煤矿井下风扇自动调节装置的设计

1、煤矿井下风扇自动调节装置的设计 摘 要 针对因通风机恒速云装而造成“一风吹”排放瓦斯，致使主巷道内，瓦斯浓度超 限的问题，设计一种可根据巷道内瓦斯浓度值改变而自动调节通风机转速的隔爆兼本 安型通风机自动转速自动调节装置，用于对煤矿井下巷道掘进过程中超限瓦斯的排放， 从根本上解决了因“一风吹”而造成的瓦斯爆炸爆炸的事故隐患。采用 spwm 变频技 术、plc 技术研制而成的一种新型全自动瓦斯排放装置，主要用于控制煤矿井下掘进 工作面局部风机，进而实现掘进工作面超限瓦斯的自控排放 关键词：局扇，瓦斯传感器，变频调速，plc coal mine shaft ventilator automatic

2、control device design abstract fans in connection with a constant speed with clouds caused by yi fengchui gas emissions, causing the main roadway, the concentration of gas-gauge problems, to design a tunnel under the gas concentration in the value of changes in fan speed automatic adjustment of the

3、flameproof fans of this type of automatic speed automatic adjustment devices for the coal mine tunnel boring process overrun gas emissions, and to fundamentally solve the result of yi fengchui and the explosion caused by gas explosion in the hidden causes of accidents. spwm frequency technology used

4、, plc technology from developed a new type of automatic gas emissions devices, mainly used to control coal mine heading face local fans and then making the heading face-gauge-controlled gas emissions key words :bureau fan, gas sensor, frequency conversion velocity modulation, plc 目 录 第一章 概述.1 1.1 煤矿

5、井下有五大灾害.1 1.2 矿井通风瓦斯事故在矿井安全事故中的比重.1 1.3 瓦斯爆炸的危害性：.2 1.3.1 瓦斯爆炸后产生剧毒气体一氧化碳。.2 1.3.2 瓦斯爆炸后产生高温。 .2 1.3.3 瓦斯爆炸以后产生高压气体。 .2 1.3.4 瓦斯爆炸后，在爆炸地点由于空气稀薄，温度急剧下降， .2 1.4 局部通风机的发展状况.2 1.4.1 国内外局扇发展情况 .2 1.5 交流变频调速的发展现状.4 1.6 模糊控制概述.4 1.7 plc 可编程控制器的现状和发展 .6 1.7.1 可编程控制器的产生 .6 1.7.2 plc 现状及发展趋势 .6 1.7.3 可编程控制器的发

6、展方向 .7 第二章 变频调速.9 2.1 变频调速的原理 .9 2.2 变压变频装置.10 2.2.1 交直交变频器 .10 2.2.2 交交变压变频装置 .11 2.2.3 电压源型变频器和电流源型变频 .11 2.3 正弦波脉宽调制（spwm）变频器.12 第三章 plc 可编程技术.15 3.1plc 的产生与发展.15 3.2plc 控制的优越性.16 3.2.1plc 与继电器比较 .16 3.2.2plc 与单片机控制系统比较 .17 3.2.3plc 与计算机控制系统的比较 .17 3.3 plc 的系统结构 .17 3.3.1 plc 的基本工作原理 .18 3.4plc 的

7、组成和工作原理.19 3.4.1plc 的组成 .19 3.4.2 plc 的工作原理 .22 3.5plc 的技术指标.22 第四章 模糊控制的基本原理.24 4.1 模糊控制的基本思想.24 4.2 模糊控制系统的组成.24 4.3 模糊控制的基本原理.25 4.3.1 精确输入量的模糊化 .26 4.3.2 模糊规则形成和推理 .26 4.3.3 精确输出量的解模糊判决 .28 4.4 模糊控制器设计的基本方法 .29 4.4.1 模糊控制器的结构设计 .29 4.4.2 模糊控制规则的设计 .30 第五章 瓦斯传感器及其井下的布置.34 5.1 传感器及其测量方法.34 5.2 瓦斯传

8、感器在巷道内的布置方式.35 5.2.1 掘进工作面甲烷传感器的布置.35 5.2.2掘进工作面回风流甲烷传感器的布置.35 5.2.3回采工作面回风巷甲烷传感器的布置.36 第六章 井下风扇转速自动调节装置的系统设置.37 6.1 局扇通风系统简介.37 6.1.1 局扇自动调节装置的必要性 .37 6.2 局扇的模糊控制器设计.37 6.2.1 风扇转速自动调节系统要实现的功能.37 6.2.2 模糊控制的步骤过程 .38 6.3 基于 plc 的模糊控制变频设计.41 6.3.1.变频器调速系统.41 6.3.2.plc，变频器与上位机的通信设计.42 总 结.50 致 谢.51 参考文

9、件及资料.52 第一章 概述 1.1 煤矿井下有五大灾害 瓦斯爆炸、煤尘爆炸、矿井火灾、矿井透水、冒顶坍塌。其中前三种（瓦斯爆炸、 煤尘爆炸、矿井火灾）均与矿井通风系统的可靠性、稳定性有关。近年来煤矿井下重 特大矿难时有发生， 2003 年煤矿发生特大事故 51 起，死亡 1061 人；2004 年发生特 大事故 42 起，死亡 1008 人，2004 年 10 月2005 年 8 月近一年矿难 32 起，2005 年 11 月 11 日12 月 8 日近一个月矿难就有 8 起，直接经济损失数亿元，伤亡矿工数千人， 给国家造成不良的国际影响 2006 年 1 月 1 日至 8 月 21 日，发

10、生特大事故 33 起，死亡 951 人，比去年同期上升 43.5和 134.2。事故涉及 17 个省（区、市） ，其中山西 6 起，贵州 4 起，河南、重庆各 3 起。特别是今年 2 月 14 日，辽宁阜新孙家湾煤矿瓦斯 爆炸，死亡 214 人，是建国以来的第二大矿难。 1.2 矿井通风瓦斯事故在矿井安全事故中的比重 瓦斯危害在煤矿安全中的比重：瓦斯爆炸的危害是极其严重的，不仅毁坏井巷和 设备，更会危害矿工的生命安全。1942 年日本帝国主义统治时期本溪煤矿发生的一次 瓦斯煤尘爆炸，共夺走 1549 人的生命 建国以来，全国煤矿共发生 19 起一次死亡百人以上的矿难，死亡 3162 人。其中，

11、 15 起是瓦斯爆炸事故，死亡 2140 人，事故起数和死亡人数分别占 79和 68。2002 年至 2005 年 8 月 21 日，全国煤矿发生 29 起特别重大事故，死亡 1743 人。其中，瓦 斯爆炸事故 24 起，死亡 1578 人，事故起数和死亡人数分别占 83和 91。瓦斯爆炸 已经成为我国煤矿安全的“第一杀手”。 2004 年 11 月 28 日陕西省铜川矿务局陈家山煤矿瓦斯爆炸，166 名矿工遇难 2005 年 2 月 14 日辽宁省阜新矿务局孙家湾煤矿瓦斯爆炸，214 名矿工遇难 2005 年 12 月 7 日 唐山市开平区刘官屯煤矿爆炸，87 名矿工遇难 2005 年 11

12、 月 27 日 黑龙江七台河东风煤矿爆炸事故，170 名矿工遇难 2007 年 10 月 12 日，河南省郑煤集团公司大平煤矿发生一起煤与瓦斯突出引发特 别重大瓦斯爆炸事故，造成 148 人死亡。 1.3 瓦斯爆炸的危害性： 1.3.1 瓦斯爆炸后产生剧毒气体一氧化碳。 井下发生瓦斯爆炸以后，将会产生大量的一氧化碳、空气中的一氧化碳浓度，按 体积计算达到 0.4时人在短时间内就会中毒死亡。一氧化碳中毒是瓦斯爆炸造成人 员伤亡的主要原因。 1.3.2 瓦斯爆炸后产生高温。 瓦斯浓度为 9.5时，瓦斯爆炸的瞬间温度可达 18502650 摄氏度。这样高的温 度对井下人员和设备构很大的危害还可能伴生

13、火灾。 1.3.3 瓦斯爆炸以后产生高压气体。 瓦斯爆炸以后，巷道中空气压力约为爆炸前的 7 倍左右。高压空气以每秒几百米 的冲击波浪向四周扩张，不仅摧毁巷道支架和设备，同时也是造成人员伤亡的重要原 因之一；还可扬起煤尘，引发煤尘爆炸。 1.3.4 瓦斯爆炸后，在爆炸地点由于空气稀薄，温度急剧下降， 水蒸气凝结成水，在爆源附近会迅速形成低压区，因而爆炸波又会反向冲击，这 对巷道的破坏性更丈。当低压区迅速积聚瓦斯，或反向冲击的空气中带来的瓦斯足够 多，又有充足的氧气和引爆火源时，就可形成二次爆炸。 防止井下瓦斯聚集，首先应加强矿井通风，按实际需要分配风量并及时调节风量， 利用新鲜空气来稀释并排出

14、瓦斯。为此，应做好以下几方面工作。采用机械通风。为 保证井下有足够的风量，每个矿井都必须采用机械通风，主要通风机一套运转、一套 备用。对于瓦斯矿井、应采用抽出式通风加强掘进巷道通风、掘进巷道要利用总风压 通风或采用局部道风机通风。局部通风机要设置在进风口的新鲜风流处，禁止产生循 环风。 1.4 局部通风机的发展状况 1.4.1 国内外局扇发展情况 英国、日本、德国等国家煤矿用局部通风机技术水平较为先进。日本是世界上研 制和生产对旋风机最早的国家之一，日本三井三池制作所 1965 年开始生产对旋式风机， 1971 年开始研制无声对旋式风机，轴流式风机降噪方面领先于其它厂家。进入 80 年代， 基

15、于改善作业环境，着手无声对旋式风机的改型更新工作，并取得了一定效果。其生 产的对旋式风机共有 9 种型号，叶轮直径为 400-1 250 mm，噪声 77-91 db (a)，电机 功率 2 x5.5-2 x110 kw。德国 korfman 公司生产 al,esn ,es ,es-t 系列轴流式通风机， gal 和 d gal 系列对旋式高压轴流通风机、dv 系列压风驱动的轴流式通风机。特点 是:对旋式局部通风机的特性曲线较陡，压力较高，易满足掘进定量送风要求;采用转速 1 500 r/ min 和 3 000r/ min 两速电机，在掘进巷道的初期可调节风量;风机带有二通或三 通输出接管，

16、一台风机可向两个或三个工作面同时供风。 煤矿用局部通风机，大致可分为 jbt,ybt 系列单级轴流式、斜流式和对旋式 3 种。 (1)jbt,ybt 系列单级轴流式局部通风机 jbt,ybt 系列单级轴流式局部通风机配套的电动机功率有 2.2(2.0) ,4.0,5.5,7.5,11,14(15)、28 (30)、 37,45 kw 等规格。它是我国五、六十年代引进的原苏 联产品，结构紧凑，体积小，搬运方便，耐用、价格低廉。但噪声大，全压效率低， 风压偏低。因其在我国使用年代较长，部分煤矿用户，以价廉作为选购的首要条件， 目前仍有一部分市场和用户。其全压效率约 60%-73%左右，噪声 103

17、-111 db(a)，有的 甚至达 127 db (a)。风机效率低，造成了能源的严重浪费。噪声主要集中在中、高频 范围，刺耳的尖叫声，严重影响了工人的正常作业和身心健康。另外，掩盖了一定距 离内行车声、机械运转声和信号电铃声，易引起伤亡事故。 (2) 斜流式(也称混流式)局限性部通风机 斜流式(也称混流式)局部通风机是 90 年代出现和发展起来的新型风机结构。兼有 离心风机的高压力系数，工作范围广，轴流风机的大流量系数，效率较高。具有空气 轴向流动、高效运行区域宽、噪声小等优点。它多采用扭曲板型曲面，在满足设计条 件下，叶顶到叶根压力相等，避免了涡流。叶片属于不可展的扭曲板型曲面，曲面形 状

18、直接影响风机的特性和功能。但风压偏低，性能曲线缓，适应性较差。尽管名义全 压高，但在井下用起来却感觉到风压不高，在效率指标上形同虚设。 (3)对旋式局部通风机 对旋式局部通风机，是 80 年代末、90 年代初研制并迅速发展、推广的一种局部通 风机. 叶型有等厚板式扭曲、机翼型扭曲、弯掠组合正交型等型式;工作方式有压入式、 抽出式和压抽式等;叶片材料有钢叶片、铜叶片、铝合金铸造叶片和塑料叶片等。对旋 式局部通风机设计新颖、结构合理、风压高、效率高、噪声低、风机性能曲线陡、高 效运行范围宽、反风性能好、送风距离长、在小流量区域运行稳定。它可根据掘进工 作面不同通风要求，选用单级单车和双级对旋运行，

19、使用方便。 1.5 交流变频调速的发展现状 变频调速器最典型的应用是以节能为目的，各种机械为了节能使用变频器控制速 度，80 年代以来发展迅速，应用领域日趋扩大，特别是以风机、泵和压缩机类机械为 中心发展势头日新月异，在美、日和西欧工业发达国家。交流变频技术已形成新兴产 业据日本统计 1975 年销售交流和直流调速系统为 1：3，到 1985 年变为 3：1，美国 到 80 年代初，交流调速与直流相比已达又 5：1，在交、直流调速系统的速度变化中， 变频技术的发展起了重要作用，交流变频调速在现代传动系统中有日趋取代直流的重 要位置，我国在交流变频调速理论和各种控制方法研究方面，有一定基础和发展

20、，但 只限于高等院校、科研单位和少量大公司开发部门，在组织生产、实用技术、维护能 力和产业形成方面，显得落后，发展缓慢，对国外近年发展的 gto、gtr、igbt、mct 等关键电力电子器件以及现代理论和计算机相结合产生的交流变频控制设备正处于引 进、应用、消化吸收的阶段。 我国煤矿应用现代交流变频调速设备过去只限于地面，用量不大，1994 年以前， 煤矿井下实用变频器还未涉足， 90以上使用的交流鼠笼型电动机，给变频器的使用 提供了广阔的领地，阳泉矿务局、北京京桂科技开发中心和中国华兴（北京）电子技 术产业发展公司，于 1995 年为煤矿研制 t 660v 隔爆型交流变频调速器与同时研制的

21、kjhz 型局部通风安全节能监控装置配套使用，它已通过国家级煤矿防爆安全产 品质量监督检验中心检验，性能指标全部合格，在井下做工业试验运行可靠，这是我 国煤炭行业第一次以安全和节能为目的，在井下实际应用全控型电力电子器件的变频 调速设备，从此变频调速打破了井下恶劣环境的困扰冲进了“煤矿禁区” ，开辟了煤 矿井下使用交流变频调速装置的新领域，填补了我国煤矿的空白。 1.6 模糊控制概述 模糊控制就是建立在人类思维的模糊性的基础上，它与传统控制有着本质的区别。 它不像经典控制那样需要用精确数字所描述的传递函数，也不像现代控制理论那样需 要用矩阵表示的状态方程。模糊控制的核心是它用具有模糊性的语言条

22、件语句作为控 制规则去执行控制。这里的控制规则往往是由对被控对象十分熟悉的专业人员给出的， 所以模糊控制从本质上来说是一种专家控制。这种控制规则充分反映了人的智能活动。 1974 年，英国学者 e.h.mamdani 把模糊控制器用于蒸气机的控制，从而开创了模 糊控制的历史。经过二十多年的发展，模糊控制的研究大致经历了两个阶段，即简单 模糊控制阶段和自我完善模糊控制阶段。前者的模糊控制器主要采用 cri 推理法，在 推理中采用 mamdani 提出的蕴含关系公式，对控制器的算法都采用脱机处理的方法， 在微型计算机系统上把控制器上的推理过称作成控制表，在实际中则用控制表去控制。 这个阶段的模糊控

23、制器的结构比较死板，自适应能力和鲁棒性都有限，控制精度也不 高。现在的模糊控制器已发展到自我完善阶段，己经出现了具有参数自调整、自组织、 自学习等功能的模糊控制器。 模糊控制在实践应用中与传统控制相比有以下几个引人注目的特点： (1)无需事先知道被控对象的精确数学模型，所以，它可以对那些数学模型难以求 取或无法求取的对象进行有效控制。 (2)由于控制是以人的经验总结出来的条件语句表示的，所以对一个不熟悉模糊控 制理论的人来说，学习和掌握模糊控制的方法也是很容易的。 (3)由于表示控制知识是以人的语言形式，故有利于人机对话和系统的知识处理， 从而有系统处理的灵活性和机动性。一个典型的模糊控制系统

24、的结构如图 l-1 所示。它 由给定输入、模糊控制器。对象、反馈信号以及比较环节组成。而一个模糊控制器通 常由三部分组成，即模糊化部分、模糊推理部分及反模糊化部分或清晰化部分，如图 l2 所示。各部分的功能大致为：模糊化部分把系统的偏差从数字量转化为模糊量： 模糊推理部分对模糊量按照一定的规则进行推理；反模糊化部分把推理出来的结果转 化为可用于实际控制的数字量。 给定 r 图 1-1 模糊控制系统 模糊控制器对象 图 1-2 模糊控制器 1.7 plc 可编程控制器的现状和发展 1.7.1 可编程控制器的产生 近年来，随着大规模集成电路的发展，使得以微处理机为核心组成的可编程控制 器得到了迅速

25、发展，并广泛应用与各种领域中，以满足现代化大生产中的高效、大量 的自动化要求。如电动机的起停，电磁阀的开闭，产品的计数、温度、压力、流量的 设定与控制等。 可编程控制器是 20 世纪 60 年代末首先在美国出现，最初称为可编程逻辑控制器， 简称 plc，目的是用来取代继电器控制盘，具有逻辑判断、定时、计数等顺序功能。 当时，大规模生产线的控制电路大多是由继电控制盘构成的，这种控制装置可靠性低、 体积大、耗电多，改变生产程序则更为困难。为了改变这种状况，提高生产效益， 1968 年，美国通用汽车公司对外公开招标，想用新的控制装置取代继电控制盘。该公 司对新型控制器提出了如下要求： 编程简便，可在

26、现场修改程序。 维修方便，采用插件式结构。 可靠性高于继电控制盘。 体积小于继电控制盘。 数据可以直接送入计算机。 成本可与继电控制盘相竞争。 输入可为市电。 输出可为市电，要求再 2a 以上，可直接驱动电磁阀、接触器等。 扩展时原系统变更最少。 可以存储程序，存储容量大于 4k。 由以上的要求可以看出 plc 的优点。 1.7.2 plc 现状及发展趋势 长期以来，plc始终处于工业自动化控制领域的主战场，为各种各样的自动化控 制设备提供了非常可靠的控制应用。 模糊化模糊推理反模糊化 (1)国外可编程控制器现状 目前，全世界约有plc生产厂家约200家，生产300多个品种。世界plc领导厂家

27、的 五霸分别为西门子公司、a-b公司、施耐德公司、三菱公司、欧姆龙公司，他们的销售 额约占全球总销售额的三分之二19。从西门子公司的simatic s7-400的性能可对plc 窥见一斑:simatic s7-400是匣式封装模块，可卡在导轨上安装，由i/0总线和通信总 线建立电气连接，模块可在工作或加电时替换或插、拔，可快速安装维护，修改方便， 其主要性能有: . cpu存储器容量64k字节，可扩展到1.6m字节。 . 位和字处理速度80ns至200ns. . 最高系统计算能力可以有4个cpu同时计算。 . 强大的扩展能力s7-400中央控制器最多能连接21个扩展单元。 . 每个cpu上多点

28、接口(mpi )能力，可同时连接编程装置、操作员接口系统等 . cpu上的sinec-l2-dp附加有分散u0的集成性能。 . 提供与计算机和其它siemens产品或系统的连接接口。 . 高可靠性，完善的自诊断和清除故障功能。 (2) 国内可编程控制器现状 我国的plc生产目前也有一定的发展，小型plc己批量生产;中型plc已有产品;大型 plc已经开始研制。有的产品不仅供应国内市场，而且还有出口。但是国内产品市场占 有率不超过10%。另一方面，国产plc许多仍停留在全套引进或以仿制为主的阶段上。 当然，国内产品在价格上占有明显的优势。对于国内plc的认识，可以从江苏嘉华实业 有限公司生产的d

29、h 120系列产品窥见一斑，其主要性能有: 输入输出从20点到120点任意配置 内置32个定时器、31个计数器、几百个中间继电器和数据寄存器，可方便地完成 逻辑控制、定时、计数控制、高速计数、数据处理、模拟量控制等功能。 编程简便，108条指令功能齐全 din标准卡槽安装，可拆端子排接线 高可靠性，强抗干扰用于各种工业环境 总体来说，国产plc的发展有一定的基础。但从产品结构上看，我国自主研制及引 进技术生产的plc大都属于中低档产品，至今没有形成主流产品和完整的系列产品。 1.7.3 可编程控制器的发展方向 (1)pc 机产品向小型化方向发展 在 80 年代初期，超小型与小型机相继问世，并迅

30、速发展。如日本三菱公司的 fx0、fx2 系列 pc 机，fx0 型 pc 机的 i/o 点数为 14 点，体积最小的是 100mm80mm47mm，而它却具有高速计数、中断、脉冲调制等功能，同时，它还 可以实现模拟器定时器功能并且具有 sfc 指令，fx2 系列 pc 机除了具有开关量 i/o 外，还具有模拟量输入、输出以及多种智能模块，并具有连网通信能力，扩大了小型 pc 机的应用范围。 (2)向高速度、大容量和智能化方向发展 由于采用了微处理器或大规模集成芯片，plc 的速度大大提高。如三菱公司的 a3a 系列高档 plc 就采用了 msp 芯片，指令速度可达 0.15us/步。 plc

31、 的内存容量在不断扩大，有些 plc 已采用硬盘作为外部存储器。 智能模块与 plc 的 cpu 并行工作，提高了 plc 的速度和效率。各种智能模块在 不断推出，如高速计数模块、pid 回路控制、温度控制模块、远程 i/o 模块、通信和人 机接口模块等。这些智能模块使过程控制功能大为加强。 (3)plc 编程工具与编程语言的多样化、高级化、标准化 plc 的编程语言目前朝着三个方向发展：一是向多种编程语言发展；二是向高级 语言发展，如 basic、c、fortran 语言等；三是朝着 pc 机编程语言的标准化方向 发展。 (4)向网络方向发展 加强 plc 的联网能力成为 plc 的主要发展

32、趋势。plc 的联网包括 plc 之间， plc 与计算机之间。plc 的生产厂家都在使自己的产品与制造自动化通信协议标准兼 容，从而不同的 plc 之间可以相互通信。plc 与计算机之间的联网能进一步实现计算 机辅助制造和辅助设计。 (5)发展容错技术和故障诊断 为了满足某些系统极高可靠性和安全性的要求，一些 plc 增加了容错功能，如双 机热备用、自动切换 i/o、双机表决 i/o、三重表决。为了及时诊断故障，有的公司研 制了智能、可编程 i/o 系统或故障诊断程序，供用户了解 i/o 组态的状态和监测系统的 故障。近年研制推出了公共回路远距离诊断和网络诊断技术。 第二章 变频调速 2.1

33、 变频调速的原理 根据电机学和电力拖动基础中提供的结论，异步电动机转速 n 的表达式为： （2.1） s p f snn1601 1 1 旋转磁场的转速即同步转速 1 n 电源频率 1 f 电机极对数 p 转差率 s 上式表明，交流电动机的调速方式实际上有两大类：一类是在同步转速恒定的 1 n 情况下调节转差率 ：另一类是调节同步转速。调节转差率调速的实质是将输入功率 s 1 n 的一部分转化为转差功率以削轴上输出功率的大小，迫使电动机运行速度下降。异步 机的调压调速、转子串电阻调速、滑差离合器调速、斩波调速等等均属于改变转差率 方式，这类调速方式的主要缺点是：采用这种方式时，必有一部分输入功

34、率转化为转 差功率进入转子电路，这部分功率只能以铜耗的形式消耗在转于电阻中。由于转差功 率与转差率成正比，转速越低，损耗越大，不仅降低了运行效率，电动机本身的发热 也十分严重。串级调速把转差功率加以回收利用而没有白白损耗掉，使系统的实际损 耗减小，避免了这一点，但它必须以增加一套功率变换设备作为代价。一般来说，改 变转差率的调速方式是一种耗能的办法，从节能的观点，这种调速方式是不经济的。 但由于这种方法简单，设备价格比较便宜，它还是广泛应用于一些调速范围不大，低 速运行时间长电机容量较小的场合中。 调节同步转速的方式又有两种，一种是改变磁极的对数，即变极调速，一种是 p 改变定子供电电源频率，

35、即变频调速。变极调速方式比较简单，设备投资比较少，但 它必须选用特殊制造的多速电动机。由于电动机结构和制造工艺的限制，通常只能实 现 23 种极对数的切换，调速是有级的，且转速变化的级差很大，调速范围也受到限 制。 变频调速是一种典型的交流电动机高速调速方法，它既适用于异步电动机，也适 用于同步电动机。交流电动机采用变频调速不但能无级调速，而且能根据负载的不同， 通过适当调节电压与频率之间的关系，可使电机始终运行在高效率区，并保证良好的 动态性能。 在各种异步电动机调速系统中，效率最高、性能最好的系统是变压变频调速系统。 在变压变频调速系统中，在改变电动机的转速时，须同时调节定子电源的电压和频

36、率， 在这种情况下，机械特性基本上平行移动，而转差功率不变，它是当前交流调速的主 要发展方向。长期以来，变压变频调速虽然以其优良的性能受到瞩目，但因为主要靠 旋转发电机组作为电源，缺乏理想的变频装置而未得到广泛的应用。直到电力电子开 关器件问世以后，各种静止式变压变频装置得到迅速的发展，而价格逐渐降低，才使 变压变频调速系统的应用与日俱增。 风机、泵类负载耗能与转速立方成比例，因此现在该类负载多数采用变频调速的 异步电动机拖动，取得了明显的节能效果。 2.2 变压变频装置 从结构上看，变压变频装置可分为间接变压变频和直接变压变频两类。从变频电 源的性质上看，又可分为电压源型变频器和电流源型变频

37、器两大类。间接变频装置先 将电网的交流电源通过整流器整流成直流，然后经过逆变器将直流变为可控频率的交 流。直接变频装置将电网交流电源一次变换成可控频率的交流。 2.2.1 交直交变频器 （l）用可控整流器调压、用逆变器调频的变频装置，此类变频器结构简单，控制 方便。这种控制方式中，调压和调频分别在两个环节上进行，两者需要在控制电路上 协调配合，由于输入环节采用可控整流器，当电压和频率调得很低时，电网侧功率因 数较低，输出环节多用由晶闸管组成的三相六拍逆变器，输出谐波较大： （2）用不可控整流器整流、斩波器调压、再用逆变器调频的交直交变压变频 装置，此类装置整流器不调压，单独设置斩波器，用脉宽调

38、压，调压时输入功率因数 不变，但仍有谐波较大的问题. （3）用不可控整流器整流、脉宽调制逆变器同时调压和调频的交直交变频装 置，这种控制方式中，用不可控整流，功率因数高，用 pwm 逆变，谐波可以减小， 谐波减小的程度取决于开关频率，而开关频率受器件开关时间的限制，是当前最有发 展前途的一种装置结构。 交直交变频装置中的逆变器一般接成三相桥式电路，以输出三相交流变频电 源。在一个周期内，控制各个晶闸管轮流导通和关断，可使输出端得到三相交流电压， 改变晶闸管导通和关断的时间，即可得到不同的输出频率。在某一瞬间，控制一个晶 闸管导通，同时迫使另一个晶闸管关断，在两管之间实现换相。在同一桥臂上、下两

39、 管之间互相换相的，如图 25 所示，当 vt4 导通时关断 vt1，而 vt1 导通时又关断 vt4，这时每个晶闸管在一个周期内导通区间是 180 度，称为 180 度导通型逆变器。 另一种是在同一桥臂左右两管之间进行的，如：vt3 导通时，使 vt1 关断，vt5 导通 时使 vt3 关断。这时，每个晶闸管在一个周期内的导通区间为 120 度，称为 120 度导 通型逆变器。 2.2.2 交交变压变频装置 整流器导通期间它只有一个变换环节，其输出的每一相都是一个两组晶闸管整流 装置反并联的可逆线路。正、反两组按一定周期相互切换，在负载上获得交变的输出 电压。输出电压的幅值取决于两组整流装置

40、的的控制角，输出电压的频率取决于两组 整流装置的切换频率。如果控制角保持不变，则输出平均电压为方波，要想得到正弦 波输出，就必须在每一组断改变其控制角。交交变压变频装置的最高输出频率不超 过电网频率的 13l2，一般只用于低速、大容量的调速系统。 2.2.3 电压源型变频器和电流源型变频 无论是间接变频装置还是直接变频装置，从变频电源的性质上看，都可分为电压 源型变频器和电流源型变频器两大类。 （l）电压源变频器 在交直交变压变频装置中，中间直流环节采用大电容滤波，直流电压波形比 较平直，在理想情况下是一个内阻抗为零的恒压源，输出交流电压是矩形波或阶梯波， 电压控制响应慢，适用于为多台电机同步

41、运行时的供电电源，但不要求快速减速的场 合。 （2）电流源型变频器 当交一直交变频器的中间直流环节采用大电感滤波，直流电流波形比较平直， 电源内阻抗很大，输出交流电流是矩形波或阶梯波，由于滤波电感的作用，系统对负 载变化的反应迟缓，不适用于多电机传动，更适合于一台变频器给一台电机供电的单 电机传动，但可以满足快速制动和可逆运行的要求。若系统若采用可控整流器，存在 以下不足：l）调频由逆变器完成，调压由可控整流器实现，二者之间需要协调配合， 而且由于中间直流电路采用大惯性环节滤波，电压调节速度缓慢。2）使用可控整流器， 对电网。产生谐波污染，网侧功率因数降低，电压和频率调得低，功率因数也越低。

42、3）输出波形为矩形波或阶梯波，含有一系列的（6k 士 1）次谐彼，pwm 变频器较好 地解决上述问题。当采用 pwm 方法控制逆变器功率开关元件的通、断时，即可获得 一组等幅而不等宽的矩形脉冲，改变矩形脉冲的宽度可改变输出电压幅值，改变调制 周期可以改变输出频率。这样，调压和调频在逆变器内部完成，二者始终配合一致， 而且与中间直流环节无关，因而加快了调节速度，改善了动态性能；由于输出等幅脉 冲，只需恒定直流电源供电，可用不可控整流取代可控整流，这使电网侧的功率因数 大为改善：采用 pwm 逆变器，能够抑制或消除低次谐波，加上使用自关断器件，开 关频率的大幅度提高，输出被形可以非常逼近正弦波，可

43、获得比常规六拍阶梯波更接 近正弦波的输出电压波形，减小了电机的谐波损耗并且减轻了转矩脉动，太大扩展了 传动系统的调速范围，提高了系统的性能。 2.3 正弦波脉宽调制（spwm）变频器 spwm 变频器是一个交直交变压变频装置，整流器 ur 是不可控的，它的输 出经电容滤波（可附加小电感限流）后形成恒定幅值的直流电压，加在逆变器 ui 上， 逆变器的功率开关采用全控式器件，按一定规律控制其导通或关断，使输出端获得一 系列宽度不等的矩形脉冲电压波形。 spwm 调制原理: 脉宽调制是用脉冲宽度不等的一系列矩形脉冲去逼近一个所需要的电压和电流信 号，输出的矩形波脉冲与正弦波等效。等效的原则是每一区间

44、的面积相等。如果把一 个正弦半波分作 n 等分，然后把每一等分的正弦波曲线与横轴所包围的面积都用一个 与此面积相等的矩形脉仲来代替，矩形脉冲的幅值不变，备脉冲的中点与正弦波每一 等分点的中点相重合，这样，由 n 个等幅不等宽的矩形脉冲所组成的波形就与正弦波 的半周等效。以前多用模拟电路元件实现 spwm 的控制，这种方法的缺点是所需硬件 较多，而且不够灵活，改变参数和调试比较麻烦。现在大多采用的是数字电路的 spwm 逆变器，采用以软件为基础的控制模式。随着高速度、高精度多功能微处理器、 微控制器和 spwm 专用芯片的发展，采用微机控制的数字化 spwm 技术己占当今 pwm 逆变器的主导地

45、位。 spwm 调制法原理是利用三角波与正弦波参考电压相比较，以确定各分段矩形脉 冲的宽度。当改变参考信号的幅值时，输出脉宽随之改变，从而可以改变输出基波 r u 电压的大小。当改变参考信号的频率时，可以改变输出基波电压的频率。如果控制 ，使其频率、幅值协调变化，则可以完成变频器的控制或者改变载频三角波的频率， r u 并保持每周期输出的脉冲数不变时，就可以改变基波电压的频率。这种调制方式的特 点是半个周期内脉冲中心线等距，脉冲等幅、调宽，各脉冲面积之和与正弦波下的面 积成比例，因此调制波形更接近于正弦波，谐波分量大大减小。在实际应用中，对于 三相逆变器，是由一个三相正弦波发生器产生三相参考信

46、号，与一个公用的三角波载 波信号相比较，而产生三相脉冲调制波。从调制脉冲的极性看，spwm 可分为单极性 和双极性控制模式两种，所谓单极性是指在输出的半个周波内同一相的两个导电臂仅 一个反复通断，而另一个始终截止。而双极性调制在输出的半个周波内同一相的两个 导电臂互补交替通断。本系统采用双极性控制模式，调制模式如图 2.1 。 图 2-1 双极性 spwm 模式调制原理 spwm 逆变器的性能与两个重要参数有关，它们是调制比 m 和载波比 k，其分别为： (2.2) cm rm u u m (2.3) c cc t t f f k 式中、参考信号的幅值、频率（角频率周期） rm utf, r

47、u 式中、载波信号的幅值、频率（角频率周期） cm u ccc tf, c u 在 spwm 控制方式中， 的值保持不变，m 值的改变由改变 来实现。 cm u rm u 根据载彼比 k 的变化与否，分为同步调制和异步调制。在变频调速时，三角载波与正 弦调制波的频率同步改变，即保持 k 值不变的为同步调制。同步调制输出电压半彼内 的矩形脉冲数是固定不变的，如果取 k 为 3 的倍数，同步调制能保证输出波形的正、 负半波始终保持对称，并能严格保证三相输出波形间具有互差 120 度的对称关系。但 是，当输出频率很低时，由于相邻两脉冲间的间距增大，谐波会显著增加，使负载电 机产生脉动转矩和较强的噪声

48、。在改变的同时，的值保持不变，使 k 值不断变化 f c f 的为异步调制。异步调制的优点是逆变器在低频运行时 k 值加大，相应地减少谐波含 量，以减轻电动机的谐波损耗和转矩脉动。但是，异步调制可能使 k 值出现非整数， 相位可能漂移，且正、负半波不对称，偶次谐波就会变得突出起来。将同步调制与异 步调制结合进来，成为分段同步调制，这克服了同步调制和异步调制的不足，在整个 变频范围内划分成若干个频段，在每个频段内都维持载波比 k 恒定，对不同的频段采 取不同的 k 值，频率越低，k 值可取大些。但是随着器件开关频率的提高，使得 k 值 足够太，偶次谐波问题就不会很明显。 第三章 plc 可编程技

49、术 3.1 plc 的产生与发展 1969年，美国数字设备公司(dec)研制出第一台plc，在美国通用汽车自动装配线 上试用，获得了成功。这种新型的工业控制装置以其简单易懂，操作方便，可靠性高， 通用灵活，体积小，使用寿命长等一系列优点，很快地在美国其他工业领域推广应用。 到1971年，己经成功地应用于食品，饮料，冶金，造纸等工业。虽然plc问世时间不长， 但是随着微处理器的出现，大规模，超大规模集成电路技术的迅速发展和数据通讯技 术的不断进步，plc也迅速发展，其发展过程大致可分四代。 第一代在1969-1972年。这个时期的产品，cpu由中小规模集成电路组成，存储器 为磁芯存储器。其功能也

50、比较单一，仅能实现逻辑运算、定时、计数等功能，其中plc 特有的编程语言梯形图一直沿用至今，成为可编程控制器的第一用户语言。 。 第二代在1973-1975年。这个时期的产品已开始使用微处理器作为cpu， iplc(可 变成逻辑控制器)成为真正意义上的pc(可编程控制器)(尚未正式命名)，而存储器采用 半导体存储器。其功能上有所增加，能够实现数字运算、传送、比较等功能，并初步 具备自诊断功能，可靠性有了一定提高。 第三代在19761983年。这个时期，plc进入了大发展阶段，美国、日本、原西德 各有几十个厂家生产plc。这个时期的产品己采用8位和16位微处理器作为cpu,部分产 品还采用了多微

51、处理器结构。其功能显著增强，速度大大提高，并能进行多种复杂的 数学运算，具备完善的通讯功能和较强的远程1/0能力，具有较强的自诊断功能并采用 了容错技术。 第四代为1983年到现在。这个时期的产品除采用16位以上的微处理器作为cpu外， 内存容量更大，有的已达数兆字节;可以将多台plc链接起来，实现资源共享;可以直接 用于一些规模较大的复杂控制系统;编程语言除了可使用传统的梯形图、流程图等，还 可使用高级语言;外设多样化，可以配置crt和打印机等。 第一代plc功能太弱，已基本淘汰;第四代plc面向复杂大型系统，应用还不广泛。 目前，在各行业应用最多的是第二、三代产品。另外，在plc 的发展过

52、程中，产生了 三类按1/0点分类的plc11:小型、中型、大型。一般小于256点为小型小于64为超小 型或微型plc)。控制点不大于2048点为中型plc. 2048点以上为大型plc. 3.2 plc 控制的优越性 3.2.1plc 与继电器比较 继电器控制是采用硬接线逻辑，利用继电器触点的串、并联及时间继电器的延迟 动作来组成控制逻辑，其缺点是一个系统一旦确定就很难轻易再改动。如果要在现场 做一些更改和扩展更是难以实行。而plc是利用其内部的存储器以数据形式将控制逻辑 存储起来的，所以只要改变plc内存储器的内容，也就可以实现更改控制逻辑的目的。 对于plc来讲，只要用plc配备的编程器在

53、现场就可以完成更改。至于plc对外部的联系， 只有1/0点，只要输入输出对象不变，就无须对硬接线作任何改动。继电器控制逻辑是 依靠触点的机械动作来实现的。工作频率很低。一次动作一般为数十毫秒。对于复杂 的控制，使用的继电器越多，反应就越慢。而plc是以微型计算机为基础的控制装置， 其运行速度为每个指令步数十微秒(对于高速plc则是5微秒以下)。并且内部有严格的 同步，所以不会出现抖动的问题。对于限时控制，继电器是利用时间继电器的延时动 作来实现的。由于时间继电器是利用空气阻力，半导体延时电路来实现延时的，所以 其定时精度低，调整不方便。且环境温度变化等因素都会对定时精度有直接的影响。 而plc

54、则是由晶体振荡器所产生的脉冲经多次分频后得到的时基脉冲进行计数来定时的， 定时范围一般为0.1秒，也有0.01秒的，精度一般高于10毫秒，只要根据需要由编程器 送入时间常数即可实现定时时间的设定或更改。由于plc的定时是对时基脉冲进行计数 来实现的，所以如果是对外脉冲进行计数，就成为计数器。现代的plc一般都具有定时 器和计数器功能。 从可靠性和可维护性方面来看，继电器控制逻辑由于使用了大量的机械触点，连 接线也多，触点开闭时产生的电弧会使触点损坏，动作时的机械振动还可能使接线松 动，所以可靠性和可维护性都较差。而plc则采用了无触点的电子电路来替代继电器触 点，确切地说是用存贮器内的数据来代

55、替触点，因此不存在上述缺点。而且体积小、 功耗小、寿命长、可靠性高、还具有监控功能和自检功能，使程序的运行过程成为透 明。 plc一般还具有步进控制指令，可以进行步进控制，而继电器逻辑就比较困 难。继电器逻辑只能对开关量进行控制。而plc除了具有开关量控制功能外，有 些功能较全的plc还具有a/d. d/a转换装置，可以用来对模拟量进行控制。但 是目前在成本方面plc还比继电器贵，一般进口产品每个i/0点为人民币80元 左右;国产一般点为60元左右。 3.2.2plc 与单片机控制系统比较 虽然单片机的配置较微机系统简单，成本也较易接受，但它仍然不是为工业 控制而设计的。同样存在着编程难、不易

56、掌握、需要做大量的接口工作，可靠性 仍较差，成本高等缺点。尽管其有较强的数据处理能力，但工业控制都为开关量 控制，所以其长处仍得不到发挥。单片机与plc的比较:在很大程度上，单片机是专为 工业控制而设计的。因此，它具有较好的环境适应性。事实上，现代plc的核心就是单 片微处理器。用单片机作控制部件在成本方面具有优势。但是不可否认，从单片机到 工业控制装置之间毕竟有一个硬件开发和软件开发的过程。虽然plc也有必不可少的软 件开发过程，但两者所用的语言差别很大，单片机主要使用汇编语言开发软件。而plc 用专用的指令系统来编程的。前者复杂而易出错，开发周期长。后者简便易学，现场 就可以开发调试。单片

57、机控制系统仅适用于较简单的自动化项目。硬件上主要受cpu、 内存容量及io接口的限制;软件上主要受限于与cpu类型有关的编程语言。一般说来单 片机或单片机系统的应用只是为某个特定的产品服务的。其通用性、兼容性和扩展性 都相当差。 3.2.3plc 与计算机控制系统的比较 plc是专为工业控制所设计的。而微型计算机是为科学计算、数据处理等而 设计的，尽管两者在技术上都采用了计算机技术，但由于使用对象和环境的不同， plc较之微机系统具有面向工业控制、抗干扰能力强、适应工程现场的温度、湿 度环境、输入、输出一一般采用“光一电”隔离技术，并配备有可承受较大负载 可编程控制产品是通用的。但是工业的每一

58、领域都有其自己的特点。怎样才能使一个 系统既具有通用性又具备专业化呢?硬件系统的模块化便是解决这一矛盾的钥匙。这样， 适合于某个行业或某些特殊问题的专用模块就可以很容易地集成到通用系统中去。常 用的专用模块包括;定位模块、温度测量模块、高速采样模块、网络接口模块等。 3.3 plc 的系统结构 plc实质上是一种专用于工业控制的计算机，其基本硬件结构与一般计算机几乎一 样。由于它是对机械或设备或某个系统直接控制的装置，所以与一般计算机又有以下 几点不同: (1)使用适宜于控制的专门语言; (2)实时性强; (3)可与各种输入/输出设备直接连接; (4)抗干扰性能强; (5)可在较恶劣的现场环境

59、中工作。 plc主要由中央处理单元(cpu)、存储器(rom/ram),输入/输出单元(1/0),电源以及外部 设备(如编程器)等几大部分组成。 3.3.1 plc 的基本工作原理 (1) plc的工作过程 plc的工作是循环扫描的，这种工作方式是在系统软件控制下，顺次扫描各输入点 的状态，按用户程序进行运算处理，然后顺序向输出点发出响应的控制信号。整个工 作过程可分为五个阶段:读输入、执行程序、处理通讯请求、自诊断、写输出，读输入， 执行程序叫处理通讯请求 输入刷新阶段 执行用户程序阶段 处理通讯请求阶段 自诊断扫描阶段 输出刷新阶段 拥有256个定时器。256个计数器，256个内部继电器，

60、2400个特殊用途寄存器可以 控制复杂的过程; 具有加、减、乘、除运算功能;丰富的移位、位操作、逻辑判断功能: 具有较强的中断能力，包括:用于自由方式的发送，接收中断 (2) plc的结构组成 plc是一种以微处理器为核心的工业通用自动控制装置，其实质是一种工业控制用 的专用计算机。因此，它的组成与一般的微型计算机基本相同，也是由硬件系统和软 件系统组成的。 plc的硬件系统由基本单元，i/o扩展单元及外部设备组成。 plc的软件系统是指plc所使用的各种程序的集合，通常可分为系统程序 和用户程序两大部分。硬件系统与软件系统组成了一个完整的plc系统，它们 相辅相成，缺一不可。没有软件的plc