2022年PLC的矿井通风控制系统设计方案.docx

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1、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 掌握的变频调速系统的设计和讨论，不仅可以大大提高煤矿生产的机械化、自动化水平，仍能节约大量的电能，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剂掌握两部分；本文以一台矿用对旋轴流风机为掌握对象，结合 PLC 掌握技术、变频调速技术和组态监控技术，对矿井通风机进行了 PLC 掌握的状态监测和变频调速的设计和讨论；监控系统采纳上位机加下位机的设计模式；下位机采纳牢靠性高的可编程规律掌握器，通过各种传感器和电量采集单元实时监测

2、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、生产数据的储备和报 表输出、为操作员供应良好的操作界面，完成了风机房的无人值守自动化监控 和治理的设计和改造；在变风量系统中，主要比较了风门调剂与变频调剂，显示出了变频调剂系统不仅能使风机工作在高效区，并且其节能成效要优于其它调剂方法，具有很 重要的应用前景；风机调剂掌握由PLC+变频器掌握电机转速实现风量掌握；同时本文仍讨论了风量调剂的算法；关键词： PLC 掌握；变频调速

3、技术；矿井通风机；组态王软件；目 录1 引言 02 设计方案的拟定 0 3 系统的结构及工作原理13.1 系统的结构 13.2 系统的掌握原理 13.3 系统的运行方式 23.4 变频调速原理 33.5 PID 调剂原理介绍 44 提高通风机装置综合效率 54.1 风机调速 54.2 调整轴流风机叶片安装角度 64.3 更换电机 64.4 采纳“子母”风机 65 硬件的设计 75.1 PLC 类型的选用 75.2 变频器类型的选用及接线方式105.3 瓦斯传感器的挑选85.4 压力传感器的挑选95.5 变送器的挑选95.6 电机的挑选95.7 电源的供电方式105.8 故障处理及爱护功能116

4、 软件的实现116.1 PLC 的 I/O 安排 126.2 PLC 接线图错误！未定义书签；6.3 程序掌握流程图 136.4 程序的调试、测试和监控 146.5 上位机联机调试 156.6 软件操作应留意事项 16 7 终止语错误！未定义书签；谢辞 16参考文献 错误！未定义书签；附录 程序清单 错误！未定义书签；1 引言矿井通风掌握是井下采、掘行业必不行少的环节，特殊是在瓦斯浓度要求严格的作业面，井内的通风状态以及瓦斯气体含量对工作人员来说特别重要；因此，矿井通风的掌握具有重要的理论意义与实际意义，近年来受到特殊关 注；所谓通风掌握，主要是针对矿井风流的掌握，通过对通风机进行调速来掌握风

5、流状态；在通常状况下，井下环境恶劣且风流压力受各种扰动影响而变化无常、难以把握；原先用人工进行通风掌握，由于无法每时每刻对矿井的风量进行精确的定位监测，很难精确掌握风机的启停；并且显现故障多，牢靠性 差，给修理带来很大的麻烦；以往通风掌握系统中有很大一部分通风电机是不变速拖动，不变速电机的电能大多消耗在适应风量的变化而频繁的开停风机 中，这样不但使电机工作在低效区、减短电机的使用寿命，而且电机的频繁开停使设备故障率很高，系统的爱护、修理工作量较大；另一方面，由于风量的随机性，所使用的风量是动态的，采纳传统方法难以保证通风的实时性；从整体最优目标要求动身，这些因素必需在掌握设计中加以考虑，这就需

6、要查找并应用行之有效的理论，从而来满意这些要求使设计变得简洁易行；针对以上提出的问题，本文采纳自动化掌握对整个矿井通风系统进行改进，将所关怀区域主风流作为当前状态，井下环境干扰作为外部扰动输入，通风机输出功率作为掌握输入，并考虑实际上瓦斯浓度、风流流速检测滞后的基础上，应用掌握理论与技术解决这类矿井通风掌握问题，在整体上求得技术与经济的正确效益；2 设计方案的拟定用变频调速来掌握风机的运行，通常有单片机或PLC 掌握两种方式，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，单片机电路略微复杂一些；从经济方面考虑，由于PLC 工艺的日渐成熟，小型 PLC 的成本与单片机相差

7、无几，由于要依据现场情形调整系统参数，PLC 的软件中时间参数的调整更简洁，硬件接口简易可行、提高系统运行的牢靠性，特殊是整个系统的稳固性和抗干扰才能很强，这样更有利于售后服务人员把握；本设计方案将 PLC 与变频器结合在一起组成自动化的通风掌握系统，更好的优化了传统的通风系统，解决了传统系统中能耗大、通风质量差等诸多问题，它用 PLC 进行规律掌握，用变频器对电机速度进行调剂，自动掌握电机转速，在保持恒压状况下，达到掌握风量的目的；系统通过瓦斯传感器检测瓦斯浓度和压力传感器检测的负压，经变送器转 换后，送到 PLC 进行比较、判定，将掌握信号送给变频器，从而掌握通风电机的转速，使之实现最优掌

8、握；系统应具有“变频/ 工频”切换功能，当变频器出现故障或电机需要长期在工频状态下运行时，可将电机切换到工频状态，有手动和自动切换 2 种方式，同时仍有手动“启 / 停”功能、电机过热爱护、声光报警等功能，提高了系统牢靠性；3 系统的结构及工作原理3.1 系统的结构系统的结构框架如图 3-1 所示，整个掌握系统主要由PLC、变频器、瓦斯传感器、压力传感器、电机组、通风机组等组成，该系统主控单元采纳被控元件为变频运行的通风电机，主控参数为瓦斯浓度；PLC，瓦斯传感器380V 沟通电变送器PLC变频器电动机通风机压力传感器声光报警工频/变频手动 / 自动3.2 系统的掌握原理图 3-1 系统掌握原

9、理框图通过安装在矿井内部的瓦斯传感器和压力传感器，将信号传给变送器变成 标准电信号送入 PID 调剂器，经运算与给定压力参数进行比较，得出调剂参数送给变频器，由变频器掌握风机电机的转速. ；系统工作主电路如图3-2 所示，当系统切换到自动状态时，依据检测到矿井内负压的大小，第一掌握通风电机M1 软启动，变频运转并随时检测其数值，假如得到设定值，系统将处于当前状态恒速运行；否就频率上升到50Hz， M1 工频运行，假如仍未得到设定值，系统软启动M2 电机，变频运行并无冲击切换到工频电源，直到矿井内负压达到设定值为止，实现通风电机循环软起动；当所需负压减小时， M2 电机转速逐步下降到某一个设定低

10、速值，如井内负压仍高于设定值，然后停止该台电机运转；停止一台电机后，假如仍高于设定值，系统将M1 电机由工频切换为变频运行，以此实现通风电机循环运行，直到压力等于设定值； M3 做备用电机，当 M1 或 M2 发生故障，以及需要修理和紧急情形时，通过启用 M3 电机来达到正常工作的目的；掌握系统用一台变频器可以带两台电机，电机可以工作在常规工频模式，可以工作在变频模式；每台电机只能处于变频或工频其中一种工作模式，通过的程序和外部接触器进行互锁，保证了安全与牢靠的运行；利用安置在矿井内部的传感器将信号传输到变送器，转换成数字信号，再传送给度掌握；电机的起、停分别由内部进行比较后，掌握变频器从而对

11、电机的速内部参数所打算；依据所需负压的大小由PLC掌握工作组电机数量的增减及变频器对电机的调速，实现稳固的负压值采纳变频器掌握通风电机的转速，并自动调剂风机的运行台数，完成系统的闭环掌握，达到稳固的负压和节能的目的；系统任意设定所需负压值，其反1；馈值通过调剂后掌握调速装置，以调剂通风电机的运行速度，从而调剂井内的瓦斯浓度；这与传统的手动掌握相比，该掌握系统具有通风质量高、敏捷性强、能耗少、电动机启 / 停平稳等很多优点；3.3 系统的运行方式该系统包括自动和手动两种运行方式：（1） 手动运行该系统设有“手动 / 自动”转换开关；当开关怀换到“手动”时，可在现场启动、停止各台通风电机；当变送器

12、或变频器发生故障时，为确保通风牢靠， 三台通风电机可分别实行手动工频运行，该方式主要供检修或变送器和变频器 发生故障以及紧急时用；（2） 自动运行当转换开关转至“自动”状态时，电机的“启/ 停”及“变频 / 工频”切换，完全由 PLC 依据矿井内通风状况及程序内部的设定自动调整，最终达到现场无人值守、系统本身全自动运行；合上自动开关后，M1 通风电机通电，变频器输出频率从 0Hz 上升，同时 PLC 接收传感器的信号，经运算与给定参数进行比较，掌握变频器调剂电机转速，假如风量不足，就频率上升到50Hz，M1 由变频切换为工频， M2 电机变频启动，变频器逐步上升频率直到满意设定值为止；变频自动

13、功能是该系统最基本的功能，系统自动完成对二台通风电机软启动、停止、循环变频的全部操作过程；3.4 变频调速原理变频通风掌握主要由变频器、掌握系统、电机及传感器等部分组成；该系 统通过掌握变频调速器，将 50Hz 的沟通电从 050Hz 之间频率输出，实现沟通电机的无极调速，从而实现矿井通风机的优化掌握，当变频系统为开环时， 设备可以人为设定输出任意频率掌握电机转速；当变频系统为闭环时，随着反 馈等要求的变化，自动得到相应的频率；通风电机通常由三相沟通异步电动机来拖动，对通风机的调速是通过对其电机转速的调剂来实现；我们知道：异步电动机转速n=60f1-S/P；在这个公式中， f 为电机电源的频率

14、， P 为电机的磁极对数， S为转差率 0 3%或 06%；由上述电机的转速公式可见：要想转变电机的转速，可以通过三种方法来实现：（1） ）转变电动机的频率 f；（2） ）转变电动机的转差率S；（3） ）转变电动机的磁极对数 P；通过对上面三种方法的分析可以知道：转变电动机的转速的最好方法是改变电动机电源的频率；由于转差率S 的范畴在 03%或 06%之间，由此转差率 S 对电动机的影响不大，调速成效不明显，效率相对较低；转变磁极对数P 这种方法，第一它不简洁实现，其次由电机的工作原理打算了电机的磁极数是固定不变的；由于该磁极数值不是一个连续的数值（为2 的倍数，例如极数为2，4，6），所以一

15、般不适合通过转变该磁极对数P 来调整电机的速度；电动机的转速 n 和供电电源的频率 f 成正比，要设法转变三相沟通电动机的频率 f，就能特别便利地转变电动机的转速n，另外，频率 f 能够在电机的外面调剂后再供应电机，这样电机的旋转速度就可以被自由的掌握，比转变磁极对数 P 和转差率 S 两个参数简洁便利得多；而实际上假如仅仅转变电动机的频率并不能获得良好的变频特性；假如电压不变，频率下调至小于50Hz 时，会使电机气隙磁通 约等于 V/f 饱和；反之，电压不变，频率上调至大于50Hz 时，就使磁通减弱；所以真正应用变频调速时，需要同时转变电压V 和频率f，以保持磁通基本恒定；通常，电机产生的转

16、矩要随频率的减小（速度降低）而减小；通过使用磁通矢量掌握的变频器，将改善电机低速时转矩的不足，甚至在低速区电机也可输出足够的转矩；矢量掌握具有转矩提升功能，它能增加变频器在低频时的输出电压，以补偿定子电阻上电压降引起的输出转矩缺失，从而改善电机的输出转矩；改善电机低速输出转矩不足的情形，使用“矢量掌握”，可以使电机在低速时的输出转矩可以达到电机在 50Hz 供电输出的转矩；对于常规的 V/F 掌握，电机的电压降随着电机速度的降低而相对增加，这就导致由于励磁不足，而使电机不能获得足够的旋转力；为了补偿这个不足，变频器中需要通过提高电压，来补偿电机速度降低而引起的电压降；转矩提升功能是提高变频器的

17、输出电压；然而即使提高输出电压，电机转矩并不能和其电流相对应的提高，由于电机电流包含电机产生的转矩重量和其它重量；矢量掌握把电机的电流值进行安排，从而确定产生转矩的电机电流重量和其它电流重量的数值；矢量掌握可以通过对电机端的电压降的响应，进行优化补偿，在不增加电流的情形下，答应电机输出大的转矩；3.5 PID 调剂原理介绍在通风掌握系统中，变送器将传感器的信号变换成电压量或电流量，反馈 到 PLC 高级模块 -PID 模块， PID 将压力反馈信号与给定信号进行比较，并经Proportion（比例）、 Integral（积分）、 Differential coefficient （微分）、诸环

18、节调剂后得到频率给定信号，掌握变频器的工作频率，从而掌握了电机的转速和通风量；（ 1）比较与判定功能设负压为给定信号，传感器的反馈信号为PID 调剂器第一对上述信号进行比较，得到偏差信号XX f ，接着依据 X 值判定如下：XX p1X f1X 为“”，说明通风量低于给定值，电机应加速；X 大，说明所需风量低得较多，应加快电机的转速；X 为“-”，说明通风量高于给定值，电机应减速；X 小，说明所需风量高得较多，应使电机减速；假如所用风量 Q 增大了，引起通风不足，于是显现了偏差信号X ；大小与负压成比例，但详细数值因其型号的不同而各异；X p 的仅仅依靠值很小时，反映不够灵敏，不行能使（值按比

19、例放大；这样，X 值即使很小，也被放大得足够大，使电机的转速得到快速调整，从而减小了静差 ；但是，另一方面， P 值设定得大，就灵敏度高，通风压力X p 到达给定值 X p1的速度快；但由于拖动系统有惯性的缘由，很简洁发生超调（风压超过了给定值）；于是又必需向相反方向回调，回调也很简洁超调；结果使风量Q 在新的风量处振荡，而风压X p 就在给定值X p1处振荡；（ 3） I（积分）功能 振荡现象之所以发生，主要是电机的升速过程和降速过程都太快的缘故； I（积分）功能就是用来减缓升速和降速的功能，以缓解因 P 功能设定过大而引起的超调； I 功能和 P 功能相结合，即为 PI 功能；（4）D 微

20、分 功能 为了克服因 I 值设定过大而带来的缺陷，又增加了 D（微分）功能； D 功能是将 X 的变化率（dx / dt）作为自己的输出信号；当风量刚刚增大、负压X p 刚下降的瞬时，dx / dt最大；随着电机转速的逐步上升，负压 X p 的逐步复原， dx / dt 将快速衰减； D 功能和 PI 功能相结合，便得到 PID调剂功能 2 ；PID 功能示意图如图 3-3 所示；4 提高通风机装置综合效率通风机装置是矿井通风的心脏，是通风系统最重要的组成部分；它功率 大，日夜不停地运转、耗电量很大；据统计，全国统配煤矿平均主通风机耗电占全矿耗电的16%；对主通风机进行改造，应优先考虑提高风机

21、装置综合效率，即在系统改造的基础上通过风机调速、调整叶片安装角度等措施提高效 率，尽量防止更换风机，因更换风机投资多、工程量大、工期长；总之，调剂方案的挑选取决于调剂期长短，应综合考虑多个方面因素，经过技术和经济比较后实行综合治理措施 3 ；4.1 风机调速风机的选型一般是以风机服务期内应克服的最大阻力的风机风压为依据；当矿井风量过大时，采纳风峒中的调剂闸门来掌握风量，但通风阻力大增，风机风压增加，风机所消耗的功率变化不明显；而采纳调速技术来调剂风量，其功率变化是特别显著的；依据比例定律，同型号风机，当转速由 n1 调为 n2 时，存在着 n1/n2= Q1/ Q2H 1 / H 23 N1/

22、 N 2 ；由此可见，风机转速稍有变化，矿井的风量变化不明显，而风机的风压和功率的变化较大；所以，当矿井风量过大时，采纳调速技术掌握矿井风量，比闸门掌握风量节电成效明显；而当风量不足时，采纳增速调剂比新购置风机将节约一大笔购置费和安装费；如图4-1 所示为 4-72-11No.20B 风机部分性曲线， 风机转速 710r/min；不采纳闸门调剂时，矿井风量为56.5 m3/s，风压力 2760Pa，采纳闸门掌握风量，将风量掌握在50m3/s，此时矿井通风总阻力为2960Pa，电机功率消耗为 190 kW，比不用闸门调剂时功率降低10kW；后经改造将风机转速由 710r/min 降为 630 r

23、/min，将闸门提起，矿井风量仍掌握在50 m3/s， 此时主扇风压为2180 Pa，主扇所耗功率仅为 143 kW，与采纳闸门调剂相比， 年节约电费 12 万元；可见，矿井通风改造时应优先考虑风机调速；随着调速技术的进展，调速方法很多，诸如晶闸管串级调速、液力偶合器调速、变频调速、双速电机等；选用时要考虑实施的可能性或实行综合措施， 但风量不足时，增速调剂要留意风机的转速不要超过风机的最大转速，以免发生风机震惊、噪音增大、轴温上升、电机超载等问题；4.2 调整轴流风机叶片安装角度轴流式扇风机由于叶片安装角度可调，因此当矿井需风量发生变化时，可通过调整叶片安装角度来满意矿井通风要求；但调剂应当

24、在系统改造的基础上进行，不能盲日的加大叶片安装角度；4.3 更换电机据调查现在不少煤矿的主要通风机都存在着电机与风机不匹配即“大马拉小车”的现象；一方面由于设计的缘由，考虑的备用系数过多；另一方面由于生产布局的调整，系统的转变造成的；对这种情形，应进行经济技术分析比较，需要更换电机的应予以更换，以降低电机空载损耗；如双鸭山A 矿井，设备选型时选用的电机功率为 800 kW；由于生产布局的调整，总需风量削减，主扇所需输人功率下降，使得电机容量过剩，经实测40o 叶片安装角时电机功率仅为 340 kW，即使考虑肯定的备用系数及叶片安装角增大时功率的增加值，其电机功率也只需500 kW ；因此依据现

25、场实际情形，系统改造时将电机更换为630 kW，其空载功率下降了 40 kW，年节约电费 13 余万元；可见“大马拉小车”的局面应尽快转变；4.4 采纳“子母”风机现在煤矿使用的主扇和电机的选型，一般是考虑开采前期、中期和后期矿井的风量风压的变化情形，“一锤定终身”，且两个通风机的型号是一样的；这样势必造成前期风量大、风压高，通风才能过剩；建议风机选型或改造时选用“子母”风机，即选用一个大风机和一个小风机，或风机型号一样，所选电机在转速或功率上有所差异，以适应不同生产情形下的矿井通风要求；运行时以适合矿井通风才能的通风机作主通风机，另一通风机作备用，当需要检修时启动备用暂时进行通风；5 硬件的

26、设计5.1 PLC类型的选用日本松下公司的 FP0 系列 PLC，可以说是可编程掌握器市场的后起之秀， FP0 是超小型 PLC，是近几年开发的新产品，虽然松下电工的产品进入中国市场较晚，但由于其设计上有不少独到之处，其产品特点可以归纳为以下几点：（1） 丰富指令系统在 FP0系列 PLC 中，即使是小型机，也具有近 200 条指令；除能实现一般规律掌握外，仍可以进行运动掌握，复杂数据处理，甚至可以直接掌握变频器实现电动机调速掌握；此外， FP0 可以单台使用，也可以多模块组合，最多可增加 3 个扩展模块， I/O 口从最小 10 点可扩大到 128 点；（2） 快速的 CPU 处理速度FP0

27、 系列 PLC 各种机型的 CPU 速度均优于同类产品，小型机尤为突出，超小型 FP0 的几 ms/千步，对于大型机，处理速度会更快；FP0 的运行速度在同类产品中是最快的，每个基本指令执行速度为0.9 s；500 步的程序只需 0.5ms 的扫描时间；仍可读限制 50s 的窄脉冲，即 FP0 有脉冲捕获功能；（3） 大程序容量FP0 系列机的用户程序容量也较同类机型大，其小型机一般都可达3 千步左右，最高可达到 5 千步； FP0 具有大容量的数据寄存器，可用于复杂掌握及大数据量处理；（4） 功能强大的编程工具FP0 系列无论采纳的是手持编程器仍是编程工具软件，其编程及监控功能都很强；其 F

28、P0-II 型手持编程器仍有用户程序转存功能；其编程软件除已汉化的 DOS 版 NPST-GR 外，仍推出了 Windows 版的 FPSOFT，最新版的 FPWIN- GR 也已进入市场；这些工具都为用户的软件开发供应了便利的环境；（5） 强大的网络通信功能FP0 系列机的各种机型都供应了通信功能，而且它们所采纳的应用层通信协议又具有一样性，这为构成多级PLC 网络，开发 PLC 网络应用程序供应了便利；松下电工供应了多达 6 种的 PLC 网络产品，在同一子网中集成了几种通信方式，用户可依据需要选用；尽管这些网络产品的数据链路层与物理层各不相同，但都保持了应用层的一样性； FP0 可经 R

29、S232 口直接连接调制解调器；通信时如选用“调制解调器”通信方式，就FP0 可使用 AT 命令自动拔号，实现远程通信 4 ；5.2 变频器类型的选用及接线方式选用变频器的类型，第一要依据类型、调速范畴、静态速度精度、起动转矩等，然后打算选用那种掌握方式的变频器；为满意本系统需要，选用富士变频器 G11S系列，它具备以下功能：（1） 简洁矢量掌握功能，简洁矢量掌握是确保低速运转时仍保持高转矩（ 1Hz 时转矩为 150%额定转矩）；（2） 自动调谐（带差转补偿）功能，此功能可以自动监控矢量掌握电动机的恒定值，并适用于 2 极、4 极或 6 极的三相鼠笼式电动机；（3） 速度跟踪功能，起动变频器

30、时无需停止电动机的运转（空转时）即可从商业电驱动运行过渡到变频器驱动运行或者从突然断电后复原运转；（4） 改进的防止跳闸功能，在过载运行中，当输出电流达到过流失速水平常，该功能可以自动降低频率；负载复原正常后，该功能又自动将频率复原到原设定值并连续运行；该功能仍可以防止某些机械运行中因过电流而跳闸；变频器的接线图如图 5-1 所示；5.3 瓦斯传感器的挑选依据设计要求，为了满意功能需要选用瓦斯传感器，由上海无线电14 厂依据瓦斯报警的特定功能和技术要求新近开发研制的一种单片低压、低功耗、微小信号检测报警的专用设备；它适合于煤矿开采过程中的瓦斯检测与报警，其内部设两个报警通道，可发出预报和危急两

31、种报警信号，报警信号又分为视觉和听觉（声音）两种，而以声音信号的不同来代表预报（低浓度）和危险（高浓度）两种报警形式；芯片内部由小信号放大器，两个信号比较器VC1 、，两组振荡器，规律编码掌握器以及驱动器组成；使用电路简洁， 易于调试，安装便利；CH217 采纳全 CMOS 工艺制造，具有输入阻抗高，功耗低的特点；又由于采纳了最新低压 CMOS 线性电路设计技术，并奇妙地将线性电路与规律电路组合成完整的功能系统，因而具有工作电压低、满意井下工作环境要求等特点；报警电路工作过程：瓦斯传感器输出信号通过CH217 的 17、18 脚送入到内部小信号放大器 AV，由其将传感器的柔弱信号放大后由19

32、脚输出形成 Vx 信号， Vx 通过 16、13 脚进入两个信号比较器VC1 、VC2, 由 VC1、VC2 将 Vx 与从 RP2、RP1 上提取的预报与危急两种基准信号VL 、VH 进行比较，形成报警掌握信号 FI11 脚和 SE14 脚；当 Vx VL 时，两报警掌握信号同时为低电平，说明此时瓦斯浓度很低，没有危急，不需要报警；当VL VxVH 时，预报警掌握信号 FI 为高电平，危急报警掌握信号SE 为低电平，说明此时瓦斯有了肯定的浓度 , 应进行预报，这时 CH217 通过第 3 脚输出频率较低的声音预报报警信号，同时通过 2 脚输出光报警信号；当 Vx VH 时，两报警掌握信号同时

33、为高电平，说明此时瓦斯浓度已达到了危急的程度，这时CH217 通过第 3 脚输出频率较高的声音危急报警信号 ,光报警信号仍旧通过 2 脚输出；5.4 压力传感器的挑选MPX2000 属于压阻式压力传感器；压阻式压力传感器是利用单晶硅的压阻效应制成的器件；它是在单晶硅基片上用扩散工艺制成肯定外形的应变元件， 当受到压力作用时，使应变元件的电阻率发生变化，电阻变化引起电路输出电 压发生变化；压阻式传感器的特点有：易于小型化、易于集成化、灵敏度高、 测量范畴宽、频率响应宽、工作牢靠寿命长、受温度影响大；压阻式压力传感 器广泛应用于流体压力、压差的测量；5.5 变送器的挑选在通风掌握系统中选用变送器是

34、将矿井内压力传感器的模拟信号变换成标 准的电信号；从而便于 PLC 内的 PID 调剂，实现对变频器的掌握，使变频器输出相应的频率来掌握电机的转速，有效的调剂矿井内的通风量；在整个掌握系 统中，变送器起着特别重要的作用；在本系统中选用由天津市奥斯克科技进展有限公司生产的SK1151 系列电容式压力变送器；SK1151 系列电容式变送器是采纳国外先进技术和设备，关键原材料、元器件、和零部件均从国外进口，整机经过严格组装和测试；具有设计原理先进，品种规格齐全，安装使用简便（规格、尺寸与原装1151 完全兼容），外形美观等特点；最近研制开发出来的S 智能系列更是一种智能式变送器，有很强的使用价值；目

35、前，该系列产品已广泛应用于石油、化工、冶金、电力、食品、造纸、医药、机械制造等行业；同时 SK1151 系列电容式变送器仍具有以下特点：精度高，稳固性好，二线制输出标准电流（0-20mA）；阻尼可调、单向过载爱护特性好，无机械可动部件、修理工作量少； 全系列统一结构、零部件互换性强，接触介质的膜片材料可挑选，（ 316L， TAN ， HAST-C 、MONEL 等耐腐蚀材料）防爆结构、全天候使用； 基于以上优点，选用 SK1151 系列电容式压力变送器；5.6 电机的挑选1#泵电机 M1 和 2#泵电机 M2 均为 15kW 的三相鼠笼型异步电动机，工作方式：在工频 / 变频情形下都正转，并

36、且可以手动掌握；3#附属小泵电机 M3 为 2.2kW 的三相鼠笼型异步电动机，工作方式：在工频/ 变频下都正转，且可以手动掌握；1#泵和 2#泵电机次序起动，附属小泵电机起平稳作用；要求各个电机都具有短路和过载爱护；5.7 电源的供电方式煤矿井下掘进工作面一般采纳通风机以稀释巷道涌出的瓦斯浓度；在高瓦斯矿井的掘进工作面，一旦显现因供电故障而造成通风机停电停风，在很短的时间内会造成瓦斯积聚，进而使瓦斯浓度超限，严峻威逼矿井的安全生产；经分析造成掘进工作面瓦斯浓度超限的主要缘由有：（1） 掘进工作面局部通风机停电停风；（2） 通风系统显现故障；（3） 没有严格依据煤矿安全规程的规定操作；（4）

37、矿井局部通风设施治理纷乱；上述 4 个缘由中，掘进工作面局部通风机的停电停风是引起井下掘进工作面瓦斯超限最主要的缘由；所以，为了预防掘进工作面瓦斯集合导致瓦斯爆炸事故，井下局部通风机供电方式是特别重要的；（1） 单电源供电方式如图路电源，掘进工作面的用电设备和通风机共用同一路电源线路，其特点是接线方式简洁；但当供电线路显现停电检修、短路、漏电等，或掘进工作面其他用电设备发生故障 时，该掘进工作面通风机就会停止工作，造成该掘进工作面的瓦斯浓度超限；（2） 在图 5-2 供电方式的基础上增设双电源，使掘进工作面的用电设备和通风机由两路不同的电源线路供电；并且增加1 台备用通风机，全部的通风机均采纳

38、更敏捷、更安全牢靠的双电源供电方式，如图5-3 所示；此供电方式的优点：掘进工作面采纳2 路不同的电源线路供电；台通风机可以同时运转，假如其中的一路供电线路显现故障，就发出报警信号由工作人员排除故障，电源从另一供电线路供电保证通风机仍能正常运转供风，以保证掘进工作面的正常供风，此供电方式使工作面更加安全牢靠；掘进工作面局部通风机采纳合理的供电方式，能保证掘进工作面局部通风机正常工作，确保安全生产；有电就风流通畅，有风就瓦斯不会聚 集；因此，加强通风设施的治理 , 增强安全意识，是预防煤矿井下瓦斯超限的行之有效的方法；5.8 故障处理及爱护功能（1） 故障处理从冗余设计原就考虑，在变频器发生故障

39、时仍要不间断工作；当变频器突然发生故障，蜂鸣器报警，PLC 发指令使全部通风电机停止，然后M3 电机工频运行（如通风机功率大于37kW ，就需要采纳降压启动方式），经过肯定延时后依据井内瓦斯浓度，PLC 就按实际情形在工频状态下切换；当显现停机、电动机欠压电、过压或故障等情形时，均能由蜂鸣器发出警报声；条件许可时可以添加MODEM模块，在变频器、电动机发生故障时能通过远程通信口拨叫值班人员电话，通知有关人员前来修理；全部故障解决、复原正常后，报警信号取消；有时电源会突然断电，可自动切换到另一个备用的电源，复原供电后如系统无法起动会造成严峻后果，为此本系统设置了通电后自动变频起动方式；在电源复原

40、后， PLC 会发出指令，蜂鸣器发出警告，然后按自动运行方式第一变频起动 M1 ，直到风量达到稳固；（2） 电动机热爱护功能的阻当电动机过热时， A 点电位超过基准值，使KT 闭合，变频器将由于得到过热信号而报警或跳闸 5 ；6 软件的实现编程软件采纳松下电工公司开发的在Windows环境下使用的软件：FPWIN GR；它支持全部松下电工生产的PLC 产品，可以用这个软件来实现：对PLC输入功能输出接触器功能程序和注释和输入及编辑；程序检查；运行状态和数据的监控及测试；系统寄存器和PLC各种系统参数的设置；程序清单和监控结果等文档的打印；数据传输及文件治理等功能；FPWIN GR 软件采纳的是

41、典型的Windows界面、菜单界面、编程界面、监控界面等可同时以窗口形式相叠或平铺显示，甚至可以把两个不同的程序在一个屏幕上同时显示，可以通过快捷键在各个窗口之间进行移动和切换，这给调试程序和现场监控带来了便利；各种功能切换和指令的输入既可用软件上的键盘快捷操作键操作，也可用鼠标点击图标操作；菜单采纳点击下拉形式，操作起来很便利，特殊是它在软件的“帮忙”菜单中增加了软件操作方法和指令、特殊内部继电器、特殊数据寄存器等一览表；这样在没有手册的情形下也能便利的使用；运算机与外设通信通常采纳RS-485 串行口，常用 RS-485 一端为与运算机相连的 9 针凸式梯形插头，另一端为与适配器相连的25

42、 针凹式梯形插头；如 PLC 的编程电缆引出口采纳的是RS-422 串行口，就要使用RS-422/RS- 485 适配器；将所连 FP0 的波特率设置为 9600bps ；9600bps 是各编程软件的初始化设置；为便利调试和编程，系统掌握器采纳模块化编程，系统由如干个子程序构成，包括数据采集子程序、掌握量运算子程序、电机掌握子程序、报警子程序、风力调剂子程序、压力检测子程序、停机“睡眠”子程序等等组成；6.1 PLC 的 I/O 安排在这个掌握系统中，共用到 8 个输入和 8 个输出；输入口从 X0 X7，输出口从 Y0 Y7 ，其中 X0 和 X1 组合开关，要求在任一时刻都有一个处于闭合

43、状态，即系统处于自动状态或是处于手动状态；如表6-1 所示；该系统具有手动和自动两套运行模式，手动运行靠转换开关和接触器来实现，不需要 PLC 的软件编程，这样可以削减PLC 的 I/O 点数，不仅降低了成本，仍提高了整个系统的牢靠性，一旦PLC 显现故障，仍可以手动运行；X0自动/手动Y0KM1X1外部信号Y1KM2X2M1 手动Y2KM3X3M2 手动Y3KM4X4M3 手动Y4KM5X5报警信号Y5KM6X6报警解除Y6X7过热爱护Y7变频器M1 变频M1 工频M2 变频M2 工频M3 工频灯光报警声音报警6.2 PLC 接线图表 6-1 PLC 的 I/O 口安排表图 6-1 PLC

44、接线图6.3 程序掌握流程图依据煤矿安全规程，当瓦斯浓度达到或超过1.5%CH4 时，应进入排放瓦斯状态；为了达到节能成效，当瓦斯浓度在01.5%时，局部通风机的转速与瓦斯浓度的增减成比例地升降，即随瓦斯浓度的变化自动调整转速；本系统设计的调频掌握完成了此功能，其程序流程如图6-2 所示；PLC 掌握程序见附录；流程图如下：开 始瓦斯浓度 / 风压采样挑选工作方式N变频启动工频运行YM1 变频 M2 停止NM1 工频浓度变大YN浓度变大M1 停止M2 变频YNM1 工频M2 工频浓度变大Y声光报警M1 变频M2 工频浓度变大NY6.4 程序的调试、测试和监控图 6-2 程序流程图实际应用系统的

45、调试分为软件和硬件两部分，通常这两部分是相互关联、 紧密联系的；一般情形下是先进行软件部分的调试，但最重要、最费时的调试 是软硬件联调和现场调试； PLC 掌握系统的实质是利用运算机实现掌握功能， 因此， PLC 掌握系统的调试与通用运算机应用系统基本一样，一些在调试通用运算机应用系统所用的方法也能用于PLC 掌握系统的调试，如仿真模拟法、程序隔离法、跟踪执行法和边界参数法等；由于 PLC 自身特点，如循环扫描的工作方式或较多的输入/ 输出操作等， 因此有一些特殊的调试手段和方法，如信号时序法、信号组合法等；在信号时序法中，特殊要留意脉冲触发的信号、定时器和计数器的工作过程及脉冲继电器的特性等；系统测试一般可从以下几点来进行；（1） 是否具备设计所规定的全部功能；（2） 是否达到设计所规定的技术指标 精度、掌握稳固性、响应速度等 ；（3） 应变才能 在发生意外大事时，系统能否作出正确的响应 ；（4） 抗干扰才能；在调试过程中假如能敏捷有效地利用系统寄存器和错误报警继电器，通常可以大大提高调试效率；当然，调试过程