【正文】 通風(fēng)機(jī)變頻與工頻工作的 兩種工作狀態(tài)可以實(shí) 現(xiàn)， 由 人為 切換 來完成 。 中國礦業(yè)大學(xué) 20xx 屆本科畢業(yè)設(shè)計 第 12 頁 3 礦井主通風(fēng)機(jī)變頻節(jié)能系統(tǒng)方案及硬件電路設(shè)計 系統(tǒng)的方案設(shè)計 礦井主通風(fēng)機(jī)變頻節(jié)能系統(tǒng)的要求 通過前面的章節(jié)中關(guān)于礦井通風(fēng)機(jī)，變頻調(diào)速原理的介紹，我們便可以運(yùn)用原理來實(shí)際應(yīng)用到礦井主通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)中，但是在應(yīng)用之前我們要明確所設(shè)計的系統(tǒng)的要求具體有哪些。通過變頻調(diào)速的方式減小了通風(fēng)量，相比傳統(tǒng)調(diào)節(jié)工作風(fēng)阻的方式，通風(fēng)機(jī)功率明顯減小，具有很明顯很徹底的節(jié)能效果。 ① 號曲線對應(yīng)主風(fēng)機(jī)在 n1 轉(zhuǎn)速下的 QH 特性曲線， ② 號曲線對應(yīng)主風(fēng)機(jī)在 n2 轉(zhuǎn)速下的 QH 特性曲線，其中 n1n2。/s。交 交變頻器是將電網(wǎng)的工頻交流電轉(zhuǎn)換成另一種頻率的交流電，不經(jīng)過中間任何儲能環(huán)節(jié)。去改變 Eg 的值需要去改變定子電壓 U1，而這種近似的處理效果的原理需要用到下面的公式來說明 jx 1) I 1+( r 1+Eg=U1 () 式中： U1——定子電壓； r1——定子電阻； x1——定子漏電抗； I1——定子電流。 s——交流異步電機(jī)的轉(zhuǎn)差率； p——交流異步電機(jī)的極對數(shù)。 （ ） N1/N2=（ n1/n2） 179。下面在通風(fēng)機(jī)的穩(wěn)定工作區(qū)域內(nèi)進(jìn)行 HQ 曲線二次多項式的擬合。在 “駝峰 ”左面的區(qū)域是不穩(wěn)定工作區(qū)域，風(fēng) 機(jī) 在此區(qū)域工作會導(dǎo)致其有較強(qiáng)的震蕩，產(chǎn)生噪音； N， H在此區(qū)域隨著風(fēng) 量 Q 的變化 程度大 ， 此條件下 運(yùn)行會對風(fēng)機(jī) 造成損害 。對旋式軸流通風(fēng)機(jī)的特點(diǎn)是在同等條件下對旋式軸流通風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的全風(fēng)壓要高于普通的軸流式風(fēng)機(jī)，因此經(jīng)濟(jì)效益更加好。在變頻運(yùn)行部分的程序需要進(jìn)行一定的曲線擬合出 UP 方程 ，這其中需要一定的算法 原理 ，來實(shí)現(xiàn)實(shí)時變頻。 基于以上方面，變頻器在煤礦通風(fēng)系統(tǒng)上的應(yīng)用逐步完善。目前可編程控制器控制技術(shù)在礦井通風(fēng)機(jī)上已得到大力的發(fā)展和重視，隨著工業(yè) 時代的到來，這方面的技術(shù)會更加成熟和完善。同時 PLC 本身具有 抗干擾設(shè) 計，因此和其它系統(tǒng)相比，其成本較低。 PLC 的定位本身就是應(yīng)該直接應(yīng)用于工業(yè)環(huán)境，因?yàn)樗哂衅渌刂破魉骄哂械奶攸c(diǎn)，主 要包括： ⑴ 減少外部干擾 ， 可靠穩(wěn)定 微電子技術(shù) 被應(yīng)用到 PLC 中 ，無觸點(diǎn)的電子存儲器件完成 了 大量的開關(guān)動作，因此 PLC 為核心的 控制系統(tǒng)可靠 穩(wěn)定 ，在幾萬小時以上 的工作時間內(nèi) PLC一般無故障運(yùn)行 ，這是其他的控制系統(tǒng)不 具有的特性 。 目前很多煤礦的礦井主通風(fēng)機(jī)仍然采用傳統(tǒng)繼電器控制的方法，風(fēng)機(jī)的啟動和停止不能脫離工作人員的操作，自動化水平較為落后。 and the third part is the system software programming. The first part of the design, including the principle of its operation running fan curves were analyzed, focuses on the principle of variable frequency speed control. The second part of the design of the system includes the hardware required electrical schematic’s design selection and the introduction of the system. The third part of the design include the use of Siemens STEP7MICRO / PLC programming software to write programs, and air flow control algorithm is introduced. Keywords: main fan。 本設(shè)計的方法是利用 PLC 控制技術(shù)和變頻調(diào)速技術(shù)對礦井通風(fēng)機(jī)進(jìn)行實(shí)時的調(diào)速使其運(yùn)行在礦井通風(fēng)機(jī)特性曲線上的最優(yōu)點(diǎn)附近從而實(shí)現(xiàn)電能的充分利用。 第二部分的設(shè)計中包括對系統(tǒng)中所需的硬件進(jìn)行選型和介紹，系統(tǒng)的電氣原理圖設(shè)計。在中國煤炭的發(fā)展歷史上巨大的人員傷亡是其發(fā)展的代價，因此現(xiàn)在越來越重視煤炭的安全生產(chǎn)。例如要減少通風(fēng)量需要增加管網(wǎng)風(fēng)阻力，因此需要縮短通風(fēng) 橡膠管的直徑，調(diào)節(jié)風(fēng)門大小，以及通風(fēng)機(jī)葉片的安裝角度來增加管網(wǎng)風(fēng)阻力，這樣的做法雖然在一定程度上可以達(dá)到效果，但是風(fēng)機(jī)恒速恒功率運(yùn)行，會造成不必要的電能浪費(fèi)，相關(guān)原理會在下面的內(nèi)容解釋說明，同時也不能夠?qū)崟r對風(fēng)量進(jìn)行調(diào)節(jié)，不具有實(shí)效性。所以說 PLC 具有很強(qiáng)的通用性。 ⑹ 維護(hù)方便 PLC 的輸入 /輸出端子，可直接反映信號在工作現(xiàn)場的狀態(tài)，工作人員可以在編程工具中觀察控制系統(tǒng)的狀態(tài)，很大程度上方便了維修人員查找故障，從而縮短系統(tǒng)維護(hù)時間。變頻器現(xiàn)今主要用于水泵，風(fēng)機(jī)，空調(diào)，電梯等設(shè)備，它可以根據(jù)電機(jī)的不同負(fù)載實(shí)現(xiàn)節(jié)能，提高生產(chǎn)效率和 產(chǎn)品質(zhì)量實(shí)現(xiàn)自動化，增加設(shè)備的使用壽命。具體來說本設(shè)計分為以下幾個過程： ⑴ 礦井主通風(fēng)機(jī)變頻節(jié)能調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計：通過礦井通風(fēng)機(jī)的原理來進(jìn)行合理的設(shè)計，系統(tǒng)所能實(shí)現(xiàn)的功能包括手動切換風(fēng)機(jī)工頻運(yùn)行與風(fēng)機(jī)變頻運(yùn)行，手動切換主風(fēng)機(jī)和備用備用風(fēng)機(jī)運(yùn)行，風(fēng)機(jī)自動變頻節(jié)能運(yùn)行，變頻器故障報警，變頻器故障復(fù)位。主要通風(fēng)機(jī)必須 24 小時不間斷運(yùn)行 ，對礦井安全生產(chǎn)和礦井下工作人員的身體健康、生命安全關(guān)系重大。 主要礦井通風(fēng)機(jī)運(yùn)行特性曲線說明 主要通風(fēng)機(jī)工作的基本參數(shù)是風(fēng)量、風(fēng)壓、功率和效率，這些基本參數(shù)能夠反應(yīng)礦井通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行特性和狀況。 ⑵ 當(dāng)風(fēng)量由小到大增加時，主要通風(fēng)機(jī) 工作效率 也逐 慢慢升高 ，當(dāng) 增至 最大值后 隨著風(fēng)量增加逐步下降 。 對于不同的礦井主通風(fēng)機(jī)其擬合出來的二次多項式是不同的，因此相關(guān)的參數(shù)也是不同的，即 α， β， γ的值也是不同的。 通 過以上這三條公式可以實(shí)現(xiàn)不同轉(zhuǎn)速下的物理量之間的轉(zhuǎn)換，可以將非額定轉(zhuǎn)速下的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)換到額定轉(zhuǎn)速下來進(jìn)行計算，這樣大大簡化計算分析過程，有利于我們?nèi)シ治鲈O(shè)計通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)。由電機(jī)學(xué)知識可知，在改變交流異步電動機(jī)電源頻率時，應(yīng)該對電動機(jī)進(jìn)行電壓協(xié)調(diào)控制。然而在基頻以上進(jìn)行調(diào)速時由于需要定子電壓維持在額定電壓，此時就不能保證電機(jī)的磁通不變，這種調(diào)速方式屬于恒功率調(diào)速。變頻器按照變頻電源的的性質(zhì)還可以分為電壓型和電流型， 由于對本設(shè)計作用不大， 此處不作詳細(xì)介紹。 傳統(tǒng)的風(fēng)量調(diào)節(jié)方式是恒速下改變主通風(fēng)機(jī)的工作風(fēng)阻特性曲線，通過改變軸流式通風(fēng)機(jī)的葉片安裝角度，調(diào)節(jié)風(fēng)門來改變風(fēng)阻進(jìn)而改變通風(fēng)量?，F(xiàn)在假設(shè)由于工程的需求需要將通風(fēng)量由 Q1 減小到 Q2，如果是傳統(tǒng)的方法，保持主通風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速不變，那么其工況點(diǎn)還是在 ① 號曲線上，為了減小通風(fēng)量需要增加其風(fēng)阻，假設(shè)將風(fēng)阻由 R1 增加到 R2，此時主通風(fēng)機(jī)的風(fēng)阻特性曲線變?yōu)?④ 號，恰好風(fēng)量減小到 Q2。根據(jù)計算的結(jié)果可以說明，由變頻調(diào)速來減少通風(fēng)量至一半，可以將通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行功率改變至原來運(yùn)行功率的 倍，節(jié)省 了約 %的電能，隨著改變通風(fēng)量的大小不同，節(jié)能計算量也有所不同，但是總體來講依然具有非?？捎^的節(jié)能效果，經(jīng)濟(jì)效果十分良好。在具有變頻器的主通風(fēng)機(jī)系 統(tǒng)中， 某些情況下 需要 改變變頻工作為工頻工作 ,變頻工作 時 來調(diào)整通風(fēng)量。 ⑸ 備用通風(fēng)機(jī)也應(yīng)該具有變頻與工頻兩種狀態(tài)，并可以通過手動按鈕進(jìn)行切換控制。為了形象的分析 PLC 控制的整個通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)，我們通過控制系統(tǒng)的框圖來說明。本設(shè)計針對一個小型煤礦， 現(xiàn) 年產(chǎn)量 30 萬噸 ,中國礦業(yè)大學(xué) 20xx 屆本科畢業(yè)設(shè)計 第 14 頁 但是年產(chǎn)量還在逐年增加，在選用風(fēng)機(jī)時要考慮到一定的富余量。西門子 S7系列 PLC 中又分為 S7200,S7300,S7400，分別適合低性能，中低性能，高性能運(yùn)算控制系統(tǒng)，本設(shè)計中運(yùn)算簡單，要求運(yùn)算性能較低，考慮到經(jīng)濟(jì)實(shí)用方面，中國礦業(yè)大學(xué) 20xx 屆本科畢業(yè)設(shè)計 第 15 頁 因此選用西門子 S7200。輸入輸出單元即 I/O 單元，用來將 PLC和 外部電氣設(shè)備 之間進(jìn)行連接。將程序執(zhí)行后的狀態(tài)信息存入到元件映象寄存器中。 CPU 226 集成 24 輸入 /16 輸出，和 CPU 224 相比存儲量更加大，常常用于點(diǎn)數(shù)較多，要求較高的控制系統(tǒng)。首先本設(shè)計中的負(fù)載為主通風(fēng)機(jī)，因此對應(yīng)選擇的變頻器也是專門控制風(fēng)機(jī)類的變頻器。對 于這些端子的具體位置可以參照產(chǎn)品的使用手冊中接線圖。首先我們看一下兩種通風(fēng)方式的示意圖，如圖 和圖 所示。 KG3033 適用于煤礦井下測量風(fēng)門內(nèi)外、密閉內(nèi)外和風(fēng)筒內(nèi)外壓力差，以及礦井主扇通風(fēng)壓力等，具有一定的防爆性能。 EM235RA A+ A RB B+ B RC C+C RD D+ DM L+ MO VO IO 增益 偏移量 配置電壓負(fù)載電流負(fù)載圖 EM235 端子與接線圖 其中 RA,A+,A為第一路模擬量輸入的端子 。具體 DIP 開關(guān)表可以去查詢 EM235 的使用手冊，由于前面選擇的負(fù)壓傳感器的量程為 1~5mA，查詢 DIP 開關(guān)設(shè)定表可知，對應(yīng)的 DIP 開關(guān)設(shè)定分別為 ON,OFF,OFF,OFF,OFF,ON。 L1,L2,L3 端子為交流電源端， U,V,W 端子對應(yīng)接電機(jī)的 U,V,W 端。整個礦井主通風(fēng)機(jī)變頻節(jié)能系統(tǒng)設(shè)計 PLC 電氣控制柜原理如圖 所示。 M1 和 M2 分別代表主通風(fēng)機(jī)和備用通風(fēng)機(jī)，因?yàn)槭菍x軸流式通風(fēng)機(jī)，每中國礦業(yè)大學(xué) 20xx 屆本科畢業(yè)設(shè)計 第 22 頁 臺通風(fēng)機(jī)有兩臺電機(jī)，采取并聯(lián)的方式接線，電機(jī)有熱繼電器保護(hù)措施為 FR1和 FR2。 SB2 接入 ,其功能是開啟通風(fēng)機(jī)自動變頻運(yùn)行。 PLC 與變頻器之間的連接依照上面變頻器 I/O 地址分配一一對應(yīng)連接。 具體按鈕功能對照表如表 所示。 KM3 控制通斷的電路是完成主通風(fēng)機(jī)工頻運(yùn)行。煤礦礦井通風(fēng)有時會要求主通風(fēng)機(jī)反轉(zhuǎn)，這時一般是緊急事故：例如礦井發(fā)生火災(zāi)，這時要求礦井主通風(fēng)機(jī)工頻反轉(zhuǎn)。對于不同的運(yùn)行狀態(tài)可以通過不同電燈的運(yùn)行來進(jìn)行表示。 中國礦業(yè)大學(xué) 20xx 屆本科畢業(yè)設(shè)計 第 20 頁 表 PLCI/O 地址分配表 輸 入 信 號 功能名稱 地址編號 輸 出 信 號 功能名稱 地址編號 停止 主風(fēng)機(jī)工頻運(yùn)行 自動變頻運(yùn)行 備用風(fēng)機(jī)工頻運(yùn)行 工頻運(yùn) 行 主風(fēng)機(jī)變頻運(yùn)行 解除變頻器故障 備用風(fēng)機(jī)變頻運(yùn)行 主風(fēng)機(jī)變頻器故障輸入信號 主風(fēng)機(jī)變頻器變頻輸入 備用風(fēng)機(jī)變頻器故障輸入信號 主風(fēng)機(jī)變頻器變頻輸入 開啟備用風(fēng)機(jī)運(yùn)行 備用風(fēng)機(jī)變頻器變頻輸入 負(fù)壓傳感器風(fēng)壓信號 AIW0 備用風(fēng)機(jī)變頻器變頻輸入 變頻器故障報警 PLC 的 I/O 地址分配好以后，還需要對 MM430 變頻器進(jìn)行 I/O 地址分配。上圖中標(biāo)明了電壓負(fù)載和電流負(fù)載的接法，本設(shè)計中需用到的是電 壓型負(fù)載。200～ 1000Hz 工作參數(shù) 工作電壓： 12～ 工作電流： 80mA 在后面的程序編寫過程中會利用到上面的測量范圍和輸出信號參數(shù)值，因此在這里插入此表。本論文設(shè)計中礦井通風(fēng)采取的是 抽出式通風(fēng)，因此其任意風(fēng)流點(diǎn)的相對全壓為負(fù)值。簡單的舉一個例子，通過 SDP 來進(jìn)行電機(jī)的啟停調(diào)試，MM430 的數(shù)字輸入端子 5，可以啟停電機(jī)控制，通過查找使用手冊參數(shù)設(shè)置表，當(dāng)參數(shù)設(shè)置值 P0701=1 時，電機(jī)狀態(tài)為 ON，正向運(yùn)行。西門子 MICRO MASTER品牌在中國市場中銷售較多，其系列下面的 MM430 變頻器是專用于風(fēng)機(jī)和水泵類負(fù)載，功率范圍為 ~250KW，剛好滿足設(shè)計需求也符合我們選型的依據(jù)。 14 個數(shù)字?jǐn)?shù)字輸入點(diǎn)， ~,~,可以接入開關(guān)。 S7200 的發(fā)展大體經(jīng)歷了兩代產(chǎn)品，第一代產(chǎn)品 CPU 模塊為 CPU 21X，下面有 CPU 212,CPU 214,CPU 215,CPU 216。 ⑵ S7200 的工作原理 S7200PLC 是按照集中輸入集中輸出，周期性循環(huán)掃描工作的。存儲器用來存放系統(tǒng)程序和用戶編寫程序及其工作中的數(shù)據(jù)。 扭轉(zhuǎn)了我國礦山主扇運(yùn)行效率低的狀況，可節(jié)約大量電能，符合本設(shè)計突出的節(jié)能要求。傳感器與PLC 之間傳遞的是模擬量信號，需要經(jīng)過 PLC 自身的 A/D 模塊來進(jìn)行處理；而PLC 與變頻 器之間的控制方式是采用的模擬量控制，需要經(jīng)過 D/A 模塊處理，變頻器根據(jù) PLC 輸入給其的模擬量電壓輸出相應(yīng)頻率從而改變風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。直接對通風(fēng)量進(jìn)行實(shí)時檢測在工程上已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)，但是本論文設(shè)計中是利用測量風(fēng)壓間接測量通風(fēng)量的方法，因此我們需要一種檢測裝置 壓力傳感器來間接檢測通風(fēng)量（具體算法會在后面的內(nèi)容中涉及）。 ⑵ 主通風(fēng)機(jī)可以在工頻條件下工作，也可以經(jīng)