基于PLC的局部通风机控制与设计.pdf

文章编号 1672- 5050 （2012） 01- 0067- 03 张凤琴 （山西霍州煤电 李雅庄煤矿， 山西霍州031400 ） 摘要 局部通风机用于矿山巷道掘进通风时， 稳定� 可靠� 节能� 降噪是其基本要求的目标�局部通风机自动控制在煤 矿节能高效安全运行中具有重要作用�根据煤矿现场实际情况，分析了局部通风机的风量和掘进巷道内的瓦斯浓度间的关 系� 采用西门子 S7- 200PLC 的 PID 控制功能控制变频器， 基于 PLC 实现了局部通风机随煤矿掘进工作面瓦斯浓度变化的自 动变频调速� 系统稳定� 可靠， 具有故障诊断� 故障报警等功能� 在保证了煤矿的安全生产的同时， 达到了节能� 降低耗材� 自动 控制的目的� 关键词 PLC； PID 闭环控制； 局部通风机； 变频器 中图分类号 TD635文献标识码 � 基 于PLC的 局 部 通 风 机 控 制 与 设 计 收稿日期 作者简介 张凤琴 （6 �） ， 女， 山西临猗人， 大学本科， 工程师， 从事机电技术与管理工作� 矿井巷道掘进是瓦斯煤尘等事故的多发地点， 局 部通风机是井下掘进过程中最主要的通风设备� 传统 局部通风机一般采用交流接触器手动控制， 风机转速 不能随着瓦斯浓度的变化而变化， 没有根据反馈信息 调节， 不能针对掘进工作面的实际情况调整�本文设 计出 PLC控制器� PID 闭环控制�变频器相结合的自 适应煤矿随掘进工作面瓦斯浓度变化的变频调速系 统；并介绍了 PLC的 PID 闭环控制系统，（包括硬件 设计和软件设计 ） ，通过实验室模拟达到稳定可靠的 自动调节目的�该系统在保证煤矿安全生产的同时， 提高了煤矿的自动化程度，减少了人为操作失误率， 为煤矿安全高效生产提供了保证� �系统总体设计 利用瓦斯传感器检测各点的瓦斯浓度变化， 计算 所需风量， 自动控制局部通风机转数， 实现瓦斯无超 限排放的控制� 掘进工作面瓦斯传感器应布置在工作 面的进风流� 工作面� 回风流， 见图 1� 各个传感器的设置浓度� 位置根据煤矿安全规程 具体设置�进风流中的瓦斯浓度不超过 0.5传感器 T1 监测时开启风机， 其报警浓度 0.5CH4， 断电浓度 0.6CH4， 复电浓度 0.5CH4�瓦斯传感器 T2装在掘 进工作面附近�5m， 其瓦斯报警浓度 1.0CH4， 断 电浓度 1.5CH4， 复电浓度为 1.0CH4�T3设在掘进 工作面入口附近， 监控回风流中瓦斯变化， 报警浓度 1.0CH4，断电浓度 1.1CH4，复电浓度浓度 1.0 CH4�PLC不断采集瓦斯传感器 T1�T3的数据， 与 PID 设定的浓度对比， 当浓度小于设定浓度时不工作， 当 浓度大于设定的浓度时， 控制变频器， 从而控制通风 机的转速， 改变输出风量， 实现瓦斯最大效率的无超 限排放� �PLC的 PID控制 工业生产中,控制温度� 压力� 流量等连续变化的 模拟量， 最常用方闭环控制法�使用模拟量控制器的 模拟控制系统， 还是使用计算机 （包括 PLC ） 的数字 控 制 系 统 ， PID 控 制 都 得 到 广 泛 应 用 � PID （Proportional Integral Derivative ） 控制器是比例积分 微分控制的简称，其优点是不需要精确地控制系统 数学模型， 有较强的灵活性和适应性， 而且 PID 控制 图 1瓦斯传感器分布图 B�变频器； F�局部通风机； D�风筒； T�瓦斯传感器 67 2011-09-27 19 7 器的结构典型� 程序设计简单� 工程上易于实现� 参数 调整方便�连续系统中的 PID闭环控制系统， 见图 2� 图 2 中 � � � 是给定值； � � � 为反馈量； � � 为系统 的输出量， PID 控制器的输入 / 输出关系见式1 � （t ） � c �（t） 1 � � t 0� �（t ） dt 1 � � de （t） � � �� � 0 （1 ） 式中� （t ） 为控制器输出； �0为输出的初始值； e （t） � �（t ） -� �（t ） 为误差信号； � c为比例系数； ��为积分时 间常数， � �为微分时间常数� 等号右边前三项分别是 比例� 积分� 微分部分， 它们分别与误差� 误差的积分 和微分成正比�图 3 是西门子公司 S7- 200 PLC PID 闭环控制系统� 模拟量闭环控制中， 被控量 � （�） 是连续变化的 模拟量， 某些执行机构要求 PLC 输出模拟 信号 � （�） ， 而 PLC的 CPU 只能处理数字量�� （�） 首先被 测量元件 （传感器） 和变送器转换为标准量程的直流 电流信号或直流电压信号 � � （�） ， PLC的模拟量输入 模块用 A/D转换器将它们转换为数字量 � � � � PLC按 照一定的时间间隔采集反馈量，并进行 PID 控制的 计算�这个时间间隔称为采样周期 （或采样时间 ） � 图 3 中的虚线部分在 PLC 内， � � �� � ��� ��， �n均 为第 � 次采样时的数字量， � �（�） � � （�） � �（�）为连续 变化的模拟量�许多控制系统中， 可能只需要 P� I� D 中的 1 种或者 2 种控制类型�例如， 可能只要求比例 控制或比例与积分控制，通过设置参数可对回路控 制类型进行选择� �硬件设计 本文设计采用西门子公司的 S7- 200CPU222 和 EM235 模拟量扩展模块， 控制变频器 MM420 调节风 机转速�S7- 200CPU222 本机集成的 24V 负载电源， 可直接连接到传感器， CPU222 具有 180 mA 输出， 集 成 8 输入 /6 输出共 14 个数字量 I/O 点� EM235 是最 常用的模拟量扩展模块， 它实现 4 路模拟量输入和 1 路模拟量输出功能� MICROMASTER420 （MM420 ） 是用于控制三相交 流电动机速度的变频器�由微处理器控制， 并用现代 先进技术水平的绝缘栅双极型晶体管 （IGBT ） 作为功 率输出器件�因此， 它有很高的运行可靠性和功能多 样性�其脉冲宽度调制的开关频率是可选的， 因而降 低了电动机运行的噪声�全面而完善的保护功能， 为 变 频器 和 电动 机 提供 了 良 好的 保 护 �S7- 200 CPU222� EM235 模拟量扩展模块� 变频器 MM420 的 接线图， 见图 4� 瓦斯传感器信号输出是 4 mA�20 mA 电流， EM235 模块将它转换成 PLC 可以接受的数据， 经 PID 控制器运算后，转变成 010V 电压来控制变频 器从而控制局部通风机的电机� �软件设计 系统程序设计采用模块化� 功能化结构， 便于调 试和扩展， 主要有 控制主程序� 模拟量采集和计算 程序� PID 控制程序� 报警子程序等程序� 编程上采用 西门子 PLC编程软件 STEP7 MicroWIN V4.0� 该软件 包含的 PID 功能指令与模拟量输入 / 输出模块 EM235 配合使用， 能够实现用 PID 过程控制的功能� 主程序流程， 见图 5� �实验室模拟简况 图 2连续闭环控制系统 图 3� � �� � �闭环控制系统 图 4系统硬件接线图 68 将 编 好 的 程 序 通 过 PLC 编 程 软 件 STEP7 MicroWIN V4.0 下载到 PLC， 按照图 4 将线接好�由 于瓦斯传感器信号输出是 4�20 mA 电流，所以 EM235 模块 DIP 开关设置， 如表 1 所示� 采用西门子 G110 变频器代替 MM420，因为 G110 变频器是驱动 200V�240V， 0.2kW�3 kW 电 机； MM420 驱动高电压大功率电机， 故设置见表 2� 设置完以后， 通电进行自动和手动测试� 6结论 （1 ） 实验室模拟表明采用 PLC� PID 控制器� 变频 器组成的局部通风机节能控制系统运行良好可靠� （2 ） 采用 PLC和变频器， 不仅实现了根据瓦斯浓度自 动调节风机转速， 而且实现了电机的软启动， 可消除 对电网和负载的冲击，避免产生操作过电压而损伤 电机， 延长了风机的使用寿命�PID控制可设定浓度 值， 使操作更灵活� （3 ） 该设计满足了需要， 节约了大 量酌情电能， 控制可靠， 抗干扰能力强， 操作方便， 提 高了煤矿的安全性和自动化水平� 图5主程序流程图 表 1� �235模块 � � �开关设置 单极性 满量程输入分辨率 SW1SW2SW3SW4SW5SW6 ONOFFOFFOFFOFFON0�20 mA5�A 参考文献 [1]强宝民， 肖晟.S7-200 PLC 在 PID闭环控制系统中的应用[J].现代电子技术， 2008， 2314173- 175. [2]解辰， 李云鹏， 王彬.基于 PLC 和变频器的电站锅炉引风机控制系统[J].电站系统工程， 2008， 24561- 62. [3]西门子公司.Siemens Simatic S7- 200 可编程序控制器系统手册[M].北京西门子公司， 2004. [4]西门子有限公司自动化与驱动集团， 深入浅出西门子 S7-200 PLC.[M].北京航空航天大学出版社， 2004. � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �� � � � � � � A� �� � � � - � � � Diversified Company Liyazhuang Mine, Huozhou Coal and Electricity Group, Huozhou Shanxi 031400 A� � � � � � � When local ventilator is used in the process of mine roadways driving, its basic requirements are stability, reliability, energy saving, and noise reducing. Its automatic control is very important for efficient and safe production. Based on the field situation, the relationship between wind volume of the local fan and gas concentration is studied. With PID control converterS7- 200PLC, the automatic frequency- speed regulation is realized in accordance with the gas concentration variation based on PLC. The system has stability, reliability, failure diagnosis, failure alarm, and other functions. Besides, energy conservation, low cost and automatic control are achieved. � � �� � � � � L ;ID;; f qy编辑 刘新光 表 2变频器参数设置 参数号参数名称设定值说明 P0304电机额定电压220V P0305电机额定电流0.5A P0306电机额定功率0.75kW P0310电机额定频率50Hz P0311电机额定转速1460r/min P0700选择命令信号源2由端子排输入 P1000选择频率设定值2模拟设定值 P1080最小频率5Hz 6� P C Pclosed-loop control local ventilator re uenc converter