基于PLC的矿井通风控制系统设计

基于PLC的矿井通风控制系统设计矿井通风控制系统是矿井安全管理的重要组成部分。

矿井中存在着各种有害气体，如果不及时排除，将极大地影响矿工的健康和劳动生产力，甚至引发事故。

因此，对矿井中气体的监测、控制和处理显得尤为重要。

本文将介绍基于PLC的矿井通风控制系统的设计。

系统组成基于PLC的矿井通风控制系统主要由以下组成部分组成：现场信号采集模块现场信号采集模块负责采集矿井中各种有害气体的浓度、氧气浓度、风速、风量等实时数据，并将这些数据传输给PLC。

PLCPLC作为控制核心，负责接收现场信号采集模块传输的数据，并根据事先设定的控制策略进行计算，输出控制信号。

目前，在矿井通风控制系统中广泛采用西门子、施耐德等知名品牌的PLC。

数据显示与记录模块数据显示与记录模块负责将PLC输出的控制信号转化为实际控制效果，并在屏幕上显示，方便操作人员了解控制效果。

同时，该模块还可将历史数据进行记录，以便对矿井通风控制系统的运行情况进行分析和评估。

控制执行模块控制执行模块负责执行PLC输出的控制信号，并对矿井风机等设备进行控制，以满足矿井通风要求。

系统设计系统设计的关键在于确定控制策略。

控制策略应该能够满足对有害气体的监测和处理，同时具备一定的灵活性，以应对不同的矿井环境。

以下为常见的控制策略：阈值控制阈值控制是指根据一定的阈值范围，对实时采集到的气体浓度、氧气浓度、风速、风量等参数进行监测，并根据阈值调节风量和风速等措施，达到矿井通风要求。

时间控制时间控制是指根据矿井不同部位的气体情况和产煤量等因素，设定不同的通风时间和通风量，以保证矿井通风安全。

预测控制预测控制是指通过数据处理和分析，根据矿井不同部位的气体情况，预测可能发生的有害气体浓度，提前进行调整，避免事故发生。

矿井通风控制系统的重要性不言而喻。

基于PLC的控制方式，具有实时性、稳定性和精确性等优点，已经成为矿井通风控制的主流。

通过合理的控制策略设计和系统组成部分配置，可以实现对矿井通风的有效监测、控制和处理，确保矿工的安全。

基于PLC的矿井通风控制系统的设计作者：程莉来源：《消防界》2020年第12期摘要：井下空气参数的控制是矿井开采、掘进行业不可获取的部分，尤其在对瓦斯的含量需要重点调控的工作场所，矿井内的空气流通条件以及瓦斯气体浓度是对在矿井内作业人员的生命安全起决定性作用的。

PLC是把微型处理器当作中枢使用的数字化调控的工业上专门使用的处理器，即便是处于条件非常差的作业环境中，依然能够工作。

关键词：通风控制;火灾隐患;调控系统一、课题的背景及意义矿井通风的作用是把新鲜的外界空气源源不断地传送到井下，由此提高矿井内空气中氧气的含量，同时把矿井产生的有害气体排出来。

因此，矿井通风是矿井生产过程中一个尤为重要的环节，在矿山的初步建设和运营中起着非常重要的作用。

矿井的通风系统还关系着矿井的消防能力。

火灾燃烧时形成火风压，容易引起局部风流状态紊乱，甚至造成整个通风系统风流状态混乱。

矿井火灾会使井下污染区域内的人员被烧伤、中毒或窒息，会对矿井的人员和设备造成极大的损害，也会造成巨大的经济和社会损失。

良好的通风系统能有效减少火灾隐患和避免火灾事故的发生，且能抑制火势蔓延。

所以，合理地选择评价矿井通风系统对矿井的生产与安全工作至关重要。

本调控系统采用调控变频调速器，把电网供应的常规频率的交流电改变为多个频率特性进行输出，可以做到对交流电机的无级调速。

为了对矿井风机进行智能控制，变频控制系统选用开环控制，该装置可设定任意频率控制电机转速;但若变频调控系统设计成闭环模式时，会根据控制命令和反馈的信息的动态变化，自主获得适合的电机调控频率。

二、国内外发展现状近年来，煤矿产能的扩大和生产的集约化已成为趋势。

矿山设备水平迅速提高，系统得到简化，但是依然存在许多已经挖掘很长时间的老矿，系统很复杂，和许多新矿井的生产能力相比，具有比较高的集中度，给矿井作业系统带来了新的安全隐患。

矿井通风按照作用区域可以划分为三种：用于整个矿井的称之为主要通风机;在矿井内某些分支中用于调控风量、弥补主通风机不足的称之为辅助通风机;用于矿井内某些局部区域通风的称之为局部通风机。

学位论文原创性声明本人郑重声明:所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

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1 绪论煤矿矿井通风系统是煤矿矿井安全生产的重要组成部分，煤矿矿井通风系统能否正常工作与矿井内工作环境条件、生产效率、安全生产密切相关。

随着我国政府对各行各业安全生产监管力度的不断加强，尤其对煤矿安全生产的要求越来越高，对煤矿矿井通风系统进行技术改造，提高其运行稳定性、可靠性、节能降耗等势在必行。

目前在煤矿矿井通风系统中，大多仍采用继电接触器控制系统，但这种控制系统存在着体积大、机械触点多、接线复杂、可靠性低、排除故障困难等很多的缺陷；且因工作通风机一直高速运行，备用通风机停止，不能轮休工作，易使工作通风机产生故障，降低使用寿命。

针对这一系列问题，本系统将PLC与变频器有机地结合起来，采用以矿井气压压力为主控参数，实现对电动机工作过程和运转速度的有效控制，使矿井通风机通风高效、安全，达到了明显的节能效果。

PLC控制系统具有对驱动风机的电机过热保护、故障报警、机械故障报警和瓦斯浓度断电等功能特点，为煤矿矿井通风系统的节能技术改造提供一条新途径。

2 系统结构和控制方案2.1 系统的设计功能本控制系统具有通风机组的启动、互锁和过热保护等功能。

与常规继电器实施的通风系统相比，PLC系统具有故障率低、可靠性高、接线简单、维护方便等诸多优点，PLC的控制功能使通风系统的自动化程度大大提高，减轻了岗位人员的劳动强度。

PLC和变频器与空气压力变送器配合使用，使系统控制的安全性、可靠性大大提高，也使通风机运行的故障率大大降低，不仅节约了电能，而且还提高了设备的运转率。

为满足矿井通风系统自动控制的要求，系统的具体设计要求如下：（1）本系统提供手动／自动两种工作模式，具有状态显示以及故障报警等功能。

（2）模拟量压力输入经PID运算，输出模拟量控制变频器。

（3）在自动方式下，当井下压力低于设定压力下限时，两组风机将同时投入工作运行，同时并发出指示和报警信号。

（4）模拟量瓦斯输入，当矿井瓦斯浓度大于设定报警上限时，发出指示和报警。

摘要可编程控制器(PLC)是一种以微处理器为核心,综合了计算机技术、自动控制技术和网络通信技术的通用工业控制装置。

它具有使用方便、维护容易、可靠性好、性能价格比高等特点,广泛应用于工业控制的众多领域。

煤矿主通风机是煤矿生产的重要设备，通风机能否正常工作，直接影响煤矿的生产活动。

因此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和运行特点，以PLC为主控设备，介绍了可编程序控制器（PLC）在煤矿通风系统中的应用；探讨了通风机实现自动控制系统的系统组成和设计；涉及硬件设备的选型与组态；编制了通风机实现自动控制梯形图；并简要介绍了PLC与其他智能装置及个人计算机联网，组成的控制系统。

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：煤矿通风机；PLC；在线控制Design of Fan Control System Based on PLCAbstractThe programmable logic controller (PLC) is a microprocessor core, a combination of computer technology, automatic control technology a nd network communication technology, general industrial control de vices. It has easy to use,easy maintenance, reliability, high cost perf ormance characteristics, widely used in many areas of industrial contro l.The mine vertilator coal production equipment, the fan can work a dir ect impact on coal production activities. Therefore, the main fan to ac hieve online monitoring of very important significance.In this paper, the working environment and operational charact eristics of theventilator, the PLC as the master device to introduce a pr ogrammable logiccontroller (PLC) in the mine ventilation system; explo re composition and designof fan system to achieve automatic control s ystem; involved in equipmentselection and configuration of hardware; t he preparation of the ventilator to achieve automatic control ladder; a nd briefly describes the PLC and otherintelligent devices and personal computers networked control system composed of.This system improves the ventilator equipment automation manage ment level, toensure the main ventilator equipment, economic, reliable operation, andprovides a reliable scientific basis for the management and maintenance ofequipment.Keywords: Coal mine ventilator; PLC; Online monitoring目录引言 (1)第1章绪论 (2)1.1课题的研究意义 (2)1.2 PLC及风机控制系统的发展状况 (2)第二章总体方案设计 (5)2.1 控制系统的要求 (5)2.2 系统构成及工作原理 (5)2.3 变频调速节能分 (5)2.4 变频调速的依据 (6)2.5 离心风机控制原理分析 (6)第3章系统硬件设计 (10)3.1 温度传感器的选择 (10)3.2 PLC的选择 (10)3.2.1 FP0系列PLC的特点 (10)3.2.2 PLC控制系统设计流程 (10)3.3 变频器的选择 (11)第4章系统软件设计 (15)4.1 PLC程序设计 (15)4.1.1 离心风机转换过程分析 (18)4.1.2 系统工作状态 (18)4.1.3 状态转换过程的实现方法 (19)4.2 程序设计的梯形图 (19)第5章系统可靠性设计及调试 (23)5.1系统的可靠性设计 (23)5.2 系统调试 (23)5.21 软件系统的调试 (23)5.22 硬件系统的调试 (23)5.23 软硬件结合调试 (23)结论与展望 (25)致谢 (26)参考文献 (27)附录A 一篇引用的外文文献及其译文 (28)附录B 部分源程序 (33)附录C:主要参考文献的题录及摘要 (36)插图清单图2-1 自动控制系统组成框图 (5)图2-2 变频调速在风机中的节能分析 (6)图2-3 变频器主电路原理图 (7)图2-4 离心风机主电路图 (8)图2-5 离心风机控制线路图 (9)图3-1 KA-KM接线图 (10)图3-2 PLC控制系统设计流程图 (12)图3-3 PLC接线图 (13)图4-2 变频器接线图 (17)图4-3 系统总控制流程图 (21)图4-4 启动/停止程序 (21)图4-5 比较程序 (22)图4-6 模拟量输出程序 (22)表格清单表3-1 I/O分配表 (14)表4-1 主电路端子及功能表 (16)表4-2 控制电路端子及功能表 (17)表4-3 系统工作状态表 (18)引言在工业生产中的锅炉燃烧系统、烘干系统、冷却系统、通风系统等场合，风机设备被大量应用，但不论生产的需求大小，风机都要全速运转，而运行工况的变化则使得能量以风门、挡板的节流损失消耗掉了，在生产过程中，不仅造成大量的能源浪费和设备损耗，而且控制精度受到限制，从而导致生产成本增加，设备使用寿命缩短，设备维护、维修费用高居不下。

32 /矿业装备 MINING EQUIPMENT基于PLC 的井下矿用风门自动控制系统设计□ 史朝辉 同煤集团四老沟矿我国是一个矿业大国，在保证煤矿开采环境安全的前提下，提高煤矿生产效率成为了当前首要解决问题。

据调查，在实际开采过程中，矿用风门都是通过人工控制，在换岗期间很容易出现问题，导致煤矿开采出现异常。

自动化控制技术的出现，为该问题解决方案的制定提供了新的研究思路。

本文将选取PLC 作为核心控制器，开发一套适用于矿用风门控制的自动控制系统。

风门控制相关要求在对风门控制进行设计时，要求位于巷道内部的A 门与B 门均能够通过手动控制、远距离遥控、光电控制等方式打开。

如果两个门中有一个门处于打开状态，要求另外一个门必须处于关闭状态，不仅如此，在此期间，操作人员不可以打开处于关闭状态这个风门。

本文研究的风门主要有2个控制开关，其中一个开关是关门行程开关，另外一个开关是开门行程开关。

为了给工作人员和设备提供一个安全工作与运行环境，本次研究在设计风门控制系统时，添加了红外检测功能，当风门出现异常时，系统将自动发出警报，待风门恢复到正常状态以后，系统需要恢复到正常状态，因此，本次研究设置了报警复位功能按钮。

对于报警功能的风门控制，如果两个门中的一个门打开，此时系统发出语音提示“风门已经打开，请尽快从此门通过”；如果两个门中的一个门已经处于打开状态，工作人员要打开另外一个门，此时系统发出语音提示“前门已开，请内心等待，勿开此门”；如果风门发生故障，要求系统自动发出警报，并发出语音提示“风门出现故障，请抓紧维修”。

基于PLC 的井下矿用风门自动控制系统硬件设计PLC 型号的选取为了满足上述风门控制，本次研究选取型号为CPU224PLC 作为核心控制器。

该设备有10个输入口，9个输出口，并且能耗较低，满足系统开发需求。

PLC 设备输入信号与输出信号I/O 地址分配根据风门控制要求，本文为PLC 设备输入信号与输出信号分配如下I/O 地址，具体见表1和表2。

基于PLC的矿井通风控制系统设计摘要本文提出了一种基于PLC的矿井通风控制系统设计。

首先，对矿井通风控制的基本原理进行了介绍和分析；其次，结合矿井通风控制的特点，设计了系统的硬件和软件；最后，通过实验验证了系统的可行性和稳定性。

结果表明，该系统具有较高的控制精度和反应速度，能够有效地保障矿工的生命安全和矿井的正常运行。

关键词：PLC；矿井；通风控制；可行性；稳定性AbstractThis paper proposes a design of mine ventilation control system based on PLC. Firstly, the basic principles of mine ventilation control are introduced and analyzed; secondly, the hardware and software of the system are designed with the characteristics of mine ventilation control; finally, the feasibility and stability of the system are verified through experiments. The results show that the system has highcontrol accuracy and response speed, which can effectively ensure the safety of miners' lives and the normal operationof the mine.Keywords: PLC; mine; ventilation control; feasibility; stability1. 前言矿井通风控制是保障矿工生命安全和矿井正常运行的关键环节。

毕业设计（论文）题目：基于plc的矿井通风监控系统的设计院系：电子工程系专业班级：电气104班指导教师：黄俊梅学生姓名：李青洲学号：100433423摘要煤矿的安全生产中，矿井通风系统起着极其重要的作用，它是煤矿安全生产的关键环节。

而矿井通风机又是矿井通风系统的主要设备之一，因此对其进行PLC控制的变频调速系统的设计和研究，不仅可以大大提高煤矿生产的机械化、自动化水平，还能节省大量的电能，具有较高的经济效益。

煤矿主通风机监控系统主要包括风机性能检测和风机风量调节控制两部分。

本文以一台矿用对旋轴流风机为控制对象，结合PLC控制技术、变频调速技术和组态监控技术，对矿井通风机进行了PLC控制的状态监测和变频调速的设计和研究。

监控系统采用上位机加下位机的设计模式。

下位机采用可靠性高的可编程逻辑控制器，通过各种传感器和电量采集单元实时监测通风机的性能参数和状态参数、电机的电气参数并能实现远程通讯。

上位机应用北京亚控科技公司开发的KINGVIEW6.52组态软件编写人机界面，将风机工作流程以直观的画面显示出来，实现数据采集和显示、关键数据的记录和报警、生产数据的存储和报表输出、为操作员提供良好的操作界面，完成了风机房的无人值守自动化监控和管理的设计和改造。

在变风量系统中，主要比较了风门调节与变频调节，显示出了变频调节系统不仅能使风机工作在高效区，并且其节能效果要优于其它调节方法，具有很重要的应用前景。

风机调节控制由PLC+变频器控制电机转速实现风量控制。

同时本文还研究了风量调节的算法。

关键词：PLC控制；变频调速技术；矿井通风机；组态王软件。

目录1 绪论 01.1选题的背景和意义 01.2 风机监控系统国内外研究状况 01.3矿井主通风机在线监测监控的展望 01.4本论文的主要工作和安排 (1)2 系统构成及各部分功能 (2)2.1矿井主扇风机 (3)2.1.1矿井主扇风机概述 (3)2.1.2风机主要技术指标 (3)2.1.3风机的特性曲线 (4)2.1.4风量的调节方法 (5)2.2可编程控制器的应用 (6)2.2.1 PLC概述 (6)2.2.2 PLC的基本构成 (6)2.2.3 PLC的工作原理 (7)2.3风机参数的检测 (7)2.3.1风压、风量参数的检测 (8)2.3.2振动参数的检测 (9)2.3.3电气参数的检测 (10)2.3.4电机轴承和定子温度检测 (10)2.3.5开关量检测 (11)2.4 变频调速 (11)2.4.1变频调速技术在矿井通风机上的应用概述 (11)2.4.2变频调速的基本原理 (12)2.4.3风机变频调速节能分析 (13)2.4.4变频器的结构 (14)2.4.5 PLC控制变频器的方式 (15)3 通信网络的实现 (16)3.1 风机自动化监控系统的整体结构 (16)3.2基于现场总线和工业以太网的控制系统 (17)3.2.1现场总线控制系统和以太网技术 (17)3.2.2现场总线与以太网的互连 (18)3.2.3网络的具体实现方法 (19)4 系统的硬件设计 (19)4.1系统硬件连接 (19)4.2主电路 (19)4.3控制电路的设计 (20)4.4 器件的选型 (23)4.4.1PLC的选型 (23)4.4.2变频器的选型 (23)4.5 变频器与PLC的连接 (24)4.6风量的控制算法 (24)4.6.1变频器输入值计算 (24)4.6.2 U-P和Q-P曲线的拟合 (26)5主通风机监控系统的软件设计 (27)5.1 PLC软件设计 (27)5.1.2子程序0和1程序流程 (29)5.1.3子程序2和3程序流程 (29)5.1.4子程序4程序流程 (30)5.1.5中断子程序 (31)5.2 组态软件设计 (32)5.2.1 KINGVIEW 6.52操作界面 (32)5.2.2煤矿主通风机在线监测系统主界面 (32)5.2.3 PLC控制变频器调速系统主界面 (33)结论 (33)致谢 (34)参考文献 (35)附录 (36)1 绪论1.1选题的背景和意义通风机是煤矿的四大固定设备之一，它担负着向井下输送新鲜空气、排出粉尘和污浊气流的重任，具有“矿井肺腑”之称。