井下风机控制方案

摘要 (1)

1 通风系统及主扇风机控制方案 (1)

1.1通风系统的设计方案 (2)

1.2矿井主扇风机的控制方案 (3)

1.2.2 矿井主扇风机的供电系统 (3)

2 系统硬件构成及各部分功能 (3)

2.1PLC可编程控制器部分 (3)

2.1.1 PLC概述 (3)

2.1.2 PLC的应用 (5)

2.1.3 典型的PLC产品 (5)

2.1.4 PLC外部 I/O 连接 (6)

2.2变频器 (7)

2.3变频器的选型和容量的确定 (8)

2.4模数转换模块 (9)

3 通风系统硬件的设计 (9)

3.1硬件电路 (9)

3.2系统控制电路设计 (10)

4 通风机远程测控系统设计 (11)

4.1通风机自动测控系统的功能 (11)

4.2通风机自动监控系统的整体结构 (11)

4.3通风机自动监控系统运行方式 (12)

5 矿井通风机自动监控系统硬件设计 (13)

5.1系统的组成和特点 (13)

总结 (14)

摘要

随着煤矿开采工作面的不断深入，井下巷道管网阻力越来越大，煤矿仅靠地面主通风机已不能满足井下通风要求，而改扩建井下巷道既影响安全生产，投资由大。在煤矿井下主巷道串联辅助通风机是目前解决这一难题的简便而又十分安全可靠的方案。本方案是以矿井对旋轴流风机为研究对象，以工业控制计算机为核心，由下位机和上位机及数据采集系统组成。下位机采用PLC作为从站，采集高压系统状态，包括：电压、电流、频率、有功功率、合分闸信号及风机的风量、风压、风速、振动信号，并送出高压系统远控合分闸信号。上位机采用工业控制计算机作为主机，西门子WINCC人机界面作为上位机，与PLC进行通讯，把PLC采集的数据读入工控机并在界面上显示，通过RS485通讯方式与电控柜综合保护器通讯，采集电控系统电压、电流、频率、有功功率信号并显示，所有电机轴承温度和定子温度均通过PT100直接输入PLC模拟量模块，并在工控机上通过WINCC进行显示。同时，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。

1 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。同时PLC与工控机联网运行可以实现了井下风机在井上控制室的远程测控。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。

（7）井上控制中心通过工控机可以对井下风机进行远程测控。

图2.1 通风系统原理框图

1.1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 ×45 kW 为例，选用一台S7—200 PLC、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。同时PLC与井上控制室工控机进行联网可以实现井上控制中心对风机的远程测控。

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，具有现场控制方式及井上控制中心远程控制方式、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 4～20 mA 直流电流信号、0 ～5 V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。

1.2 矿井主扇风机的控制方案

1.2.2 矿井主扇风机的供电系统

本控制系统采用单母线分线制，两路电源进线，由联络柜实现互为备用；电机采用电机启动柜的直接启动，由电机微机保护测控装置实现对电机的保护；为了保证整个系统运行的可靠性，两进线中间设计有联络柜，可以实现两进线的电源的互为备用，进行维护、检修时保证电源不间断，进而保障通风机工作的连续性。

2 系统硬件构成及各部分功能

2.1 PLC可编程控制器部分

2.1.1 PLC概述

PLC即可编程控制器（Programmable logic Controller，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（International Electrical Committee）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：