CN204436470U - 一种基于plc的矿井通风控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于PLC的矿井通风控制系统，其特征在于：包括通风机和设置在其内的控制系统，控制系统包括PLC控制器和与PLC控制器输入端连接的变送器、手动/自动切换模块，变送器的输入端与瓦斯传感器、压力传感器连接，PLC控制器输出端连接声光报警模块、工频/变频切换模块和变频器，变频器输入端连接380V交流电模块，变频器输出端连接电动机；电动机连接通风机，通风机内设置隔爆箱体,进出线接线腔，PCD1控制系统，变频器，瓦斯传感器、压力传感器组成的信号采集单元，PLC控制器和散热器。本实用新型结构简单，设计合理，使用操作便捷，可靠性高，功能完备，性能优异，实用性强，使用效果好，便于推广使用。

Description

一种基于PLC的矿井通风控制系统

技术领域

本实用新型涉及矿井安全控制技术领域，尤其是涉及一种基于PLC的矿井通风控制系统。

背景技术

矿井通风控制是井下采、掘行业必不可少的环节，特别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非常重要。因此，矿井通风的控制具有重要的理论意义与实际意义，近年来受到格外关注。

所谓通风控制，主要是针对矿井风流的控制，通过对通风机进行调速来控制风流状态。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控制，由于无法每时每刻对矿井的风量进行准确的定位监测，很难准确控制风机的启停；并且出现故障多，可靠性差，给维修带来很大的麻烦。以往通风控制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，系统的维护、维修工作量较大；另一方面，由于风量的随机性，所使用的风量是动态的，采用传统方法难以保证通风的实时性。

从整体最优目标要求出发，这些因素必须在控制设计中加以考虑，这就需要寻找并应用行之有效的方案设计，从而来满足这些要求使设计变得简单易行。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于PLC的矿井通风控制系统，其采用自动化控制对整个矿井通风系统进行改进，将所关心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控制输入，并考虑实际上瓦斯浓度、风流流速检测滞后的基础上，应用控制理论与技术解决这类矿井通风控制问题，在整体上求得技术与经济的最佳效益。其结构简单，设计合理，使用操作便捷，可靠性高，功能完备，性能优异，实用性强，使用效果好，便于推广使用。

    为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：一种基于PLC的矿井通风控制系统，其特征在于：包括通风机和设置在其内的控制系统，所述控制系统包括PLC控制器和与PLC控制器输入端连接的变送器、手动/自动切换模块，所述变送器的输入端与瓦斯传感器、压力传感器连接，所述PLC控制器输出端连接声光报警模块、工频/变频切换模块和变频器，所述变频器输入端连接380V交流电模块，所述变频器输出端连接电动机；所述电动机连接通风机，所述通风机内设置隔爆箱体,进出线接线腔,PCD1控制系统，变频器，瓦斯传感器、压力传感器组成的信号采集单元，PLC控制器和散热器。

    上述的一种基于PLC的矿井通风控制系统，其特征在于：所述PLC控制器采用西门子公司S7-200系列CPU型号为226的PLC。

    上述的一种基于PLC的矿井通风控制系统，其特征在于：所述变频器选用富士变频器G11S系列变频器。

    上述的一种基于PLC的矿井通风控制系统，其特征在于：所述瓦斯传感器选用CH217瓦斯传感器。

    上述的一种基于PLC的矿井通风控制系统，其特征在于：所述压力传感器选择压阻式压力传感器。

    上述的一种基于PLC的矿井通风控制系统，其特征在于：所述变送器采用SK1151系列电容式压力变送器。

上述的一种基于PLC的矿井通风控制系统，其特征在于：所述电动机选用三相鼠笼型异步电动机。

上述的一种基于PLC的矿井通风控制系统，其特征在于：所述通风机控制系统采用双电源方式供电。

本实用新型与现有技术相比具有以下优点：

1、本实用新型将PLC与变频器结合在一起组成自动化的通风控制系统，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进行逻辑控制，用变频器对电机速度进行调节，自动控制电机转速，在保持恒压状况下，达到控制风量的目的。

2、本实用新型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、判断，将控制信号送给变频器，从而控制通风电机的转速，使之实现最优控制。

3、本实用新型具有“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，同时还有手动“启/停”功能、电机过热保护、声光报警等功能，提高了系统可靠性。

综上所述，本实用新型结构简单，设计合理，使用操作便捷，可靠性高，功能完备，性能优异，实用性强，使用效果好，便于推广使用。

下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本实用新型的通风机控制系统总体结构框图；

图2为本实用新型的通风机结构原理图；

图3图2为的A向视图；

图4为本实用新型的PLC控制器原理图；

图5为本实用新型的通风机控制系统工作主电路图；

图6为本实用新型的变频器接线图；

图7为本实用新型的供电电源结构原理框图；

图8为本实用新型的变频器热保护电路原理图。

附图标记说明:

1、PLC控制器；2、瓦斯传感器；3、压力传感器；4、变送器；

5、380V交流电模块；6、声光报警模块；7、工频/变频切换模块；

8、手动/自动切换模块；9、变频器；10、电动机；11、通风机；

111、隔爆箱体；112、进出线接线腔；113、PCD1控制系统；

115、信号采集单元；117、散热器。

具体实施方式

    如图1、图2和图3所示，一种基于PLC的矿井通风控制系统，其特征在于：包括通风机11和设置在其内的控制系统，所述控制系统包括PLC控制器1和与PLC控制器1输入端连接的变送器4、手动/自动切换模块8，所述变送器4的输入端与瓦斯传感器2、压力传感器3连接，所述PLC控制器1输出端连接声光报警模块6、工频/变频切换模块7和变频器9，所述变频器9输入端连接380V交流电模块5，所述变频器9输出端连接电动机10；所述电动机10连接通风机11，所述通风机11内设置隔爆箱体111,进出线接线腔112,PCD1控制系统113，变频器9，瓦斯传感器2、压力传感器3组成的信号采集单元115，PLC控制器1和散热器117。

如图4所示，为本实施例的PLC控制器原理图，所述PLC控制器1采用西门子公司S7-200系列CPU型号为226的PLC。该系列可以单机运行，容易组成PLC网络，且具有可靠性高，运行速度快的特性，使用方便灵活等特点。

系统工作主电路如图5所示，当系统切换到自动状态时，根据检测到矿井内负压的大小，首先控制通风电机M1软启动，变频运转并随时检测其数值，如果得到设定值，系统将处于当前状态恒速运行。否则频率上升到50Hz，M1工频运行，如果还未得到设定值，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电机转速逐渐下降到某一个设定低速值，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，如果仍高于设定值，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，以及需要维修和紧急情况时，通过启用M3电机来达到正常工作的目的。

    如图6所示，为本实施例的变频器接线图，所述变频器9选用富士变频器G11S系列变频器。它具备以下功能：

    （1）简单矢量控制功能，简单矢量控制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控制电动机的恒定值，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恢复运转。

（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时，该功能可以自动降低频率；负载恢复正常后，该功能又自动将频率恢复到原设定值并继续运行；该功能还可以防止某些机械运行中因过电流而跳闸。

控制系统用一台变频器可以带两台电机，M1、M2、M3电机可以工作在常规工频模式，M1、M2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PLC和外部接触器进行互锁，保证了安全与可靠的运行。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PLC，数值在PLC内部进行比较后，控制变频器从而对电机的速度控制。根据所需负压的大小由PLC控制工作组电机数量的增减及变频器对电机的调速，实现稳定的负压值。

采用变频器控制通风电机的转速，并自动调节风机的运行台数，完成系统的闭环控制，达到稳定的负压和节能的目的。系统任意设定所需负压值，其反馈值通过PID调节后控制调速装置，以调节通风电机的运行速度，从而调节井内的瓦斯浓度。这与传统的手动控制相比，该控制系统具有通风质量高、灵活性强、能耗少、电动机启/停平稳等许多优点。

    本实施例中，所述瓦斯传感器2选用CH217瓦斯传感器。CH217采用全CMOS工艺制造，具有输入阻抗高，功耗低的特点；又由于采用了最新低压CMOS线性电路设计技术，并巧妙地将线性电路与逻辑电路组合成完整的功能系统，因而具有工作电压低、满足井下工作环境要求等特点。

其报警电路工作过程：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，由其将传感器的微弱信号放大后由19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上提取的预报与危险两种基准信号VL、VH进行比较，形成报警控制信号FI(11脚)和SE(14脚)。当Vx＜VL时，两报警控制信号同时为低电平，说明此时瓦斯浓度很低，没有危险，不需要报警；当VL＜Vx＜VH时，预报警控制信号FI为高电平，危险报警控制信号SE为低电平，说明此时瓦斯有了一定的浓度,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，两报警控制信号同时为高电平，说明此时瓦斯浓度已达到了危险的程度，这时CH217通过第3脚输出频率较高的声音危险报警信号, 光报警信号仍然通过2脚输出。

    本实施例中，所述压力传感器3选择压阻式压力传感器。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一定形状的应变元件，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、测量范围宽、频率响应宽、工作可靠寿命长、受温度影响大。

    本实施例中，所述变送器4采用SK1151系列电容式压力变送器。SK1151系列电容式变送器还具有以下特点：精度高，稳定性好，二线制输出标准电流（0-20mA）；阻尼可调、单向过载保护特性好，无机械可动部件、维修工作量少；全系列统一结构、零部件互换性强，接触介质的膜片材料可选择，（316L，TAN，HAST-C、MONEL等耐腐蚀材料）防爆结构、全天候使用。

    本实施例中，所述电动机10选用三相鼠笼型异步电动机。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/变频情况下都正转，并且可以手动控制。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，且可以手动控制。1#泵和2#泵电机顺序起动，附属小泵电机起平衡作用。要求各个电机都具有短路和过载保护。

如图7所示，为本实施例的供电电源结构原理框图，所述通风机控制系统采用双电源方式供电。此供电方式的优点：掘进工作面采用2台通风机供风，2台通风机由2路不同的电源线路供电。2台通风机可以同时运转，如果其中的一路供电线路出现故障，则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可靠。掘进工作面局部通风机采用合理的供电方式，能保证掘进工作面局部通风机正常工作，确保安全生产。有电则风流通畅，有风则瓦斯不会聚集。

系统控制原理是：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调节器，经运算与给定压力参数进行比较，得出调节参数送给变频器，由变频器控制风机电机的转速.。

另外，系统还设置有故障保护功能，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（若通风机功率大于37kW，则需要采用降压启动方式），经过一定延时后根据井内瓦斯浓度，PLC则按实际情况在工频状态下切换。当出现停机、电动机欠压电、过压或故障等情况时，均能由蜂鸣器发出警报声。如图8所示，当电动机内的温度变化时，由于热敏电阻R1(PTC)的阻值变化,使A点的电位也随之变化。A点的电位和基准值（与电动机的额定温升相对应）比较，比较结果将决定继电器KT触点的状态。当电动机过热时，A点电位超过基准值，使KT闭合，变频器将因为得到过热信号而报警或跳闸。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型作任何限制，凡是根据本实用新型技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本实用新型技术方案的保护范围内。

Claims (8)

1.一种基于PLC的矿井通风控制系统，其特征在于：包括通风机（11）和设置在其内的控制系统，所述控制系统包括PLC控制器（1）和与PLC控制器（1）输入端连接的变送器（4）、手动/自动切换模块（8），所述变送器（4）的输入端与瓦斯传感器（2）、压力传感器（3）连接，所述PLC控制器（1）输出端连接声光报警模块（6）、工频/变频切换模块（7）和变频器（9），所述变频器（9）输入端连接380V交流电模块（5），所述变频器（9）输出端连接电动机（10）；所述电动机（10）连接通风机（11），所述通风机（11）内设置隔爆箱体（111）,进出线接线腔（112）,PCD1控制系统（113），变频器（9），瓦斯传感器（2）、压力传感器（3）组成的信号采集单元（115），PLC控制器（1）和散热器（117）。

2.按照权利要求1所述的一种基于PLC的矿井通风控制系统，其特征在于：所述PLC控制器（1）采用西门子公司S7-200系列CPU型号为226的PLC。

3.按照权利要求1所述的一种基于PLC的矿井通风控制系统，其特征在于：所述变频器（9）选用富士变频器G11S系列变频器。

4.按照权利要求1所述的一种基于PLC的矿井通风控制系统，其特征在于：所述瓦斯传感器（2）选用CH217瓦斯传感器。

5.按照权利要求1所述的一种基于PLC的矿井通风控制系统，其特征在于：所述压力传感器（3）选择压阻式压力传感器。

6.按照权利要求1所述的一种基于PLC的矿井通风控制系统，其特征在于：所述变送器（4）采用SK1151系列电容式压力变送器。

7.按照权利要求1所述的一种基于PLC的矿井通风控制系统，其特征在于：所述电动机（10）选用三相鼠笼型异步电动机。

8.按照权利要求1所述的一种基于PLC的矿井通风控制系统，其特征在于：所述通风机控制系统采用双电源方式供电。