基于PLC的煤矿矿井新型通风控制系统设计和应用

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。

当瓦斯浓度大于设定断电上限时，PLC将切断工作面和风机组电源，防止瓦斯爆炸。

（5）运用温度传感器测定风机组定子温度或轴承温度，当定子温度或轴承温度超过设定报警上线时，发出指示和报警信号。

当定子温度或轴承温度超过设定风机组转换温度界线时，PLC将切断指示和报警信号并自动切断当前运行风机组，在自动方式下并能自动接入另一台风机组运行，若在手动方式下，工作人员手动切换。

（6）为防止通风机的疲劳运行，在任何状态下，风机在累计运行设定时间后都会自动切换至另一台风机组运行。

（7）手动方式下，有防止风机组频繁启动功能。

由于定子温度或轴承温度过高，若当前风机组停止运行后，当其温度下降到设定下限时该风机组不能连续二次启动，只有接入另一台风机组进行工作，即防止温度在临界线状态而频繁启动。

（8）有风机组机械卡死指示报警功能。

2.2 系统结构及方案通风控制系统主要由2台通风机组成，每台通风机有2台电机，每台电机驱动1组扇片，2组扇片是对旋的，1组用于吸风，1组为增加风速，对井下进行供风。

根据井下用风量的不同，采用不同型号的风机。

本设计以风机组2×30kW为例，选用 1台西门子S7—200可编程控制器(PLC)，空气压力变送器等组成一个完整的闭环控制系统。

其中还包括瓦斯传感器、温度传感器、接触器、中间继电器、热继电器、矿用防爆型磁力起动器、断路器等系统保护电器，实现对电机和 PLC的有效保护，以及对电机的切换控制。

3 系统硬件构成及各部分功能图1 硬件系统功能块框架图本控制系统有可编程控制器（PLC）、A/D转换模块、D/A转换模块、变频器、传感器部分、监控对象和电控回路组成。

其硬件功能框架图如图1所示。

3.1 PLC可编程控制器部分3.1.1 PLC概述PLC是以微处理器为核心的一种特殊的工业用计算机，其结构与一般的计算机相类似，由中央处理单元（CPU）、存储器（RAM、ROM、EPROM、EEPROM等）、输入接口、输出接口、I/O扩展接口、外部设备接口以及电源等组成。

CPU单元由微处理器、系统程序存储器、用户程序存储器以及工作数据存储器等组成，它是PLC的核心部件，是由大规模或超大规模的集成电路微处理芯片构成，主要完成运算和控制任务，可以接收并存储从编程器输入的用户程序和数据。

进入运行状态后，用扫描的方式接收输入装置的状态或数据，从内存逐条读取用户程序，通过解释后按指令的规定产生控制信号。

分时、分渠道地执行数据的存取、传送、比较和变换等处理过程，完成用户程序所设计的逻辑或算术运算任务，并根据运算结果控制输出设备。

存储器单元按照物理性能分为两类，随机存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。

随机存储器由一系列寄存器阵组成，每位寄存器可以代表一个二进制数，在刚开始工作时，它的状态是随机的，只有经过置“1”或清“0”的操作后，它的状态才确定。

若关断电源，状态丢失。

这种存储器可以进行读、写操作，主要用来存储输入输出状态和计数器、定时器以及系统组态的参数。

为防止断电后数据丢失，可采用后备电池进行数据保护，一般可以保存5年，当电池电压降低时，欠电压指示灯发光，提醒用户更换电池。

只读存储器在两种，一种是不可擦除ROM，这种ROM只能写入一次，不能改写。

另一种是可擦除ROM，这种ROM经过擦除以抂这可以重写。

其中EPROM 只能用紫外线探险内部信息，E2PROM可以用电擦除内部信息，这两种存储器的信息可以保留10年左右。

输入输出单元由输入模块、输出模块和功能模块构成，是PLC与现场输入输出设备或其他外部设备之间的连接部件。

PLC通过输入模块把工业设备或生产过程的状态或信息读入中央处理单元，通过用户程序的运算与操作，把结果通过输出模块输出给执行单元。

输出模块用于把用户程序的逻辑运算结果输出到PLC外部，输出模块具有隔离PLC内部电路和外部执行单元的作用，还具有功率放大的作用。

输出模块有晶体管输出模块、晶闸管输出模块和继电器输出模块。

接口单元包括扩展接口、编程器接口、存储器接口和通信接口。

扩展接口是用于扩展输入输出单元。

它使PLC的控制规模配置得更加灵活。

这种接口为总线形式，可以配置开关量的I/O单元，也可以配置如模拟量、高速计数等特殊I/O单元及通信适配器等。

编程器接口是连接编程器的，PLC本体通常是不带编程器的。

为了能对PLC编程及监控，PLC上专门设置有编程器接口。

通过这个接口可以接各种形式的编程装置，还可以利用此接口做通信、监控工作。

存储器接口是为了扩展存储器而设置的。

用于扩展用户程序存储区和用户数据参数存储区，可以根据使用的需要扩展存储器。

其内部也是接到总线上的。

通信接口是为了在微机与PLC、PLC与PLC 之间建立通信网络而建立的接口。

3.1.2 PLC选型和性能指标根据系统的应用领域、采集数据的类型和大小、I/O点数、以及设置数据需要得内存大小，本文中所选用的PLC是西门子公司的产品S7-200系列，CPU的型号是CPU226[1]。

CPU226集成了24点输入和16点输出，共有40个数字量I/O点。

可连接7个扩展模块，最大扩展至248点数字量I/O点或35路模拟量I/O。

CPU226有13KB程序和数据存储空间，6个独立的30kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。

CPU226配有2个RS-485通信编程口，具有PPI通信、MPI通信和自由方式通信能力，用于较高要求的中小型控制系统。

其性能指标如表1。

3.1.3 PLC内部分配CPU226I/O接口及内部寄存器分配如表2和表3。

表3 内部存储器使用3.1.4 输入输出外部接线CPU226接线规则如下：（1）DC输入端中1M、I0.0～I1.4为第1组，2M、I1.5～I2.7为第2组组成，1M、2M分别为各级公共端。

DC24V的负极接公共端1N或2M。

输入开关的一端接天DC24V的正极，输入开关的另一端连接到CPU226各个输入端。

DC输出端中1M、1L+、Q0.0～Q0.7为第1组，2M、2L+、Q1.0～Q1.7为第2组组成。

1L+、2L+分别为公共端。

第1组DC24V的负极接1M端，正极接1L+端。

输出负载的一端。

图2 PLC输入/输出和变频器接线图（2）DC输入继电器输出端与CPU226的DC输入DC输出的相同。

继电器输出端由3组构成，其中N（—）、1L、Q0.0～Q0.3为第1组，N（—）、2L、Q0.4～Q1.0为第2组，N（—）、3L、Q1.1～Q1.7为第3组。

各组的公共端为1L、2L和3L。

第1组负载电源的一端N接负载的N（—）端，电源的另一L（+）接继电器输出端的1L端。

负载的另一端分别接到CPU226各继电器输出端子。

第2组、第3组的接线与第1组相似。

根据接线规则，PLC输入/输出接线和变频器接线图如图2所示。

3.2 模数转换模块模数转换模块分为A/D转换模块和D/A转换模块。

PLC模拟量处理功能主要通过模拟量输入输出模块及用户程序来完成。

模拟量输入模块接受各种传感器输出的标准电压信号或电流信号，并将其转换为数字信号存储到PLC中。

PLC根据生产实际要求，通过用户程序对转换后的信息进行处理并将处理结果通过模拟量输出模块转换为标准电压或电流信号去驱动执行元件。

表3 EM231性能指标本系统设计有6路模拟量输入和1路模拟量输出，其中有四路是温度传感器输入。

所以本设计选用一块EM231热电偶模拟量输入模块，该模块完成四路温度传感器的模数字量转换功能；一块EM235模拟量输入输出模块，该模块完成两路传感器的模数转换和一路数模转换功能。

EM231性能指标如表3所示。

热电偶类型选择：EM231热电偶模块是专门用于对热电偶输出信号进行A/D转换的智能模块。

它可以连接7种类型的热电偶（J、K、E、N、S、T和R），还可以用于测量0～+/-80mV范围的低电平模拟信号，所以使用EM231模拟量输入热电偶模块时，需要通过模块右下侧的设置开关进行心要的设置。

对热电偶模块，其热电偶的类型通过设置开关SW1、SW2、SW3选择，如表4所示。

3.3 传感器部分该控制系统中存在大量的模拟量信号，这些信号的输入都要通过传感器是进行模拟量采集，将采集的模拟量信号送入PLC输入模块进行模数转换，将连续的变化量（大部分为4－20mA的电流信号，0－5V或0－10V的电压信号）转换离散的数字量，存储到PLC内存里；输出是由模拟量输出模块将我们要输出的存储在内存中的数字离散信号转换为电压信号或者电流信号。

本系统模拟量传感器选用有KGJ16B型瓦斯传感器用于检测煤矿井下空气中的瓦斯含量，HM23Y矿井专用型压力变送器用于检测矿井的井巷气压，Pt100铂热电阻作为测量温度用的传感器用于检测风机组轴承和定子温度。

要想正确的使用它们，首先了解各个传感器的性能指标。