基于PLC的矿井通风机监控系统设计.pdf

Co al Mi n i n g Te c h n o l o g y 基于 P L C的矿井通风机监控系统设计 雷 军 天地 常州 自动化股份有限公司 【 摘要 】 在煤矿的生产中，矿井通风系统作用极为重要，它 是煤矿安全 生产 的重要部分。 而矿井通风机 更为矿 井通风 系统的主 要设备之 一，所以针 对这里的 P L C控制的 变频调速 系统的设计和研 究既能大大提 高煤矿 生产的机械化、 自动化水平 ，又可以节省大量 的电能，可以大大提 高经济效益 。本文基 于 P L C对矿井通 风机对 P L c监测 系统进行 了设计 。 【 关键词 】 P L C控制；变频调速技术；矿井通风机 1 系统的硬件设计 1 ． 1主 电路 主 电路中 M A 1 、 M A 2为对旋式轴流风机的两台 电机，交流接触器 Q A 4 、Q A 6控制 M A I 、M A 2工频运行 ；交流接触器 Q A 3 、Q A 5 控制 M A I 、 M A 2变频运行 ；Q A 1为主 电路 电源隔离开关；F A为主电路熔断器 ； B B 1 、B B 2为电机 M A 1 、M A 2热继 电器。 1 ． 2 控制 电路 的设计 在控制 电路部分利用 P L C进行控制可提高系统可靠性、节省大 量 的继 电器 、实 现 复杂 逻辑 控制 及 模拟 量控 制等 。控 制系 统 为 S i e m e n s S 7 2 0 0系列 C P U 2 2 6 ，同时外部扩展 E M 2 3 5和 E M 2 3 1模块 。 控制系统接线 。 1 ． 3变频器与 P L C的连接 以变频器 的故障信 号输 出接 P L C的 I O ． 4端 口，P L C的输 出端 口 Q 0 ． 4与 Q O ． 5接变频器的数字输入端 D I N 1 和 D I N 3 ， 用于变频器启动 和停止控 制。压 力传感 器采集 的信号经 P L C处理后， 由 E M 2 3 5模块 的 3口和 5口输出，连接 M M 4 3 0变频器 的A I N 和 A I N 一 端 口，进而控 制两台电机的运行。 1 ． 4风量 的控制算法 通风机稳定运行时 ，风机 的风量 、风压 、功率 与转速有 以下关 系 Q l／ Q 2 n l ／ n 2 ； P 1 ／ P 2 n l ／ n 2 。 ； N 1 ／ N 2 n l ／ n 2 。 n 、n 2 一通风机调节 前后 的转速 ，r ／ m i n ；P 。 、P 2 一通风机转速调 节前后 的风压 ，P a ；N 、N 。 一通风机转速调节前后的功率，w 。 风机工频运行时在稳定工作区 出气静压为 8 8 ． 2 2 2 9 6 ． 0 P a ， 风机管道 出气风量为 1 ． 5 O 一 2 ． 6 6 m 3 ／ s 设某井下工作要 l 9人，每 人每 分钟 需出气风量 5 m 。 ／ s ，可算出要求的出气风量为 Q I ． 6 1Il 3 ／ s 。令 n 2 9 0 0 r ／ m i n ，Q l 2 ． 6 6 m 3 ／ s ，f l 5 0 H z ，Q 2 1 ． 6 0 m 3 ／ s ，根据风机 的 比 例定律可 得开始掘进时风机变频调速 的起始速 n z Q - ／ n 1 7 4 4 r ／ m i n 。再根据 风机转速 与输入 电源频率的线性关系可得 Q 1 ． 6 0 m 。 ／ s时变频器输 出给风机 的电源 电压频率 f 2 n ／ n 。 f 3 0 H z 。 以开始风机的管网阻力 最小为 R 0 ， 输入电源 电压 频率为 3 0 H z 变 频器设定 ，工作的工况 点为 0 。此 工况 点的风量 Q 0 1 ． 6 0 m ／ s ，风 压 P o 3 3 ． 8 P a ， 风机转速 n 。 1 7 4 4 r ／ m i n 。根据变频器 的输 出频率与其 输入模拟电压的线性关系，可 知 f o 3 O H Z时，对应变频器 的模拟输 入 电压 U 。 3 0 ／ 5 0 i 0 6 ． O V 。当风机的管 网阻力 由 R 。 增加到 R ，时 ， 工况点 由 0到 1 ，风量 由Q 。 减小到 Q 。 。此 时，压力传感器采集 的压 力为 P ，可 由风机 比例式得工况点 3的压力 值。 鲁 卺 ] 2 [ 蚤 ] ] 式 中P t ，P 3 一工况点 l 、3时出气风压 ，P a ；n ，n 3 一工况点 1 、 3时风机转速 ，r ／ m i n ；f 。 ，f 3 一 工况点 1 、3时变频器输出电压频率 ， H Z ；u ，U 3 一工况 点 1 、3时变频器输入模拟 电压，V 。 ， 、Z l l x 3 6 4 l 华东科技 式中工况点 3为风机 工频运行是 的工况点 ，n 3 2 9 0 0 r ／ m i n ， f 3 5 0 H Z ，u 3 1 0 V ，且 n l n o ，f 。 f 。 ，U I u 。 ，P 由压力传感器测得 。 根据风机工频的 p - Q特性 曲线方程把 由式 4 2 求得的 P 代入 ， 可求得此压力对应的风量 到设定的 1 ． 6 0 m 。 ／ s时 ， 需要给变 频器 的模 拟输入 电压 u 。 Q ，Q 3 - 工况 点 2 、3时风机风 量，m 。 ／ s ；n 2 ， n 3 - 工况点 2 、3时风机转速，r ／ m i n ；f 2 ， f 3 - 工况点 2 、3时变频器 输出电压频率 ，H z ；U z ， U 3 - 工况 点 2 、3时变 频器输入模拟电压，V 。则u 最后， 把求得的模拟输入电压值输出给变频器 的模拟量控制端 ， 便可使风机的转速调节到 n ，使风机 的风量达到设 定的 1 ． 6 0 m 。 ／ s 。 同理 ，当风机的管网阻力再变化时，根据采集 的风压大小 ，依据此 算法 即可及时地调节风机的转速，控制风机 的风量 。 2主 通风机 监控系统的软件设计 2 ． 1 P L C软件设计 P L C软件部分用 S T E P 7 一 M i c r o ／ W I N编程 。 程序包括主控制程序 、参数初始化子程序 0 、模拟量 模块检 查 子程序 1 、电机轴承 ，定子温度采样求平均值子程序 2 、振动传 感器 采样 求平均值子程序 3 、风压采样及模拟输入 电压和风量计算子程 序 4 、变频器模拟输入 电压 中断程序 0以及报警中断程序。 2 ． 1 ． 1主控制程序流程 在 P L C主控制程 序在执 行时先判断风机是否 自动变频运行 。是 则调用参数初始化子程序 0和模块连接检查子程序 1 ，若 E M 2 3 5和 E M 2 3 1 模块连接有错误，则程序 结束 若检 查 E M 2 3 5和 E M 2 3 1 模块 连接无错误 ，则调用子程序 2 、3 、4采集 电机定子轴承温度 ，振动 参数和风机的管网压力大小。然后根据 设置 的定时 中断时 间，定时 连接变频器 的模拟输入 电压中断程序 0 ，再判 断变频器是否有故障 ， 电机温度是否超限 以及 电机是否振动异常。都不 ，则把根据采集风 压计算 的模拟 电压值输 出给变频器，进行风机 的变频调速控制 ；当 风机不进行 自动变频运行时 ，判断其是否手动变频运行 。是则程序 开始执行判断频器是否有故障 ；不是则风机进 行工频运行 。 2 ． 1 ． 2子程序 0和 l 程序流程 子程序 0是寄存器 中有关参数 的初始化，包括温度 采样平 均值 初始化、风压采样平均值初始化、模拟 电压及风量计算系数初始化 、 振动参数采样初始化等 。 2 ． 1 ． 3子程序 2和 3程序流程 子程序 2用于采 集电机 定子和轴承温度 ，把采集的数值累加求 平均值作为一次采集值 。子程序 3用来采集轴 承的振动参数，把采 集的数值累加求平均值作为 一次采集值 。最后 由P L C分析数据 ，包 括定子和轴承的温度是否超标 、轴承振动是否异常 以判断是否报警 或断 电。 2 ． 1 ． 4子程序 4程序流程 子程序 4用来从压力传感器中采集风 压信号 ，并把采集 的数值 累加 。次数达 1 0 0 0次 时求平均数值作为一次采集的出气压力值。因 P L C采集 的电压值在 O - 3 2 0 0 0间 ，需根据传感器采集 的压力值与输 出电压的线性关系 ，把 P L C采集的数值转换成 实际的风压值 。再根 据风量达到 1 ． 6 m 。 ／ s时变频器所需模拟输入电压值 与出气风压 的拟 合方程 ，求此风压对应 的模拟输入电压值。再根据采集风压转换 到 工频风压对应 的风量与采集风压的拟合方程， 求得风压对应 的风量 。 2 ． 1 ． 5中断子程序 下转第 3 6 7页