1、 本科 毕业 论文 (设计 ) （二零 届） 基于 PLC的煤矿矿井通风控制系统设计 所在学院 专业班级 电气工程及其自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 - 1 - 摘 要 矿井主通风机是矿井通风系统的核心设备，通风机能否正常工作，直接影响煤矿的生产活动，对主通风机实现在线监控有很重要的 意义。 本文针对通风机的工作环境、运行特点和实际需要达到的控制要求，确定了控制实施方案，即以PLC 为主控设备来实现 煤矿通风系统中的控制应用设计 。文中 探讨了通风机实现自动控制系统的系统组成和设计要点， 涉及到的硬件设备选型与传感器件选取等。设计中选用了西门子 S7 200 和瓦斯、
2、压力、温度等传感器，编制了基于PLC 的通风机实现自动控制梯形图和程序等，并通过组态软件调试实现。另外还简要地介绍了 PLC 与其他智能装置及个人计算机联网 ,组成的监控系统。 本系统提高了主通风机设备的自动化管理水平，有力地保证了主通风机设备的经 济、可靠运行，为设备的管理和维修提供了可靠的科学依据 。 关键词： PLC；通风机；传感器；监控；组态软件 - 2 - Abstract The master fan of mine is the core of the mine ventilation system equipment.Ventilators could work directl
3、y affect the coal production activities to achieve on-line monitoring of the main fan has a very important significance. In this article for environment of fan working, operational characteristics and the control requirements what is actual need. Control the implementation of the program determined
4、that the applications control of PLC as a master device to achieve the ventilation system. This paper discusses the realization of automatic control system of the ventilator system structure and design key points of the hardware equipments, involves selection and provided and the sensors selection.
5、Design chose Siemens S7-200 and gas, pressure, temperature sensors based on PLC. Prepare the ventilator achieve automatic control ladder diagram and procedures, etc and through the configuration software debugging realized. Also briefly introduces the PLC and other intelligent devices and personal c
6、omputers networked to form a monitoring system. This system improves the automation of the main ventilator device management, effectively guaranteed the main ventilator equipment, economical, reliable operation, management and maintenance for equipment to provide a reliable scientific basis. Key Wor
7、ds: PLC; fan; sensors; monitoring; configuration software - 3 - 目 录 1 引 言 .1 2 主通风机系统控制方案确定 .2 2.1 基于单片机的设计方案 .2 2.2 基于 DSP 的设计方案 .4 2.3 基于 PLC 的设计方案 .5 2.3.1 风门 .6 2.3.2 反风方法 .6 3 主控部分硬件设计 .8 3.1 PLC 选型 .8 3.2 传感器选型 .8 3.3 系统的组成和特点 .9 3.4 系统电路设计 . 11 3.4.1 系统主电路设计 . 11 3.4.2 I/O 口分配 .12 3.4.3 PLC 接
8、线图 .13 3.5 电源供电方式 .14 3.6 故障处理及保护功能 .16 4 程序设计及仿真调试 .18 4.1 温度控制部分 .18 4.2 瓦斯浓度部分 .22 4.3 压力控制部分 .23 4.4 MCGS 组态软件仿真调试 .27 4.5 调试结果说明和结论 .30 5 展 望 .31 致 谢 . 错误 !未定义书签。 参考文献 .32 附录 1 风机启动指令程序 .33 附录 2 风机启动梯形图 .36 - 1 - 1 引 言 据统计 ,我国在发生的煤矿事故中因瓦斯爆炸死亡人数是世界上主要采煤国家死亡总人数的 4 倍 ,而百万吨煤死亡率是美国的近 20 倍和印度的 12 倍 1
9、。地面空气进入井下后 ,因发生物理和化学反应 ,使井内混入了有毒性、窒息性和爆炸性的气体和粉尘。为了创造良好的井下工作环境、防止各种伤害和爆炸事故 ,保障井下作业人员身体健康和生命安全 ,因此设施对通风系统进行管理和监控的工作时很重要的。矿井通风系统主要是使在井下作业的矿工能够正常工作并使有害气体能够及时地疏散到矿外大气中去。 参阅相关资料了解到矿井主通风系统主要有通风 机、风门、风井等几部分组成，其中主通风机是系统的核心部件。根据风流在叶轮内部的流动方向可分为离心式和轴流式。 矿井的气候条件常用风流的温度、湿度及风速三个参数进行综合评价。井下工作地点最适宜的气候条件是：空气温度为 1520，
10、空气相对湿度是： 50%60%，风速的大小应根据气温的高低而定，无提升设备的风硐其最高风速为15m/s。 而矿井主通风机通风机作为矿井通风系统的核心设备，因此自然成为风机监测系统的首要监测对象。鉴于通风作业在煤矿安全生产中占据的至关重要的地位与作用，在通风系统的设计中都毫无例外地体现 了系统冗余的思想，即重复配置两台相同的通风机组， 其运行方式为一组工作 ,另一组备用 ，确保通风作业的不间断性。 目前在市场上用变频调速来控制风机的运行，通常有单片机或 PLC 控制两种方式，但在软件设计上， PLC 比单片机的编程更简洁、直观；从硬件接口考虑，单片机电路稍微复杂一些；从经济方面考虑，由于 PLC
11、 工艺的日渐成熟，小型PLC 的成本与单片机相差无几，由于要根据现场情况调整系统参数， PLC 的软件中时间参数的调整更简单，硬件接口简易可行、提高系统运行的可靠性，特别是整个系统的稳定性和抗干扰能力很强，这样更有利于售后 服务人员掌握 2。 - 2 - 2 主通风机系统控制方案确定 随着科技的发展，我国在煤矿通风上的研究也在飞速进步。目前国内发展的矿井通风机控制系统主要有基于单片机、 DSP 以及 PLC 控制系统，下面主要介绍下这几种控制手法，并在此基础上确定采用基于 PLC 的煤矿矿井通风控制系统。 2.1 基于单片机的设计方案 单片机是一种集成在电路芯片上构成的一个小而完善的计算机系统
12、，它是通过程序运行的，并且这个程序可以修改，通过不同的程序可以实现不同的功能。素以通过编写的程序可以让单片机实现高智能，高效率，以及高可靠性。以单片机为核心 的矿井通风控制系统也有出现在市场上，下面以 AT89C52单片机为例，其实现原理框图如图 2-1所示。 图 2-1 系统总体框图 图 2-1中，硬件电路设计主要包括对称和不对称短路保护、模拟嚣输入、开关量输入输出、通讯拔口、液晶显示、逻辑电路设计和集控系统硬通讯等。 图中CPU为中央控制单元，采用 AT89C52单片机，实现系统总体功能的控制： 8155为并行扩展接口，作为开关量信号输入输出和拨码盘数据输入接口；光电隔离模块为开关量信号输
13、入单元，实现对开关量信号 的隔离、整形功能； A/D转换模块实现模数转换功能，将外部采集到的模拟信号转换为 CPU可以接收的数字量，从而与整定值进行比较作为各种故障是否发生的判断标准：显示模块实时显示电网的运行状况，在发生故障时，能方便地判断故障类型，并把测控系统运行状况和发生故障时的参数通过显示器显示出来；通讯模块的作用是为了更好的对某些数据做各种模拟量输出 A / D转换 C P U 显示模块 通讯模块 8155 光电隔离 各种开关量输入输出 - 3 - 较复杂的处理，或者是需要对现场电器进行远程控制，方便实现单片机与 PC机之间通讯。 主控模块即主程序，它是整个系统软件的“总指挥”，通过
14、对各功能模块的合理调用来完成参数的检测、分析、判断从而实现系 统的整体功能，主程序流程图如图 2-2所示。 图 2-2 主程序流程图 基于单片机的煤矿矿井通风机控制系统在市面上也存在。虽然其价格比较便宜，性能也不错。但是通风机工作环境极其恶劣，就算在设计时加上种种保护，也难以避免故障的出现，造成日后维护费用过高 3。 Y Y 开始 自检与初始化 有合闸命令吗？ 分闸状态子程序 有分闸命令吗？ 调显示模块 合闸子程序 合闸子状态程序 分闸子程 序 N N 结束 - 4 - 2.2 基于 DSP 的设计方案 数字信号处理器（ Digital Signal Processing）是伴随着微电子技术的
15、迅速发展和数字信号处理理论与技术的不断完善而开发的现代高速数字信号处理单片机， 是电子信息领域的新型高科技产品 4。此方案是以 DSP为控制核心，采用变频调速驱动局部通风机来实现所需的功能，控制结构图如 2-3所示。系统能实现自动监测，外设功能参数及运行状态自动显示功能、掉电记忆、通风状态与排放瓦斯状态运行及转换功能。 图 2-3 系统结构图 软件系统功能设计包括三个主要模块： 系统初始化模块建立，用于设置系统运行环境。 人机对话模块，用于完成系统输入 /输出处理，其中包括：软启 /停、调整时钟参数、紧急故障处理、报警复位、外部输入， 并设定瓦斯报警值、实际瓦斯浓度、风速等参数显示输出。 实时
16、中断处理模块，包括系统监视中断和定时中断两种处理。系统监视中断是在系统程序受扰“跑飞”时，完成系统自恢复定时中断则完成系统工作状态的检测、数据采集、数据处理、变频控制及调解输出等。 虽然基于 DSP的矿井通风机在对电机的控制计算精准的优点，但由于通风机的工作环境比较恶劣， DSP较难适应。 显示模块 通讯模块 TMS320F240 A/D D/A 检测瓦斯、风量传感器 变频 开关量输入输出 浓度设定 浓度显示 控制逻辑 1#电动 机 2#电动机 - 5 - 2.3 基于 PLC 的设计方案 根据上述方案，分析每一种方案的优缺点、操作过程、实现的步骤和每一块功能模块的设置等，结合学习中对 PLC
17、 了解以及在对 PLC 应用实践中的所 学，再根据基于单片机方案中的主要控制流程以及 DSP 中的控制方式。明确毕业设计任务的要求下，确定了基于 PLC 方案实现的总体框图如图 2-4 所示。 图 2-4 系统总体框图 PLC 是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。它采用可以编程的储存器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。 PLC 是以嵌入式 CPU 为核心，加上输入、输出等模块。 PLC 的程序设计大多数 采用类似于继电器控制线路的梯形语言。所以我们可以很方便的根据所要实现的功能来编
18、写程序语言。 PLC在矿井通风控制系统中发挥着至关重要的作用，它是这个控制系统的核心，引导指挥着整套系统的运作顺序。并在系统中实现实时监测风机运行的各种参数；监测风门位置、风机开停状态、反风信号和电机编号等风机运行多种状态信息；控制风门开 /关、风机启 /停；自动闭锁控制，保证系统安全；具有现场控制，手动控制等多种控制方式。使用 PLC的程序编写非常方便，可以方便的调试出所要实现的功能，具有非常强的灵活性。 此外 PLC 带有硬件故障自我检 测功能，出现故障可以报警，在上位机软件中也编写了外围器件的故障自诊断程序，使外上位 工控机 PLC 模拟量输入 模块 数字量输入输出模块 串口通信模块 现
19、场触摸屏 通 风 机 流量，温度，瓦斯浓度 通风机状态 输出启停、报警 电机电参数 - 6 - 围电路也获得故障自我保护。这样就使整体控制系统具有很高的稳定性 5。 2.3.1 风门 在人员和车辆可以通行，风流不能通过的巷道中至少要建立两座风门，间距要大于运输工具的长度。风道的通断完全以来风门的开合来实现。 在本设计方案中两台通风机各有一个通道，每个通道各有三个风门，一个立式风门，一个斜风门，一个地面风门，其中前两个风门是通常系统设计中的冗余考虑，最后一个风门是调节风量和倒换风机时所用。三者都是电动风门，其中立式风门各有一台 11KW 的低压三相交流电动机拖动，采用的是左右水平推拉式，无转速调
20、节，由左右限位开关来检测风门的位置斜风门采用 40KW 的交流电动机拖动，由上下限位开关检测风门的位置，限位开关的常开或常闭触点向 PLC 发出信号并切断电机供电回路。其布局如图 2-5所示： 图 2-5 矿井主通风机示意图 2.3.2 反风方法 当矿井进风口附近、进风井口或井底车场发生火灾或瓦斯突出、煤尘爆炸时，将会产生大量的有毒、有害气体，这些有毒、有害气体随风流进入工作面将危及人的生 命，从而造成严重事故。为防止烟火和有害气体随着风流进入工作面，危害井下工人的生命安全，必须在很短的时间内，改变风流方向，防止灾害的蔓延，缩小灾害范围，以保障井下工作人员的安全撤出。 改变通风系统正常风流的方向叫做反风。用于反风的各种设备和设施叫做反风装置。它主要由反风道、闸门和慢速绞车等组成。为了保证矿井的安全生产，矿井必须安装反风装置。 通风机的反风方法一般来说有两种：一种是利用反风道反风，另一种是利用
