毕业设计（论文）-基于PLC的离心风机变频调速控制系统设计.doc

目目 录录 1 绪论.1 2 系统结构和控制方案.2 2.1 系统的设计功能.2 2.2 系统结构和方案.2 3 系统硬件构成及各部分功能.4 3.1 PLC 可编程控制器部分.4 3.1.1 PLC 概述 .4 3.1.2 PLC 外部 I/O 连接.5 3.2 变频调速的基础知识.7 3.3 模数转换模块.8 3.4 离心风机.8 3.5 变频器的选型和容量的确定.9 4 系统硬件设计.10 4.1 硬件电路.10 4.2 系统控制电路设计.11 5 软件设计.12 5.1 瓦斯浓度控制部分.13 5.2 压力控制部分.14 5.3 温度控制部分.16 6 结束语.17 致谢.18 参考文献.18 附图 总程序.19 1 河南科技学院河南科技学院 2009 届本科届本科毕业论毕业论文（文（设计设计） ） 论论文文题题目：基于目：基于 PLC 的离心的离心风风机机变频调变频调速控制速控制 系系统设计统设计 学生姓名：学生姓名： 黎黎 永永 闯闯 所在院系：所在院系： 机机电电学院学院 所学所学专业专业： ： 应应用用电电子技子技术术教育教育 043 导师导师姓名：姓名： 刘法治刘法治 完成完成时间时间： ：2009 年年 05 月月 20 日日 2 河南科技学院本科生毕业论文（设计）任务书河南科技学院本科生毕业论文（设计）任务书 题目名称 基于 PLC 的离心风机变频调速控制系统设计 学生姓名黎永闯所学专业应用电子技术教育学号20040325040 指导教师姓名 刘法治所学专业机电一体化职称高级实验师 完成期限 2008 年 12 月 12 日 至 2009 年 6 月 5 日 论文（设计）主要内容及主要技术指标 1.主要内容 采用 PLC 控制技术对原有离心风机控制系统进行改造, 设计基于 PLC 的离心风机变频调速控 制系统。研究内容包括系统结构和控制方案、控制系统硬件设计、控制系统软件设计。 2.技术指标 （1）PLC 容量和性能要与任务相适应，PLC 运行速度要满足实时控制的要求； （2）变频器的容量要与驱动离心风机的电机功率相匹配，变频调速方式选择适当； （3）传感器接线形式要与 PLC 的 I/O 接口相匹配； （4）系统具有手动/自动转换、在线监控及在现场调试、驱动离心风机的电机过热保护，故障报 警等功能。 毕业论文（设计）的基本要求 1.毕业设计报告：有 400 字左右的中英文摘要，正文后有 20 篇左右的参考文献，正文中要引用 5 篇以上文献，并注明文献出处。 2.有不少于 2000 汉字的与本课题有关的外文翻译资料。 3.毕业设计字数在 20000 字以上。 4.结构图和电路图。 5.I/O 地址表、梯形图或程序清单。 三、毕业论文（设计）进度安排 1. 2008 年 12 月 22 日-1 月 9 日，下达毕业设计任务书；寒假期间完成英文资料翻译和开题报告。 2. 2009 年 2 月 16 日-2 月 27 日（第 1-2 周），指导教师审核开题报告和设计方案。 3. 2009 年 3 月 2 日-4 月 26 日（第 3-10 周），毕业设计单元部分设计。 4. 2009 年 4 月 27 日-5 月 1 日（第 11 周），毕业设计中期检查。 5. 2009 年 5 月 4 日-5 月 22 日（第 12-14 周），设计仿真、程序调试、线路板制作调试，整理、撰写 毕业设计报告。 6. 2009 年 5 月 25 日-6 月 5 日（第 15-16 周）上交毕业设计报告，指导教师、评阅教师审查、评阅 设计报告，毕业设计答辩资格审查。毕业设计答辩，学生修改整理设计报告。 3 河南科技学院本科毕业论文（设计）中期进展情况检查表河南科技学院本科毕业论文（设计）中期进展情况检查表 学生姓名黎永闯班级应教 043 班指导教师刘法治 论文（设计）题目基于 PLC 的离心风机变频调速控制系统设计 1.已经搜集了一些与本课题相关的文献资料。 2.已经完成了对离心风机控制结构的总体设计。 3.已经完成了对 PLC 和变频器的选型。 目 前 已 完 成 任 务 是否符合任务书要求进度：是 1.硬件控制电路的设计。 2.控制程序的编制。 3.系统功能的调试。 尚 需 完 成 的 任 务 能否按期完成论文（设计）：能 存 在 问 题 1.具体方案还没有确定，需要从几种方案中择优选择。 2.控制程序的逻辑结构还不太完善，需要认真考虑各种可能的情况。 3.论文中文字内容篇幅过多，需要精简。 存 在 问 题 和 解 决 办 法 拟 采 取 的 办 法 1.通过查阅相关资料，结合成本与功能分析，选择最优方案。 2.在硬件结构的设计中不断的完善软件结构的设计。 3.精简内容，对不重要的，空洞的内容一律删除。 指导教师签字日期年 月 日 教学院长（主 任）意 见 负责人签字： 年 月 日 4 河南科技学院毕业论文（设计）课题河南科技学院毕业论文（设计）课题审核表审核表 院（系）名称机电学院 专业名称应用电子技术教育 指导教师 姓名及职称 刘法治 高级实验师 课题名称基于 PLC 的离心风机变频调速控制系统设计 课题来源 横向联合 立题理由 和所具备 的条件 随着电力电子器件（包括半控型和全控型器件）的制造技术和基于电 力电子电路的电力变换技术的突破性进展，目前从家用电器直到大型电气 设备机械调速传动装置，交流调速电气传动已经上升为电气调速传动的主 流。 交流调速电气传动，主要是指采用电子式电力变换器对交流电动机的 变频调速传动。在交流异步电动机的诸多调速方法中，变频调速的性能最 好，调速范围大，静态稳定性好，运行效率高。根据离心风机的工作特点， 采用通用变频器对驱动离心风机的电动机进行变频调速控制，可实现节能 降耗目的。 学院具有 PLC 技术、电气技术、传感器技术等实验室，且课题老师长 期从事这方面的教学与研究，为课题的顺利进行作了必要的准备。 教研室 审批意见 教研室主任签字： 年 月 日 毕业论文（设 计）工作领导 小组审批意见 组长签字： 年 月 日 注：本表经教务处复审后存院（系）备查。 5 河南科技学院本科生毕业论文（设计）开题报告河南科技学院本科生毕业论文（设计）开题报告 题目名称： 基于 PLC 的离心风机变频调速控制系统设计 学生姓名黎永闯 专业应用电子技术教育 学号200040325040 指导教师姓名刘法治所学专业机电一体化职称高级实验师 完成期限2008 年 12 月 22 日至 2009 年 6 月 5 日 一、选题的目的意义 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。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，本文通过一个实例基于离心风机的矿井通风系统进行分析。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。 二、国内外研究现状 目前，我国煤矿使用的主要通风机种类繁多，性能参差不齐。由于多种原因，20 世纪 60 年代生产的 70B2 系列通风机还在一些煤矿使用，给矿井安全生产及经济效益带来不利的影 响。近几年随着煤矿经济形势的好转，以及国家对煤矿安全技改资金投入的增大，不少矿务局 开始新建接替矿井以及对现有生产矿井主要通风机进行改造，使得通风机进入了一个相对的 高峰期。如何从技术、经济角度选购适合自己矿井条件的通风机是广大通风机用户的共同期 盼。我国煤矿在役的主要通风机，以下几个系列的使用占有 90 %以上。这对有些矿井在通风 机能力不足时的改造、对设计及现场选购通风机、对现有通风机改造起到参考和帮助的作用。 三、主要研究内容 主要研究内容包括五个方面： 1.PLC 的应用与设计； 2.变频器的应用与设计； 3.A/D 模数变换电路的设计； 4.离心风机的控制电路设计； 四、毕业论文（设计）的研究方法或技术路线 准备从以下几个方面着手和实施： 1.查阅相关资料，选定设计方案，最终选定使用的元器件. 2.选定器件设计原理图. 3.根据绘制原理图，再次进行理论分析，确定其可行性. 4.根据原理图制作各模块电路原理图，完成电路的设计. 5.完成电路设计. 6 主要参考文献与资料 1史正勇.基于变频调速及 PLC 的风机控制系统的研究D.北京：北京科技大学机械工 程学院，2005 2汪向华，周捍东.工业除尘风机工况自动控制系统的研制J.林业产业，2006，33(6)： 5759 3杨铃.变频调速技术在离心式引风机控制中的节能分析J.风机技术，2006(4)：4748 4王树.变频调速系统设计与应用M.北京：机械工业出版社，2005 5李国厚.PLC 原理与应用设计M.北京：化学工业出版社，2005 6王廷才,王伟.变频器原理及应用M.北京： 机械工业出版社，2005 7蔡建军，孔鹏，陈维荣.基于 PLC 和变频调速的供暖锅炉控制系统设计J.仪器仪表用 户，2004，11(2)：2627 8徐健，王延年.基于 PLC 的高炉鼓风机控制系统的设计与实现J.西安工程科技学院 学报，2003(9) 9范永胜.变频器及可编程控制器在锅炉引风机上的应用J.机电产品开发与创新， 2004，17(3)：6466 10富魏，陈彦，张金学，韩晓春.鼠笼式三相交流异步电动机的变频调速系统的研制J. 淮海工学院学报，2001，10(2)：1922 11汪向华.家具车间气力输送装置变频调节自动控制系统的研究D.南京：南京林业大 学木材工业学院，2005 12姚福强，高正中，孙惠民，高正商.煤矿压风机变频调速系统的设计J.煤矿机械， 2003(12)：13 13薛庆吉，高有堂.PLC 对高压离心风机的控制J.电工技术杂志，2001(9)：2526 14杨永林.PLC 暨变频调速在凉水塔风机集群化控制上的应用J.电工技术，2005 (1)： 2125 15张雪平.PLC 在锅炉风机控制中的应用J.微计算机信息，2005，21(6)：4243 16苏有兰，曾文波，宁常红，李彬.基于 PLC 焦化出焦除尘控制系统的设计J.广西工学 院学报，2005(9) 17李全利.可编程控制器及其网络系统的综合应用技术M.北京：机械工业出版社， 2005 指导教师审批意见 签名： 年 月 日 摘要摘要 在最近几年，PLC 以其诸多优异特点获得广泛的使用，在工业先进国家已 7 成为工业控制的标准设备。它专为工业控制而设计，集电气、仪表、控制三电于 一体，是实现机电一体化的理想控制设备。 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， 实现对离心风机工作过程和运转速度的有效控制，使矿井通风机通风高效、安全， 达到了明显的节能效果。PLC控制系统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。 关关键词键词： ：矿井，离心通风机，PLC，变频器 PLC based on the centrifugal fan VVVF Control System Design 8 Abstract In recent years, PLC a lot of the characteristics of its wide use, in the industrially advanced countries have become the standard industrial control equipment. It is specifically designed for industrial control, set electrical, instrumentation, control three-in one, is to achieve the ideal of mechanical and electrical integration of control equipment. The PLC and inverter system will combine the use of pneumatic pressure to mine the parameters for the master to achieve the process of centrifugal fan speed and operation of effective control, so that efficient mine ventilation fan, security, achieve a significant energy-saving effect . PLC control system with the electric fan to drive over-temperature protection, fault alarm, mechanical breakdown and gas alarm features, such as the concentration of power, coal mine ventilation system for energy- saving technology to provide a new way. Key words: Mine, Centrifugal Fan, PLC, Inverter 1 绪论绪论 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。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，本文通过一个实例基于离心风 机的矿井通风系统进行分析。 9 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中，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；且因工作通风机一直高速运行，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。针对这一系列问题，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。PLC 控制系统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。 2 系系统结统结构和控制方案构和控制方案 2.1 系系统统的的设计设计功能功能 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 10 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1。 （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。 2.2 系系统结统结构和方案构和方案 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S72200 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。 plc 控 制 器 气压给定 瓦斯浓度给定 显示部分 报警部分 电控部分 变频器 1 变频器 2 机组 1 机组 2 空气压力传感器 瓦斯浓度传感器 矿 井 图 1 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2。 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 11 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 420 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3。 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。 3 系系统统硬件构成及各部分功能硬件构成及各部分功能 3.1 PLC 可可编编程控制器部分程控制器部分 3.1.1 PLC 概述概述 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： PLC 英文全称 Programmable Logic Controller，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， 12 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，输出模块相反。I/O 分为开关 量输入（DI），开关量输出（DO），模拟量输入（AI），模拟量输出（AO）等模块。 常用的 I/O 分类如下： 13 开关量：按电压水平分，有 220VAC、110VAC、24VDC，按隔离方式分，有继 电器隔离和晶体管隔离。 模拟量：按信号类型分，有电流型（4-20mA,0-20mA）、电压型（0-10V,0-5V,-10- 10V）等，按精度分，有 12bit，14bit，16bit 等。 除了上述通用 I/O 外，还有特殊 I/O 模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。 按 I/O 点数确定模块规格及数量，I/O 模块可多可少。但其最大数受 CPU 所 能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。 （3）电源模块：PLC 电源用于为 PLC 各模块的集成电路提供工作电源。同时， 有的还为输入电路提供 24V 的工作电源。电源输入类型有：交流电源（220VAC 或 110VAC），直流电源（常用的为 24VDC）4。 3.1.2 PLC 外部外部 I/O 连连接接 根据系统的要求，选取 S72200 PLC CPU224作为控制核心，CPU224的I/O点 数是14 /10;扩展了1个EM 231模拟量输入模块，它是A /D转换模块，具有4个模拟 量输入，12位A /D，其采样速度25s，空气压力传感器、瓦斯浓度传感器采集的信 号经过变送器调理和放大处理后，成为0 5 V的标准信号，再经过EM231模块 自动完成A /D转换；同时扩展了1个EM222数字量输出模块，它有8个数字量的输 出点，作用是提供附加的输出点，这样完全可以满足系统的要求。煤矿矿井通风 控制系统的设计主要涉及10个数字量输入和2个模拟量输入，15个数字量输出。 设置6个操作键、4个开关量传感器和2个模拟量。 传感器作输入信号，如表 1 所示。这 6 个操作键分别是自动方式开关、手动 方式开关、停机按钮、消音按钮及 2 个在手动控制下控制通风机运行的按钮开关， 4 个开关量传感器为拖动通风机的吸风电机和增风速电机发生堵转故障时热继 电器的控制开关，其中扩充了 1 个 EM231 的模拟量输入模块，主要是用于转换 气压信号和瓦斯浓度信号的。 表 1 PLC I/O 接口分配表 输入输出 序 号 名称地址 序 号 名称地址 1A 风机 1 电机状态I0.01故障显示Q0.0 14 3.1.3 I/O 接接线图线图 2A 风机 2 电机状态I0.12中高气压显示Q0.1 3B 风机 1 电机状态I0.23低气压显示Q0.2 4B 风机 2 电机状态I0.34报警Q0.3 5A 风机控制开关I0.45继电器 KM1Q0.4 6B 风机控制开关I0.56继电器 KM2Q0.5 7消音开关I1.07继电器 KM3Q0.6 8自动开关I1.18继电器 KM4Q0.7 9手动开关I1.29A 风机 1 电机运行显示Q1.0 10停止按钮I1.310A 风机 2 电机运行显示Q1.1 11气压信号I2.011B 风机 1 电机运行显示Q1.2 12瓦斯信号I2.112B 风机 2 电机运行显示Q2.0 13手动状态显示Q2.1 14自动状态显示Q2.2 15瓦斯浓度值Q2.3 3L Q1.6L10 Q1.7 L11 Q1.2 L6 Q1.3 L7 Q1.4L8 Q1.5L9 Q1.1Speaker KM1 Q0.0 KM2 Q0.1 1L KM3 Q0.2 1M I0.0 SB1 I0.1 SB2 I0.2 SB3 I0.3 SB5 I0.5 SB7 I0.6 SB8 I0.7 SB9 I1.0 SB10 I0.4 SB6 EM235 模 拟量输入 输出模块 瓦斯浓度传感器 传感器 4 压力传感器 KM3 QW0+ QW0 - AIN1+ AIN- 3 4 M 3 220V Q MM440 15 图 2 I/O 接线图 3.2 变频调变频调速的基速的基础础知知识识 异步电动机是电力、化工等生产企业最主要的动力设备。作为高能耗设备，其 输出功率不能随负荷按比例变化，大部分只能通过挡板或阀门的开度来调节，而 电动机消耗的能量变化不大，从而造成很大的能量损耗。近年来，随着变频器生 产技术的成熟以及变频器应用范围的日益广泛，使用变频器对电动机电源进行 技术改造成为各企业节能降耗、提高效率的重要手段。 n60 f(1s)/p (1) 式中n异步电动机的转速； f异步电动机的频率； s电动机转差率； p电动机极对数。 由式(1-1)可知，转速n与频率f成正比，只要改变频率f即可改变电动机的转速， 当频率f在050Hz的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。变频调速就是 通过改变电动机电源频率实现速度调节的。 变频器主要采用交直交方式，先把工频交流电源通过整流器转换成直流 电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。 变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成。整流部分为 三相桥式不可控整流器，逆变部分为IGBT三相桥式逆变器，且输出为PWM波形， 16 中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。 3.3 模数模数转换转换模模块块 模数转换模块分为A/D转换模块和D/A转换模块。PLC模拟量处理功能主要 通过模拟量输入输出模块及用户程序来完成。模拟量输入模块接受各种传感器 输出的标准电压信号或电流信号，并将其转换为数字信号存储到PLC中。PLC根 据生产实际要求，通过用户程序对转换后的信息进行处理并将处理结果通过模 拟量输出模块转换为标准电压或电流信号去驱动执行元件。 3.4 离心离心风风机机 我国矿井使用的离心式通风机主要就是。G4 73 系列离心式通风机，G4 73 系列离心式通风机最初是为锅炉通风(引风) 设计的，后来被引用到矿井通风 中并拥有一定的市场占有量。该系列离心式通风机的特点是特性曲线较平缓、无 驼峰、运行噪声较小、效率高。启动时关闭调节门(也叫前导器)，具有启动功率较 小，启动容易的特点。运行时调节门可在 070范围内调节，用以改变运行工 况，还可通过配置不同转速的电动机来改变其运行工况,适应性较好。G4 73 系 列通风机的特性曲线较平缓，运行噪声较小，效率高，适用于通风阻力不是太大 的中小型矿井。我国地方煤矿的矿井中使用该系列通风机较多，由于机型小，配 置电动机的容量也小,可配用 380V 或 660V 电压的电动机，特别适用于无高压 (6000V)供电的矿井使用。但对初、后期风压变化大的矿井，离心通风机的调节性 能差。离心风机的作用：离心风机是依靠输入的机械能，提高气体压力并排送气 体的机械，它是一种从动的流体机械。 离心风机广泛用于工厂、矿井、隧道、冷却塔、车辆、船舶和建筑物的通风、排 尘和冷却；锅炉和工业炉窑的通风和引风；空气调节设备和家用电器设备中的冷 却和通风；谷物的烘干和选送；风洞风源和气垫船的充气和推进等。 离心风机的工作原理与透平压缩机基本相同，只是由于气体流速较低，压力 变化不大，一般不需要考虑气体比容的变化，即把气体作为不可压缩流体处理。 离心风机可制成右旋和左旋两种型式。从电动机一侧正视，叶轮顺时针旋转，称 为右旋转风机，逆时针旋转，称为左旋。 一般的高压离心风机，其主要的动力设备是电动机，此外还包括用来控制风 机风阀位置的电动或手动执行器、风机阀门限位开关等部件。风机动力设备的传 统控制方法是通过手动或继电器控制，存在可靠性和灵活性较差的问题，比如： 由于电机的容量大，就存在启动时间长、启动电流大、运行安全可靠性差等问题， 为了解决这些问题，需要采取在启动离心风机时减少启动负荷、通过星三角降 压启动来降低启动电流、进行安全互锁控制等措施。离心通风机工作时，动力机 17 (主要是电动机)驱动叶轮在蜗形机壳内旋转，空气经吸气口从叶轮中心处吸入。 由于叶片对气体的动力作用，气体压力和速度得以提高，并在离心力作用下沿着 叶道甩向机壳，从排气口排出。因气体在叶轮内的流动主要是在径向平面内。 风机的用途：一般用于高压强制通风，如冶炼、送料、矿井、隧道、地下室、铁 路等，亦可输送空气及其它无腐蚀性、不含粘性物质、非易燃、易爆之气体，介质 温度最高不超过八十度，介质中硬质颗粒物中大于 150mg/m3。 3.5 变频变频器的器的选选型和容量的确定型和容量的确定 本系统选用的是西门子全新一代标准变频器MicroMaster440功能强大，应用 广泛。它采用高性能的矢量控制技术，提供低速高转矩输出和良好的动态特性， 同时具备超强的过载能力，以满足广泛的应用场合。 在电机的容量确定并选定其型号后，接下来就要确定变频器的容量。确定变 频器容量的主要依据是输出电流，其原则为：变频器的输出额定电流应大于或等 于电机的额定电流。但在连续的变动负载或断续负载中，因电动机允许有短时间 的过载，而且这种过载的时间经常超过变频器一般允许的一分钟。故应考虑选择 变频器的额定电流大于或等于电动机运行过程中的最大电流5。 电动机的型号确定后，其额定电流可以从制造商提供的样本中查到。或者， 也可从电机的输出功率由下式计算 (2) cos3UIP 式中，P 为额定输出功率（KW）； U 为额定电压（KV）； I 为额定电流（A）； 为电机效率； 为功率因数。 cos S7-200PLC 作为核心控制部件，它有总线访问权，可以读取或改写变频器 的状态，控制软起动器的运行状态，从而达到控制和监视设备运行状态的目的。 系统采用总线式拓扑结构，两台变频器采用总线接插件连入总线。S7-200 选用 S7-222CPU，软件采用 WIN3.2。采用西门子 Profibus 屏蔽电缆及 9 针 D 形网络 连接头。利用 S7-222 的自由通信口功能，即 RS485 通信口。由用户程序实现 USS 协议与两台 MM430 变频器通信。在硬件连接完毕后，需要对两台 MM430 变频器的通信参数进行设置，如表 2 所示。 表 2 变频器参数的设定 参数号参数值说明 Fr13固定频率 1 18 P0110第一加速时间 P0210第一加速时间 P03FF频率范围(v/f 方式) P0520DC 提升水平 P081变频器起停正反转控制方式 P15200电动机运行最大频率 P1650电动机运行基本频率 P182多段速率加速连动运行 P32170固定频率 2 P3310固定频率 3 P3423固定频率 4 35130固定频率 5 395第 2 加速时间设定 405第二减速时间设定 4 系系统统硬件硬件设计设计 4.1 硬件硬件电电路路 （1）本系统的硬件电路如图 3 所示，它由 4 台电动机，一台智能型电控柜（包 括西门子变频器、PLC、交流接触器、继电器等），一套压力传感器、断相相序保 护装置以及供电主回路等构成。该系统的核心是 S7-200（CPU224）和 MICROMASTER 430。MICROMASTER 430 是泵和风机类专用变频器，扩展功 能强CPU224 集成了 14 点输入 10 点输出，共有 24 点数字量 I/0，其模拟量扩展 模块具有较大的适应性和灵活性，且安装方便，满足设计需要。 19 （2）系统主电路 图 3 系统主电路 如图 3 所示，该系统有 4 台电动机，分别拖动 4 台电动机。合上空气开关后， 当交流接触器 KM1、KM3, KM5、KM7 主触点闭合时，电动机为工频运行；当 KM2、KM4、KM6、KM8 主触点闭合时，电动机为变频运行。4 个热继电器 KR1KR4 分别对 4 台电动机进行保护，避免电动机在过载时可能产生的过热 损坏。 4.2 系系统统控制控制电电路路设计设计 （1）系统控制电路 如图 4 所示，Q0.0Q0.7 为 PLC 输出软继电器触点，其中 Q0.0, Q0.2, Q0.4, Q0.6 控制变频运行电路；Q0.1、Q0.3、Q0.5、Q0.7 控制工频运行电路。SA 为转 20 图 4 系统控制电路 换开关，实现手动、自动控制切换。当 SA 切在手动位时，通过 SB1SB4 按 钮分别起动 4 台水泵工频运行,SB5SB8 按钮分别停止 4 台离心风机工频运 行当 SA 在自动位时，由 PLC 控制水泵进行变频或工频状态的起动、切换、停 止运行。 （2）PLC 及变频器控制模块电路 PLC 及变频器控制模块是本系统的核心，它包括时间控制电路、故障报警保护 电路、断相相序保护电路。 5 软软件件设计设计 该系统除部分为顺序控制外，从总体上来看具有随机离散控制的特点。控制 系统软件结构的流程图如图2所示。设定由瓦斯浓度传感器传送来的瓦斯浓度值 为D，用户设定不能超过的瓦斯浓度值为D0，气压传感器传来的压力为F1，用户 要求的矿井内气压值为F2。由图5可知，按下启动键后，首先检测是否手动，如果 是则手动控制操作，否则就自动正常运行;接着检测矿井内瓦斯浓度值和大气压 力值，进行处理判断。若 D D0，则通风机与矿井下供电电源联锁停止工作并报 警，否则比较判断F1与F2的大小，若F1 F2，进入风机轮休控制子程序，启动A风 机，A风机运行一定时间后，启动B组风机工作，A组风机停止。否则两台通风机 同时参与工作。 21 图5 系统总流程图 5.1 瓦斯瓦斯浓浓度控制部分度控制部分 瓦斯浓度控制部分和温度控制部分相似。本设计用到的瓦斯浓度传感器为 KGJ16B 型，其性能参数见硬件设计部分，瓦斯浓度传感器将连续变化的瓦斯浓 度信号转换为420毫安的电流，然后经A/D转换模块EM235，通过其内部的采样、 滤波，转换为PLC能识别的二进制信号存储到VD196中。在离心风机运行过程中 若矿井工作面的瓦斯浓度大于设定的报警瓦斯浓度上线时，M0.1闭合，Q1.1也闭 合，系统将发出指示并报警。以警示工作人员工作面瓦斯涌出量已有安全隐患， 做好排放瓦斯的准备。若井巷工作面瓦斯浓度继续增大，当VD196的存储值大于 设定的断电瓦斯浓度上线时，M0.2闭合，PLC将发出切断电源的指令，将PLC所 有输出和内部位复位，并切断风机电源各井巷工作面的电源，防止有明火引起与 其爆炸。同时并发出报警。抽放瓦斯后，当瓦斯浓度VD196的存储值再次下降到 小于断电瓦斯浓度上线时，风机组并不能重新运行工作。只有当瓦斯浓VD196的 存储值下降到小于瓦斯浓度报警上线时，PLC才恢复风机组再次启动并将风机组 运行工作。 开始 数据采集子程序 DD0 ? F1F2? 风机轮休控制子程序 是否手动 转手动控制 风机连锁停止并报警 两组风机同时运行 结束 F1F2? Y N Y N N Y Y N 22 图 6 瓦斯浓度控制程序 5.2 压压力控制部分力控制部分 压力是本控制系统的主控参数，在压力数据处理过程中运用到PID算法。所 谓的PID就是比例、积分、微分的总称。其结构如图6所示。 PID