的心臟，是通風(fēng)系統(tǒng)最重要的部分。它力氣大，日夜不停地運(yùn)轉(zhuǎn)，耗電量大。統(tǒng)計(jì)了占全部礦山電力16%的全國(guó)統(tǒng)一煤礦的平均主扇電力。要改造主風(fēng)扇，就要提高風(fēng)扇裝置綜合效率，即在系統(tǒng)改造的基礎(chǔ)上，通過(guò)調(diào)整風(fēng)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(fēng)扇，因?yàn)轱L(fēng)扇更換投資、