【正文】 相繞組溫度 STTSAIT3 50~200℃ 另外，在檢測(cè)溫度參數(shù)時(shí)，還需要有變送器將測(cè)量的溫度參數(shù)轉(zhuǎn)換成 420mA 的電流信號(hào)或 05V 的電壓信號(hào)，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(fēng)機(jī)上的應(yīng)用概述 近幾年來，隨著電力電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的迅速發(fā)展，變頻器的價(jià)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(fēng)機(jī)、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(fēng)系統(tǒng)具有完善的監(jiān)控功能和高可靠性，減少通風(fēng)機(jī)的檢修和維護(hù)的工作量，節(jié)約設(shè)備的費(fèi)用。經(jīng)過幾十年的研究 和發(fā)展，出現(xiàn)了許多交流電機(jī)的調(diào)速方式，如異步電機(jī)的變極調(diào)速、定子電壓調(diào)速、轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速、串級(jí)調(diào)速、變頻調(diào)速等。反之，當(dāng)電源頻率降低，同步轉(zhuǎn)速降低，交流異步電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速 n 也降低。 圖 4 風(fēng)機(jī)及管網(wǎng)的 H－ Q 特性曲線圖 圖 4 中曲線 1 為風(fēng)機(jī)開始調(diào)節(jié)前的風(fēng)壓一風(fēng)量 H 一 Q 特性曲線，曲線 a 為管網(wǎng)風(fēng)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(fēng)機(jī)的運(yùn)行，隨著風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的下降，風(fēng)壓－風(fēng)量特性變?yōu)榍€ 2，系統(tǒng)工況也由 A 點(diǎn)變到 C 點(diǎn)，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(fēng)機(jī)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(chǔ)能環(huán)節(jié)，這是因?yàn)槟孀兤鞯呢?fù)載多為感性負(fù)載，其功率因數(shù)小于 1，使得在中間直流環(huán)節(jié)和電動(dòng)機(jī)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(jìn)而控制異步電機(jī)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(hào)處理的功能，模擬量信號(hào)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(yuǎn)程輸入站作為從站，采用 PROFIBUSDP 現(xiàn)場(chǎng)總線實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)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(duì)于傳統(tǒng)的 DCS 控制 系統(tǒng)，現(xiàn)場(chǎng)總線有著分散控制更徹底、開放性好、可靠性高、總體價(jià)格也較便宜等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)被譽(yù)為自動(dòng)化領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)，它的出現(xiàn)，標(biāo)志著工業(yè)控制技術(shù)領(lǐng)域又一個(gè)新時(shí)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(jí)以太網(wǎng)部件推出，使影響以太網(wǎng)進(jìn)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(chǎng)總線與以太網(wǎng)的互連 為了解決現(xiàn)場(chǎng)總線面臨著標(biāo)準(zhǔn)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(dòng)控制與計(jì)算機(jī)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(chǎng)總線與以太網(wǎng)互聯(lián) 網(wǎng)絡(luò)的具體實(shí)現(xiàn)方法 本系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線采用 PROFIBUSDP 總線。 同時(shí)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(jì) 在風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)硬件電路的控制電路部分，利用 PLC 進(jìn)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(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的邏輯控制以及進(jìn)行模擬量控制等功能。在風(fēng)機(jī)自動(dòng)變頻運(yùn)行時(shí)，是利用采集到的風(fēng)壓信號(hào)進(jìn)行通風(fēng)機(jī)的變頻調(diào)速控制。同時(shí)，還要考慮 PLC 的存儲(chǔ)容量，還要留有 30%一 50%的裕量。 在本設(shè)計(jì)中共有 8 輸入 /11 輸出， 7 點(diǎn)模擬量輸入和 1 點(diǎn)模擬量輸出。 EM231 有 4點(diǎn)模擬量輸入。變頻器的運(yùn)行控制方式選擇，可依據(jù)風(fēng)機(jī)在低速運(yùn)行時(shí)，阻轉(zhuǎn)矩很小，不存在低頻時(shí)帶不動(dòng)負(fù)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(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。 本系統(tǒng)中實(shí)驗(yàn)風(fēng)機(jī)的功率為 2 4Kw，因此可以選擇同樣功率的變頻器。 風(fēng)機(jī)工頻運(yùn)行時(shí)，在穩(wěn)定工作區(qū)的出氣靜壓為 一 ，風(fēng)機(jī)管道的出氣風(fēng)量為 ，根據(jù)《煤炭安全規(guī)程》規(guī)定每人每分鐘需要的風(fēng)量應(yīng)不少于 /s，如設(shè)定為 5/s， 可計(jì)算出要求風(fēng)機(jī)管道的出氣風(fēng)量為 Q 。為了實(shí)現(xiàn)這一目的，本系統(tǒng)采用根據(jù)風(fēng)機(jī)出氣風(fēng)壓的變化進(jìn)行風(fēng)量的控制。最后，再根據(jù)風(fēng)機(jī)的比例定律，求出風(fēng)量達(dá)到設(shè)定的 ，風(fēng)機(jī)需要調(diào)整的轉(zhuǎn)速大小。 圖 11 風(fēng)機(jī)及管 網(wǎng)風(fēng)量 風(fēng)壓特性曲線 風(fēng)機(jī)在剛開始啟動(dòng)時(shí)，風(fēng)機(jī)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(diǎn)為 0。此時(shí)，壓力傳感器采集的壓力為，可由下面風(fēng)機(jī)的比例關(guān)系式求出工況點(diǎn) 3的壓力值。 式中：，工況點(diǎn) 3 時(shí)風(fēng)機(jī)風(fēng)量， /s； ，工況點(diǎn) 3 時(shí)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速， r/min； ，工況點(diǎn) 3 時(shí)變頻器輸出電壓頻率， HZ； ，工況點(diǎn) 3 時(shí)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(jì)算出不同出氣風(fēng)壓對(duì)應(yīng)的變頻器模擬輸入電壓 值，然后對(duì)這些理論數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合求得的。 PLC 軟件設(shè)計(jì) PLC 軟件部分用 STEP7Micro/WIN 編程。 PLC 主控制程序在執(zhí)行時(shí)，先判斷風(fēng)機(jī)是否自動(dòng)變頻運(yùn)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(fēng)機(jī)進(jìn)行工頻運(yùn)行。若有錯(cuò)，則控制系統(tǒng)的主程序立即結(jié)束；若無錯(cuò)，則進(jìn)行子程序 3 和 4 的調(diào)用。本流程圖中以 1電機(jī)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(shí)際的風(fēng)壓值。 圖 15 子程序 4 流程圖 中斷子程序 滿足風(fēng)量要求的模擬輸入電壓值為子程序 4 中計(jì)算的模擬電 壓值，把計(jì)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(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)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(jì) 組態(tài)軟件選用北京亞控公司的 KINGVIEW 。同時(shí)，根據(jù)采集風(fēng)壓轉(zhuǎn)換到工頻風(fēng)壓所對(duì)應(yīng)的風(fēng)量與采集風(fēng)壓的擬合方程，求出此風(fēng)壓對(duì)應(yīng)的風(fēng)量。最后由 PLC 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，包括定子和軸承的溫度是否超標(biāo)，軸承振動(dòng)是否異常，進(jìn)而判斷是否報(bào)警或進(jìn)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(dāng)主控制程序在開始執(zhí)行時(shí)，若風(fēng)機(jī)處于自動(dòng)變頻運(yùn)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(shí)中斷時(shí)間，定時(shí)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(jī)溫度是否超限以及電機(jī)是否振動(dòng)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(fēng)機(jī)的自動(dòng)變頻、手動(dòng)變頻和工頻運(yùn)行、子程序的調(diào)用和中斷時(shí)間的設(shè)置，以及實(shí)現(xiàn)電機(jī)溫度超限報(bào)警、變頻器和風(fēng)機(jī)故障報(bào)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(fēng)壓轉(zhuǎn)換到工頻風(fēng)壓，然后根據(jù)風(fēng)機(jī)工頻的壓力流量特性曲線方程求出所對(duì)應(yīng)的風(fēng)量值，對(duì)理論計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合求得的。同理，當(dāng)風(fēng)機(jī)的管網(wǎng)阻力再變化時(shí)，根據(jù)采集的風(fēng)壓大小，依據(jù)此算法即可及時(shí)地調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，控制風(fēng)機(jī)的風(fēng)量。 42 其中，工況點(diǎn) 3 為風(fēng)機(jī)工頻 運(yùn)行是的工況點(diǎn)， 2900r/min， 50HZ， 10V，并且 ， ， ，是由壓力傳感器測(cè)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(shí)，對(duì)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(fēng)機(jī)達(dá)到需要調(diào)整的轉(zhuǎn)速時(shí)，變頻器需要的模擬輸入電壓值。然后，根據(jù)風(fēng)機(jī)的比例定律，把風(fēng)壓轉(zhuǎn)換到風(fēng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速卞的壓力。再根據(jù)風(fēng)機(jī)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(fēng)機(jī)的電源電壓頻率 / 30Hz。壓力傳感器采集的信號(hào)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(jìn)而控制兩臺(tái)電機(jī)的運(yùn)行。它按照專用要求設(shè)計(jì)，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(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載在一定的速度范圍內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，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(fù)載稱為平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載。 CPU 系統(tǒng)配置具體如下： 功能 型號(hào) 數(shù)量 主控單元 CPU226 AC/DC/RELAY 1 模擬量擴(kuò)展 EM235 4AI/1DO EM231 4AI 1 1 通訊模塊擴(kuò)展 以太網(wǎng) CP2431 EM227 1 1 表 2 CPU 單元選型 變頻器的選型 風(fēng)機(jī)在某一轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時(shí) ,其阻轉(zhuǎn)矩一般不會(huì)發(fā)生變化 ,只要轉(zhuǎn)速不超過額定值 ,電動(dòng)機(jī)也不會(huì)過載 ,一般變頻器在出廠標(biāo)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(dòng)的電動(dòng)機(jī)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(gè)數(shù)字量 IO 點(diǎn)；有 2 個(gè) 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(hào) 自動(dòng)變頻按鈕 SF0 手動(dòng)變頻按鈕 SF1 工頻運(yùn)行切換按鈕 SF2 停止運(yùn)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(dòng)變送器輸入 TF AIW0 負(fù)壓傳感器輸入 BP1 AIW2 壓力傳感器輸入 BP2 AIW4 1電機(jī)定子溫度輸入 BT1 AIW6 1電機(jī)軸承溫度輸入 BT2 AIW8 2電機(jī)定子溫度輸入 BT3 AIW10 2電機(jī)軸承溫度輸入 BT4 AIW12 名稱 代碼 地址編碼 輸出信號(hào) 1風(fēng)機(jī)變頻運(yùn)行接觸器 指示燈 QA3， PG1 1風(fēng)機(jī)工頻運(yùn)行接觸器 指示燈 QA4， PG2 2風(fēng)機(jī)變頻運(yùn)行接觸器 指示燈 QA5， PG3 2風(fēng)機(jī)工頻運(yùn)行接觸器 指示燈 QA6， PG4 變頻器 1 啟動(dòng) 1DIN1 變頻器1 故障復(fù)位 1DIN3 變頻器 2 啟動(dòng) 2DIN1 變頻器 2故障故障復(fù)位 2DIN3 變頻器故障信號(hào)燈 PG5 1 電機(jī)振動(dòng)異常指示燈 PG6 2電機(jī)振動(dòng)異常指示燈 PG8 井巷壓力下限指示燈 PG8 1電機(jī)溫度上限指示燈 PG9 2電機(jī)溫度上限指示燈 PG10 報(bào)警電鈴 PB 風(fēng)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(jìn)行 PLC 型號(hào)的選擇時(shí)，要考慮控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能，選擇低檔機(jī)、中檔機(jī)還是高檔機(jī)。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(jì) 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(chǎng)總線以便控制裝置盡可能靠近現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，上層采用工業(yè)以太網(wǎng)監(jiān)控，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)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(dòng)化系統(tǒng)的方法，實(shí)現(xiàn)信息的完全共享，極大的提高了對(duì)復(fù)雜生產(chǎn)過 程的檢測(cè)、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