三菱PLC在矿井通风控制与检测系统中的应用
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HMI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。上位机应用三菱软件编写人机界面，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，主要比较了风机调节与变频调节，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。
关键词：PLC控制；变频调速技术；矿井通风机；HMI
Application of MITSUBISHI PLC in mine ventilation control and detection system
Abstract: The mine ventilation system plays an extremely important role in the safety production of coal mine, and it is the key link of the safety production of the coal mine. And mine ventilator is one of the main equipment of the mine ventilation system, so the research and design of PLC variable frequency speed regulation system on it, not only can greatly improve the mechanization and automation level of coal production, but also save a lot of power, it has high economic benefit. The main fan monitoring system of coal mine mainly includes two parts, the performance test of the fan and the control and control of the fan air volume. In this paper, a mine contra rotating axial fan is taken as the control object. Combined with PLC control technology, frequency conversion speed regulation technology and HMI configuration monitoring technology, the design and research of the state monitoring and frequency conversion speed control of mine ventilator is carried out based on PLC control.
The monitoring system adopts the design mode of the upper computer and the lower computer. The slave machine adopts highly reliable programmable logic controller. It monitors the fan's performance parameters and state parameters, motor's electrical parameters and realizes remote communication through various sensors and power acquisition units. The application of MITSUBISHI PC software interface, the fan work flow in an intuitive picture display, data acquisition and display, record and alarm of critical data, production data storage and report output, provide a good user interface for the operator to complete the design and transformation of fan room unattended automated monitoring and management the. In VAV system, fan adjustment and frequency regulation are mainly compared. It shows that the frequency conversion regulation system can not only make fans work in high efficiency area, but also has better energy saving effect than other adjustment methods, so it has a very important application prospect.
Keywords: PLC control; frequency conversion speed control technology; mine ventilator; HMI
目录
第一章 引言 1
1.1课题背景 1
1.2本课题研究的主要内容 2
1.3应用前景 3
第二章 通风系统及方式设计方案 4
2.1矿井通风系统总体设计 4
2.2矿井通风方式 5
第三章 矿井通风系统硬件设计 6
3.1 PLC可编程控制器部分 6
3.1.1 PLC选型及其特点 6
3.1.2 PLC系统的组成部分 7
3.1.3 PLC I/O分配表 8
3.2变频器选型 9
3.3系统主风机选型 10
3.3.1 矿井主扇风机概述 10
3.3.2风机主要技术指标 11
3.4硬件接线图设计 12
3.4.1外部接线主电路 12
3.4.2硬件外部接线图 13
3.5传感器的选型 15
3.5.1瓦斯传感器 15
3.5.1压力传感器 16
3.5.2井内温度传感器 16
3.5.3电机温度传感器 16
第四章 矿井通风系统软件功能介绍 17
4.1系统软件流程图 17
4.2通风系统检测 17
4.2.1模拟量的采集 17
4.2.2 瓦斯的检测 19
4.2.3风压的检测 20
第五章 系统上位机的设计 21
5.1 组态变量的建立及设备连接 21
5.1.1 新建项目工程 21
5.1.2 新建变量 22
5.2 组态的界面 23
5.2.1 登录界面 23
5.2.3 系统主界面 23
5.2.4 瓦斯报警设计 24
5.2.5 瓦斯PID曲线界面 26
5.2.6 报警窗口界面 27
第六章 系统的运行调试 29
6.1 组态运行调试 29
6.1.1矿井通风控制与监测系统界面 29
小结与致谢 30
参考文献 31
第一章 引言
1.1课题背景
当今国内的矿井通风系统根据不同矿井的通风方式和通风方法、以及各地风流所流经的井巷连接系统及控制风流的通风构筑物等的总称。因而矿井通风系统的稳定性是确保矿井安全的重要因素，促进经济稳定快速发展。
目前国内煤矿的开采百分之九十五都是地下作业。依据一些煤矿资料和相关新闻报道，国内煤矿开采事故比例逐渐增加，由72.8%上升到89.6%。煤矿开采发生事故的71%以上由于瓦斯爆炸的原因直接或者间接造成人员身亡。矿井开采的不安全因素影响我国经济的飞速发展，同时给煤矿产业造成巨大的经济损失。
目前国内煤矿产业事故发生频率较高，事故造成许多人员伤亡。煤矿事故发生的重要原因之一是煤矿开采时产生的瓦斯爆炸，瓦斯事故的经常出现，给煤矿开采带来巨大的问题，不仅影响国家在煤矿经济的发展，而且对施工人员的生命安全造成威胁。
就当今煤矿开采局面而言，煤矿瓦斯事故是长期的存在。事故之所以经常发生是因为开采方式太过陈旧,所以在这样生产效率低下而且极易暴露问题过程中煤矿事故自然成为一种常态。煤矿事故的因素有很多，不仅有地域因素、人为因素、技术因素和研究此类问题的不足，同时这也是国家的体制不完善、工矿管理的混乱，以及煤矿企业缺少文化安全教育等等。
国外发达国家从二十世纪90年代对矿井的通风系统开始研究，通常都会将煤矿的检测装置、保护装置以及控制装置集为一身构成在线监控通风控制系统，既能调节风量的大小问题，也能实行自动调速。有针对性的对风机的运行状态进行诊断分析，预警以及报警等智能功能。以上种种实现对风机运行做了检测分析，保证煤矿开采的安全有序进行。现在好多国家都使用旋式风机系统为煤矿通风系统，最近一段时间很多国家尝试在电机工作状态中调整风机叶片角度的液压式转动叶片风机，对比试验后发现效果显著。当前德国属于TLT行业的领头，相继液压式转动叶片的轴流风机，一般运行下电机效率介于84%～89%。我国对轴流式风机的研究发展比较缓慢，对通风机风量的调节与国外发达国家相比还是有一定的差距。调节分为以下两种调节：风机停止运行的情况下进行人工调节和讲个风机降温后调节。以上调节方式效率低、准确度不高、自动化程度远远不够。我国不仅在技术发展上不合格，还在矿井通风机安装区域也不合理。风机一般情况下安装在管理人员较远区域，这样对检测就带来很大的安全隐患。我国生产通风机的厂家对通风机制造和检测过程中，大部分只做了简单的检测和调试，并没有根据不同区域进行相应的调整。随着时代的前进，经济和科技不断发展，越来越多的生产企业把重点放在安装和检测上，根据不同的区域做出相对应的调整方案。安装和检测再加入现代化的通信监控是重点，因此具有显示当前状态、预警和报警人员、状态识别、模拟量的动态平衡控制等功能。
按上述方案在现实操作中获得显著效果，但是我国对煤矿开采工业安全的科技投入一般般，在教堂的学习和实际应用有很大的区别，我国煤矿技术人才相比国外落差太大，而且我国煤矿设备投入少，没有先进的设备，教学的成果在实际应用中相对低下，矿工人员没哟进行完善的安全生产教学，安全生产意识薄弱，安全问题比较容易出现，较为突出的是瓦斯爆炸，我国在煤矿安全监控上还没有完整的安全生产系统。
1.2本课题研究的主要内容
现在我国煤矿通风主要采取的是局部通风和全风压排放瓦斯两种方法，其中局部通风主要采用将煤矿掘进面的瓦斯和通风过程巷道中的瓦斯排出，而全风压则排放开采隅角瓦斯，然而以上两种方式排放瓦斯的方法不够完善，会有瓦斯未排放干净。以上这两种排放方式都容易造成矿井瓦斯排放不彻底，积存瓦斯，所以采用远程监控通风系统是解决目前瓦斯排放的最有效的手段之一，改进我国现有的矿井通风方式就是本课题研究的内容。
本系统采用对旋轴风机在矿井通风系统中的使用为研究导向，根据三菱FX2N PLC为基础，同时加入传感器、变频器等硬件共同设计自动化风机监控系统。本系统采取高质量的传感器和高技术含量的矿井主通风机监控方式，与此同时，本系统使用变频器变频调速控制方式，使得风机能够实现实时变频运行，节约电能与延长电机寿命相结合，减少资源的不必要浪费。为了矿井工作人员能够有效远程监控与调控系统预警，本系统选用FX2N PLC与计算机通信，从而为种鸽系统运行中所展现的状态能够实施有效的监控。
本论文讨论研究分为以下几部分：
1 根据系统要求，采用三菱FX2N系列 PLC以及通风机和系统所需要各类硬件型号的传感器等元件。
2 传感器能检测矿井内的环境指标是否超过所设置的警戒值，例如矿井下的瓦斯、温度、井口的风压以及风机自身的温度达到上限时，传感器的监测系统就会实时的发出警报提示矿井工作人员及时采取相应的措施。
3 本系统中加入变频器，通过 PLC与变频器的配合使用在风机运行过程中可以实现自动调速功能，同时加入人工手动切换功能使风机处于人工调节状态。
4 采用实时监控，利用温度传感器、瓦斯传感器、压力传感器等相关传感器监测矿井内部的环境因素，本系统使用的温度传感器实时检测电机的运行时的温度，从而大大的降低了电机的损耗，可以使风机安全有效的长时间工作。
5 传感器工作中检测外界瓦斯、温度、风压等状态参数，经过A/D转换成PLC可以识别的数字信号，根据编程设定的方式计算出矿井所需风力的大小以及需要给变频器输入的参数，再经过变频器的变频控制实现风机的风速调整。
6本系统设计相关电路图以及与变频器和PLC等传感器相连接的接线图。
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