基于PLC的矿井通风机变频控制系统设计毕业设计论文.docx
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基于PLC的矿井通风机变频控制系统设计毕业设计论文
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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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日期：
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日期：
年月日
毕业论文基本要求
1．毕业论文的撰写应结合专业学习，选取具有创新价值和实践意义的论题。
2．论文篇幅一般为8000字以上，最多不超过15000字。
3．论文应观点明确，中心突出，论据充分，数据可靠，层次分明，逻辑清楚，文字流畅，结构严谨。
4．论文字体规范按《广东金融学院本科生毕业论文写作规范》和“论文样板”执行。
5．论文应书写工整，标点正确，用微机打印后，装订成册。
指导教师评阅书
指导教师评价：
一、撰写（设计）过程
1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神
□优□良□中□及格□不及格
2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度
□优□良□中□及格□不及格
3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力
□优□良□中□及格□不及格
4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性
□优□良□中□及格□不及格
5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况
□优□良□中□及格□不及格
二、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□优□良□中□及格□不及格
三、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意？
设计是否有创意？
□优□良□中□及格□不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
建议成绩：
□优□良□中□及格□不及格
（在所选等级前的□内画“√”）
指导教师：
（签名）单位：
（盖章）
年月日
评阅教师评阅书
评阅教师评价：
一、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□优□良□中□及格□不及格
二、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意？
设计是否有创意？
□优□良□中□及格□不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
建议成绩：
□优□良□中□及格□不及格
（在所选等级前的□内画“√”）
评阅教师：
（签名）单位：
（盖章）
年月日
教研室（或答辩小组）及教学系意见
教研室（或答辩小组）评价：
一、答辩过程
1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况
□优□良□中□及格□不及格
2、对答辩问题的反应、理解、表达情况
□优□良□中□及格□不及格
3、学生答辩过程中的精神状态
□优□良□中□及格□不及格
二、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□优□良□中□及格□不及格
三、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意？
设计是否有创意？
□优□良□中□及格□不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
评定成绩：
□优□良□中□及格□不及格
（在所选等级前的□内画“√”）
教研室主任（或答辩小组组长）：
（签名）
年月日
教学系意见：
系主任：
（签名）
年月日
1绪论
1.1矿井通风系统简介
矿井通风系统是矿井通风方式、通风方法和通风网络的总称，基本任务是：
供给井下足够的新鲜空气，满足人员对氧气的需要，冲淡井下有毒有害气体和粉尘，保证安全生产，调节井下气候，创造良好的工作环境，所以本设计主要是对通风系统内的风压风量及瓦斯浓度的控制。
矿井通风系统由影响矿井安全生产的主要因素所决定。
根据相关因素把矿井通风系统划分为不同类型。
根据瓦斯、煤层自燃和高温等影响矿井生产安全的主要因素对矿井通风系统的要求，为了便于管理、设计和检查，把矿井通风系统分为一般型、降温型、防火型、排放瓦斯型、防火及降温型、排放瓦斯及降温型、排放瓦斯及防火型、排放瓦斯与防火及降温型几种，依次为1-8八个等级。
矿井通风方式有串联通风和并连通风两种。
按进回风巷在井田位置不同，通风系统分为中央式、对角式、分区式和混合式矿井通风系统。
矿井通风系统是由通风机和通风网络两部分组成。
风流由入风井口进入矿井后，经过井下各用风场所，然后进入回风井，由回风井排出矿井，风流所经过的整个路线称为矿井通风系统。
矿井通风方法以风流获得的动力来源不同，可分为自然通风和机械通风两种。
（1）自然通风：
利用自然气压产生的通风动力，致使空气在井下巷道流动的通风方法叫做自然通风。
自然风压一般都比较小，且不稳定，所以《煤矿安全规程》规定：
每一矿井都必须采用机械通风。
（2）机械通风：
利用扇风机运转产生的通风动力，致使空气在井下巷道流动的通风方法叫做机械通风。
采用机械通风的矿井，自然风压也是始终存在的，而且也并在各个时期内影响着矿井的通风工作，在通风管理工作中应给予充分重视。
矿井通风系统的基本要求是：
1．每个矿井，至少要有两个通到地面的安全出口。
2．进风井口要有利于防洪，不受粉尘，有害气体污染。
3．北方矿井、井口需装供暖装备。
4．总回风巷不得作为主要人行道。
5．工业广场不得受扇风机噪音干扰。
6．装有皮带机的井筒不得兼作回风井。
7．装有箕斗的井筒不应作为主要进风井。
8．可以独立通风的矿井，采区应尽量独立通风，不宜合并一个通风系统。
保证系统能够独立地进行工作，这样当一个矿井出现故障时，另一个矿井的通风工作不受影响。
使生产不受大面积的受阻。
9．通风系统要为防治瓦斯、火、尘、水及高温创造条件。
10．通风系统要有利用深水平或后期通风系统的发展变化。
1.2国内外研究状况
矿井通风系统分析技术现状煤矿通风系统是保障安全生产的基础同时又受制于煤层地质条件及由此形成的矿山井巷系统的特点。
近年来煤矿扩能及生产的集约化成为了普遍的趋势矿井装备水平迅速提高系统有了明显的简化。
但是现在仍有大量开采多年的老矿系统极为复杂大量新井产能的高度集中造成了系统新的隐患矿井在日常生产中所遵从的分区通风格局抗灾能力不足在强烈的扰动面前有可能形成严重的风流紊乱因而需要有预先的判断和分析矿井主扇和通风构筑物作为矿井通风系统的重要构成部分其参数选取、布局、可靠性等均对系统的合理运行起着重要的作用。
因此矿井通风系统的合理性、可靠性和抗灾能力分析对于防止通风瓦斯及煤层自燃等意外的出现对于矿井预防处理通风瓦斯意外及灾变的能力对于提高矿井安全管理水平均有着重要的作用。
我国煤矿的重、特大瓦斯事故所造成的井下人员大量伤亡均源于通风系统抗灾能力不足致使正常生产时的分区通风在瓦斯爆炸条件下受到破坏爆炸气体进入了爆源以外的广泛区域使其他通风分区乃至全矿井下的人员中毒死亡。
研究瓦斯爆炸对分区通风的破坏机理对瓦斯爆炸条件下通风系统的抗灾能力予以定量评价和分级研究灾变条件下维持分区通风的条件和相应措施对于提高通风网络的抗灾能力有着现实的意义。
煤矿安全规程对煤矿通风有严格的要求和限制特别在高突矿井明确禁止使用串联通风。
因此以各采掘工作面为核心的分区通风成为了煤矿通风的基本规定和实践。
在矿井灾变条件下维持正常分区通风的能力是评价矿井通风系统抗灾能力的基本考虑因素。
除巷道布置这一重要但难以调整的因素之外分区通风及风量分配调节主要依靠于风门、风窗等通风设施的应用其类型、数量、分布上的合理性是影响通风系统合理性的基本因素扇风机及通风构筑物受矿井生产活动及灾变影响而失去原定功能时矿井通风维持在合理水平上的能力则是通风系统可靠性的重要标志。
矿井通风是一个古老的技术领域但对灾变条件下维持分区通风的相关技术、特别对于瓦斯爆炸与通风系统的相互作用缺乏必要的理论与实验研究。
我国瓦斯爆炸频发许多爆炸力学工作者对气相爆轰进行过深入研究瓦斯爆炸方面的文献十分丰富但现有的成果与煤矿井下的实际尚有较大差距如井下特有的结构设施、巷道特征等等研究煤矿井下结构设施与瓦斯爆轰波及冲击波相互作用的成果较少井下通风设施抗爆强度的理论研究基本是空白现有的文献多限于事故现象的简单描述。
深入系统地研究煤矿井下瓦斯燃爆的物理机制及其灾害效应对于正确评价分析煤矿预防瓦斯爆炸安全等级、科学地改进井下通风设施和巷道布置具有极其重要的学术价值和实际意义。
在此基础上模拟了氢氧燃烧驱动的破膜过程以及破膜前后压缩波、稀疏波对火焰阵面的影响。
同时也研究了瓦斯爆炸过程中压力波、火焰与障碍物的相互作用。
近几年国内学者开展了瓦斯煤尘爆炸机理、传播规律及防治对策的研究工作同时也揭示了瓦斯爆炸火焰的结构特征及其影响因素揭示了瓦斯爆炸过程中爆炸波的特征参数变化规律及其影响因素开展了壁面热效应对瓦斯爆炸传播规律影响作用的实验研究建立了管内瓦斯爆炸能量平衡方程。
通过理论分析、数值模拟和实验研究煤矿井下巷道条件对瓦斯爆炸及其冲击波衰减的影响规律研究各种通风设施结构与爆轰波、冲击波的相互作用研究各种通风设施结构在冲击波载荷下的破坏过程和极限强度将能够对矿井分区通风的抗灾能力对矿井通风系统的合理性、可靠性及抗灾能力予以定量的评价和分级这些都是当前该研究领域的前沿课题。
1.3课题的主要研究内容
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。
目前煤矿矿井通风系统的控制系统，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；如果工作通风机不采用变频控制，那么矿井通风量的调节方法，只能依靠两个垂直风门提起的高度，和调节风机扇叶的数量和角度。
那么主通风机就会一直高速运行，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，也会造成很大的能源浪费。
针对这一系列问题，随着电子技术和微电子技术的迅速发展，PLC和变频器正成为通用、廉价和性能可靠的控制和驱动设备，得到广泛的应用。
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，使矿井中用的离心通风机通风高效、安全，达到了明显的节能效果。
由PLC控制的变频调速离心风机的通风系统，具有较高的可靠性和较好的节能效果，易于组建成整体的自控系统，很方便地实现各种控制切换和远程监控。
PLC控制系统还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。
因此本论文以矿井对旋轴流风机为研究对象，以西门子S7-200可编程逻辑控制器作为监控核心，运用温度，压力，振动等传感器和电量采集单元对风机运行状态以及各种电量参数进行检测。
同时，利用PLC和上位机之间的通信实现通风机运行的在线监控。
本论文还讨论了利用变频器控制通风机的变频运行，实现风机的高效节能运行。
具体地说，本论文的主要研究内容如下：
1实现信号采集与实时监测，包括风机的运行状态、故障状态、负压、流量、轴承振动、轴承温度、定子温度、电压、电流、功率、效率等。
2控制系统能实现风机手动和自动变频运行的切换，使风机处于工频或变频运行状态。
在变频运行时，该系统能根据压力传感器的模拟量输入，经PLC内部运算，计算出系统满足安全生产所需的风量大小对应的变频器输入电压值，经扩展模块模拟量输出控制变频器自动调整风机的转速。
3本系统能实现多种报警功能，如风机定子，轴承温度超限，电动机振动异常报警，以及变频器出现故障及时报警，及时处理的功能。
4用工程制图软件绘制系统主电路图和PLC及扩展模块接线图。
5用STEP7-Micro/WIN编程软件编出PLC梯形图。
6用PROFIBUS-DP现场总线和工业以太网完成对PLC通信网络的组建。
7模拟风机运行情况，用组态王软件绘制煤矿主通风机在线监测系统主界面和PLC控制变频器调速系统主界面。
并生成性能参数实时曲线和历史趋势曲线，监测数据归档、数据报表查询及打印，以及瓦斯浓度、风量、风压等监控量的趋势曲线、超限报警和数据报表功能。
2通风系统及主扇风机控制方案
本论文设计的矿井主扇风机的控制主要是对风压、风量及瓦斯浓度的的调节和控制两部分。
风机风量的调节中引入变频器对风机风速的调节，据所需风量和风压大小通过变频器来调节风机的转速在节能和提高风机效率方面具有无与伦比的优点。
本控制系统具有离心通风机组的启动、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）为防止离心风机的疲劳运行，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。
下图是通风系统原理框图。
图2.1通风系统原理框图
2.1通风系统的设计方案
本通风控制系统主要由2台离心风机组成，每台离心风机有两台电机，每台电机驱动一组扇片，两组扇片是对旋的，一组用于吸风，一组为增加风速，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2×45kW为例，选用一台S7—200PLC、空气压力传感器和变频器等组成一个完整的闭环控制系统。
其中还包括接触器、中间继电器、热继电器、矿用防爆型磁力启动器、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。
下图为通风系统的方案图。
图2.2通风控制系统方案图
本PLC控制系统具有对通风机的电动机启动与运行，进行监控、联锁和过热保护等功能。
PLC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，提高了设备的运转率。
为满足煤矿矿井通风系统自动控制的要求，设计如下的控制方案：
本系统提供手动/自动两种工作模式，具有现场控制方式、状态显示以及故障报警等功能。
在手动方式下，通风机通过开关进行控制，不受矿井内气压的影响。
为防止通风机疲劳运行，在任何状态下风机在累计运行设定时间后要切换至另一台风机运行。
A组离心通风机与B组离心通风机可由二位开关转换。
循环次数及定时时间可根据需要随机设定。
报警信号均为声光形式，声报警（电笛）可用按钮解除,报警指示在故障排除后自动消失。
在自动方式下，利用远传空气压力传感器检测矿井内的气压信号，用变送器将现场信号变换成统一的标准信号（如4～20mA直流电流信号、0～5V直流电压信号等），送入A/D转换模块进行模数转换，然后送入PLC，PLC将检测到的气压值与设定的气压值进行比较和处理，输出信号控制通风机工作。
当矿井内的气压在一个大气压或在设定的某个大气压力数值以上，工作离心通风机与备用离心通风机循环工作；当出现突发事故，矿井内的气压低于设定的某个大气压力数值，工作离心通风机与备用离心通风机不再循环工作，并自动切换为同时工作，加大对矿井内的通风量，直至矿井内的气压升至设定的大气压力数值以上，工作通风机与备用离心通风机恢复循环工作。
在有瓦斯的矿井供风系统中，矿井内的瓦斯浓度传感器检测瓦斯浓度，用变送器将现场信号变换成统一的标准信号，送入A/D转换模块进行模数转换，然后送入PLC，同样PLC将检测到的数值与设定的数值进行比较，当瓦斯浓度大于设定数值后，PLC输出信号控制通风机停止工作，并输出信号自动切断井下的电源，满足风电联锁要求，以免电子火花点着瓦斯，防止瓦斯爆炸事故发生。
2.2矿井主扇风机的控制方案
2.2.1矿井主扇风机概述
地面主扇风机其整体性好，并且采用内置防爆电机拖动,不受外界干扰。
风机的主要特点是：
1、本设计采用电机与叶轮直联的方法，简化了传动结构，改变了当前煤矿抽出式轴流风机全部采用皮带轮传动或长轴传动的复杂结构，使维修和操作方便。
2、本设计配套电机为YB系列的YBFe派生系列，隔爆型三相异步电机。
电机置于全封闭型，并具有一定耐压强度的密闭散热罩中并于外界非瓦斯气相通。
使电机始终处于无瓦斯空气之中运行，起到了双重隔爆效果。
3、风机与扩散器之间设置后导叶，以提高静压效率，使得节能效果显著。
与目前使用的局扇群相比，可节电六倍，与离心式风机相比可节电40%。
4、该机可以反转反风，不必另设反风道，具有节约基建投资和反风速度快的优点。
5、叶轮的叶片安装角度可以调整，其范围为：
30度、33度、36度、39度、42度五个角度级。
在使用同一规格风机中，可根据生产扩大的要求来调整叶片安装角度。
6、该机配置了防止摩擦火花装置，确保了整机安全防爆性能。
7、该机采用特殊设计，性能曲线无驼峰，在任何网络阻力情况下，均能稳定运行。
2.2.2矿井主扇风机的供电系统
风机的供电系统采用了室外箱式一体化结构。
按功能划分为高压配电室，低压配电室，变压器室。
风机系统的主要设备：
（1）高压电机：
高压电机：
每台风机安装有两台6kv高压异步电动机，电机容量为315kW。
电机安装了三相定子和前后轴承温度传感器。
（2）变压器：
为了保证附属设备的可靠工作，安装了两台50kva，为低压柜供电。
变压器安装了温度监控器，监控3相温度，当温度超限能自动启停风机降温。
（3）进线柜：
包括两台进线柜，为风机系统的两台进线开关。
（4）联络柜：
实现风机供电系统的母线联络。
（5）换向柜：
两台换向柜，由接触器组成。
主要实现两台风机电机的正反转。
（6）箱变房：
采用一体化设计，外观整洁大方，按功能划分为高压配电室，低压配电室，变压器室，PLC控制室。
3系统硬件构成及各部分功能
3.1PLC可编程控制器部分
3.1.1PLC概述
PLC即可编程控制器（ProgrammablelogicController，是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。
在1987年国际电工委员会（InternationalElectricalCommittee）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：
PLC英文全称ProgrammableLogicController，中文全称为可编程逻辑控制器，定义是：
一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。
它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程，PLC是可编程逻辑电路，也是一种和硬件结合很紧密的语言，在半导体方面有很重要的应用，可以说有半导体的地方就有PLC。
PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。
它采用可以编制程序的存储器，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及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。
（1）CPU的构成
CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每套PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程。
CPU主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。
内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。
CPU速度和内存容量是PLC的重要参数，它们决定着PLC的工作速度，I/O数量及软件容量等，因此限制着控制规模。
（2）I/O模块
PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）完成的。
I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。
输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相
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