【正文】 相繞組溫度 STTSAIT3 50~200℃ 另外，在檢測溫度參數(shù)時，還需要有變送器將測量的溫度參數(shù)轉(zhuǎn)換成 420mA 的電流信號或 05V 的電壓信號，以便于傳送給PLC 的模擬量模塊。 變頻調(diào)速 變頻調(diào)速技術(shù)在礦井通風機上的應(yīng)用概述 近幾年來，隨著電力電子技術(shù)和計算機控制技術(shù)的迅速發(fā)展，變頻器的價格不 斷下降，其可靠性和功能性得到了不斷提高和完善，使其在水泵、風機、電梯等設(shè)備上得到了廣泛的應(yīng)用。 3 PLC 控制技術(shù)和變頻器結(jié)合使用，可以使通風系統(tǒng)具有完善的監(jiān)控功能和高可靠性，減少通風機的檢修和維護的工作量，節(jié)約設(shè)備的費用。經(jīng)過幾十年的研究 和發(fā)展，出現(xiàn)了許多交流電機的調(diào)速方式，如異步電機的變極調(diào)速、定子電壓調(diào)速、轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速、串級調(diào)速、變頻調(diào)速等。反之，當電源頻率降低，同步轉(zhuǎn)速降低，交流異步電機的實際轉(zhuǎn)速 n 也降低。 圖 4 風機及管網(wǎng)的 H－ Q 特性曲線圖 圖 4 中曲線 1 為風機開始調(diào)節(jié)前的風壓一風量 H 一 Q 特性曲線，曲線 a 為管網(wǎng)風阻特性曲線 管網(wǎng)阻力最小 。 若采用變頻調(diào)速控制局部通風機的運行，隨著風機轉(zhuǎn)速的下降，風壓－風量特性變?yōu)榍€ 2，系統(tǒng)工況也由 A 點變到 C 點，代表軸功率的面積 C 比采用前一種方法調(diào)節(jié)顯著減少，兩者之差即是節(jié)省的氣體功率。根據(jù)上述變頻調(diào)速的原理，礦井通風機的轉(zhuǎn)速。交一直一交變頻器 是把工頻交流電經(jīng)整流器先轉(zhuǎn)換成直流電，然后經(jīng)濾波環(huán)節(jié)后，再把直流電轉(zhuǎn)換成頻率、電壓可控制的交流電，又稱為間接變頻器。 3 中間直流環(huán)節(jié) 中間直流環(huán)節(jié)又稱為中間儲能環(huán)節(jié)，這是因為逆變器的負載多為感性負載，其功率因數(shù)小于 1，使得在中間直流環(huán)節(jié)和電動機之間存在著無功率的交換。其邏輯組合控制是用PLC 的輸出去控制變頻器控制端子的 ON/OFF 狀態(tài)，使變頻器輸出不同頻率的電源，進而控制異步電機的轉(zhuǎn)速。通過串行電纜把 PLC 和變頻器的 RS485 通訊接口連接起來，用通訊的方式把頻率由 PLC 傳給變頻器，這就是 PLC 控制變頻器的通訊方式。 3 模擬量控制的方式 現(xiàn)在生產(chǎn)的 PLC 一般都具有模擬量信號處理的功能，模擬量信號通過 A/D模塊和 D/A 模塊轉(zhuǎn)換后，輸出 0~10V 的電壓或 4~20mA 的電流，把輸出的信輸入到變頻器相應(yīng)的模擬量輸入端子，可以控制變頻器輸出電源的頻率，這種 PLC控制變頻器的方式，稱為模擬量的控制方式。 中央控制層由帶有以太網(wǎng)接口的 PLC 組成， PLC 作為總站，就地站以及遠程輸入站作為從站，采用 PROFIBUSDP 現(xiàn)場總線實現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備的互連，節(jié)省了大量的 A/D 等傳輸和轉(zhuǎn)換模塊。相對于傳統(tǒng)的 DCS 控制 系統(tǒng)，現(xiàn)場總線有著分散控制更徹底、開放性好、可靠性高、總體價格也較便宜等優(yōu)點，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)被譽為自動化領(lǐng)域的計算機局域網(wǎng)，它的出現(xiàn)，標志著工業(yè)控制技術(shù)領(lǐng)域又一個新時代的開始。以太網(wǎng)傳輸速度的提高、高速以太網(wǎng)的應(yīng)用以及工業(yè)級以太網(wǎng)部件推出，使影響以太網(wǎng)進入工控領(lǐng)域的確定性問題和可靠性問題逐漸得到解決。 現(xiàn)場總線與以太網(wǎng)的互連 為了解決現(xiàn)場總線面臨著標準繁多、難以與企業(yè)管理網(wǎng)絡(luò)集成等諸多問題，于是就出現(xiàn)了把自動控制與計算機管理系統(tǒng)結(jié)合起來，集管理和控制為一體的系統(tǒng)。其互連模型如圖 7 所示： 圖 7 現(xiàn)場總線與以太網(wǎng)互聯(lián) 網(wǎng)絡(luò)的具體實現(xiàn)方法 本系統(tǒng)現(xiàn)場總線采用 PROFIBUSDP 總線。 同時本系統(tǒng)中采用 CP2431 以太網(wǎng)通信模塊將 S7200 PLC 連接到工業(yè)以太網(wǎng)中。 控制電路的設(shè)計 在風機控制系統(tǒng)硬件電路的控制電路部分，利用 PLC 進行控制，可以大大提高系統(tǒng)的可靠性、節(jié)省大量的繼電器、實現(xiàn)較復(fù)雜的邏輯控制以及進行模擬量控制等功能。在風機自動變頻運行時，是利用采集到的風壓信號進行通風機的變頻調(diào)速控制。同時，還要考慮 PLC 的存儲容量，還要留有 30%一 50%的裕量。 在本設(shè)計中共有 8 輸入 /11 輸出， 7 點模擬量輸入和 1 點模擬量輸出。 EM231 有 4點模擬量輸入。變頻器的運行控制方式選擇，可依據(jù)風機在低速運行時，阻轉(zhuǎn)矩很小，不存在低頻時帶不動負載的問題，故采用V/F（恒壓頻比）控制方式即可。使用 V/F 控制方式的變頻器來控制風機的轉(zhuǎn)速。 本系統(tǒng)中實驗風機的功率為 2 4Kw，因此可以選擇同樣功率的變頻器。 風機工頻運行時，在穩(wěn)定工作區(qū)的出氣靜壓為 一 ，風機管道的出氣風量為 ，根據(jù)《煤炭安全規(guī)程》規(guī)定每人每分鐘需要的風量應(yīng)不少于 /s，如設(shè)定為 5/s， 可計算出要求風機管道的出氣風量為 Q 。為了實現(xiàn)這一目的，本系統(tǒng)采用根據(jù)風機出氣風壓的變化進行風量的控制。最后，再根據(jù)風機的比例定律，求出風量達到設(shè)定的 ，風機需要調(diào)整的轉(zhuǎn)速大小。 圖 11 風機及管 網(wǎng)風量 風壓特性曲線 風機在剛開始啟動時，風機的管網(wǎng)阻力最小為，輸入電源電壓頻率為 30Hz 變頻器設(shè)定 ，其工作的工況點為 0。此時，壓力傳感器采集的壓力為，可由下面風機的比例關(guān)系式求出工況點 3的壓力值。 式中：，工況點 3 時風機風量， /s； ，工況點 3 時風機轉(zhuǎn)速， r/min； ，工況點 3 時變頻器輸出電壓頻率， HZ； ，工況點 3 時變頻器輸入模擬電壓， V。該擬合方程是根據(jù)以上所述算法，理論計算出不同出氣風壓對應(yīng)的變頻器模擬輸入電壓 值，然后對這些理論數(shù)據(jù)進行擬合求得的。 PLC 軟件設(shè)計 PLC 軟件部分用 STEP7Micro/WIN 編程。 PLC 主控制程序在執(zhí)行時，先判斷風機是否自動變頻運行。若是，則程序開始執(zhí)行判斷頻器是否有故障；若不是，則風機進行工頻運行。若有錯，則控制系統(tǒng)的主程序立即結(jié)束；若無錯，則進行子程序 3 和 4 的調(diào)用。本流程圖中以 1電機定子溫度采集為例，其它溫度采集與之類似。由于 PLC采集的電壓值為 032020 之間的數(shù)字量，需要根據(jù)傳感器采集的壓力值與輸出電壓的線性關(guān)系，把 PLC 采集的數(shù)值轉(zhuǎn)換成實際的風壓值。 圖 15 子程序 4 流程圖 中斷子程序 滿足風量要求的模擬輸入電壓值為子程序 4 中計算的模擬電 壓值，把計算所得的模擬電壓值轉(zhuǎn)換成 032020 之間的數(shù)字量，送給 PLC 模擬量模塊的輸出端AIWO，輸出給變頻器的模擬量控制端子，對風機進行變頻調(diào)速控制。組態(tài)王 為系統(tǒng)工程師提供了集 。 組態(tài)軟件設(shè)計 組態(tài)軟件選用北京亞控公司的 KINGVIEW 。同時，根據(jù)采集風壓轉(zhuǎn)換到工頻風壓所對應(yīng)的風量與采集風壓的擬合方程，求出此風壓對應(yīng)的風量。最后由 PLC 對數(shù)據(jù)進行分析，包括定子和軸承的溫度是否超標，軸承振動是否異常，進而判斷是否報警或進行斷電處理。 圖 13 子程序 0 與子程序 1 流程圖 子程序 2 和 3 程序流程 子程序 2 和 3 的程序流程如圖 1 所示。當主控制程序在開始執(zhí)行時，若風機處于自動變頻運行狀態(tài)，該程序即被調(diào)用一次。然后根據(jù)設(shè)置的定時中斷時間，定時連接變頻器的模擬輸入電壓中斷程序 0，再判斷變頻器是否有故障，電機溫度是否超限以及電機是否振動異常。 主控制程序流程 圖 12 主程序流程圖 主控制程序用來控制風機的自動變頻、手動變頻和工頻運行、子程序的調(diào)用和中斷時間的設(shè)置，以及實現(xiàn)電機溫度超限報警、變頻器和風機故障報警、變頻器故障復(fù)位等功能。其擬合方程是把采集的不同出氣風壓轉(zhuǎn)換到工頻風壓，然后根據(jù)風機工頻的壓力流量特性曲線方程求出所對應(yīng)的風量值，對理論計算數(shù)據(jù)進行擬合求得的。同理，當風機的管網(wǎng)阻力再變化時，根據(jù)采集的風壓大小，依據(jù)此算法即可及時地調(diào)節(jié)風機的轉(zhuǎn)速，控制風機的風量。 42 其中，工況點 3 為風機工頻 運行是的工況點， 2900r/min， 50HZ， 10V，并且 ， ， ，是由壓力傳感器測得的。根據(jù)變頻器的輸出頻率與其輸入模擬電壓的線性關(guān)系，可知 30HZ 時，對應(yīng)變頻器的模擬輸入電壓 30/5010 。根據(jù)此線性關(guān)系，可以求出風機達到需要調(diào)整的轉(zhuǎn)速時，變頻器需要的模擬輸入電壓值。然后，根據(jù)風機的比例定律，把風壓轉(zhuǎn)換到風機額定轉(zhuǎn)速卞的壓力。再根據(jù)風機轉(zhuǎn)速與輸入電源頻率的線性關(guān)系，可估算出 ，變頻器輸出給風機的電源電壓頻率 / 30Hz。壓力傳感器采集的信號經(jīng) PLC 處理后，由 EM235 模塊的 3 口和 5 口輸出，連接 MM430變頻器的 AIN+和 AIN端口，進而控制兩臺電機的運行。它按照專用要求設(shè)計，并使用內(nèi)部功能互聯(lián)（ BiCo）技術(shù)，具有高度可靠性和靈活性。 風機、泵類負載在一定的速度范圍內(nèi)運轉(zhuǎn)時，空氣或液體所產(chǎn)生的阻力大致與轉(zhuǎn)速 n 的平方成正比，轉(zhuǎn)矩按轉(zhuǎn)速平方的變化而變化，這類負載稱為平方轉(zhuǎn)矩負載。 CPU 系統(tǒng)配置具體如下： 功能 型號 數(shù)量 主控單元 CPU226 AC/DC/RELAY 1 模擬量擴展 EM235 4AI/1DO EM231 4AI 1 1 通訊模塊擴展 以太網(wǎng) CP2431 EM227 1 1 表 2 CPU 單元選型 變頻器的選型 風機在某一轉(zhuǎn)速下運行時 ,其阻轉(zhuǎn)矩一般不會發(fā)生變化 ,只要轉(zhuǎn)速不超過額定值 ,電動機也不會過載 ,一般變頻器在出廠標注的額定容量都具有一定的余量安全系數(shù) ,所以選擇變頻器容量與所驅(qū)動的電動機容量相同即可。另外選用 EM235模塊和 EM231 模塊。 CPU226 具有 24 輸入 /16 輸出，共 40 個數(shù)字量 IO 點；有 2 個 RS485 通信 /編程接口；有 PID 控制器，具有 PID 自整定的功能；也有 PPI/MPI 和自由方式通信的能力。 圖 9 控制電路 系統(tǒng)的 I/O 地址分配如下表所示： 名稱 代碼 地址編碼 輸入信號 自動變頻按鈕 SF0 手動變頻按鈕 SF1 工頻運行切換按鈕 SF2 停止運行按鈕 SF3 變頻器 1 故障輸入 1RL1 變頻 器 2故障輸入 2RL1 試燈鈴按鈕 SF4 消鈴按鈕 SF5 振動變送器輸入 TF AIW0 負壓傳感器輸入 BP1 AIW2 壓力傳感器輸入 BP2 AIW4 1電機定子溫度輸入 BT1 AIW6 1電機軸承溫度輸入 BT2 AIW8 2電機定子溫度輸入 BT3 AIW10 2電機軸承溫度輸入 BT4 AIW12 名稱 代碼 地址編碼 輸出信號 1風機變頻運行接觸器 指示燈 QA3， PG1 1風機工頻運行接觸器 指示燈 QA4， PG2 2風機變頻運行接觸器 指示燈 QA5， PG3 2風機工頻運行接觸器 指示燈 QA6， PG4 變頻器 1 啟動 1DIN1 變頻器1 故障復(fù)位 1DIN3 變頻器 2 啟動 2DIN1 變頻器 2故障故障復(fù)位 2DIN3 變頻器故障信號燈 PG5 1 電機振動異常指示燈 PG6 2電機振動異常指示燈 PG8 井巷壓力下限指示燈 PG8 1電機溫度上限指示燈 PG9 2電機溫度上限指示燈 PG10 報警電鈴 PB 風壓模擬量輸出 AQW0 表 1 I/O 地址分配 器件的選型 的選型 在進行 PLC 型號的選擇時，要考慮控制系統(tǒng)實現(xiàn)的功能，選擇低檔機、中檔機還是高檔機。本控制系統(tǒng)接線圖如下圖 9 所示。 4 系統(tǒng)的硬件設(shè)計 系統(tǒng)硬件連接 系統(tǒng)的硬件連接見附錄 1。 DP 采用雙絞線或光纜作為傳輸介質(zhì)，傳輸速率從。底層用現(xiàn)場總線以便控制裝置盡可能靠近現(xiàn)場設(shè)備，上層采用工業(yè)以太網(wǎng)監(jiān)控，從而實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的集中管理和分散控制，這種將兩層網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用到自動化系統(tǒng)的方法，實現(xiàn)信息的完全共享，極大的提高了對復(fù)雜生產(chǎn)過 程的檢測、監(jiān)督和控制功能，提高了系統(tǒng)的利用率。工業(yè)以太網(wǎng)是基于以太網(wǎng)技術(shù)和 TCP/IP