【文章內(nèi)容簡介】 10常用的 I/O 分類如下：開關(guān)量：按電壓水平分，有 220VAC、110VAC、24VDC，按隔離方式分，有繼電器隔離和晶體管隔離。模擬量：按信號類型分，有電流型（420mA,020mA） 、電壓型（010V,05V,1010V）等，按精度分，有 12bit，14bit，16bit 等。除了上述通用 I/O 外，還有特殊 I/O 模塊，如熱電阻、熱電偶、脈沖等模塊。按 I/O 點(diǎn)數(shù)確定模塊規(guī)格及數(shù)量，I/O 模塊可多可少。但其最大數(shù)受 CPU 所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或機(jī)架槽數(shù)限制。（3）電源模塊：PLC 電源用于為 PLC 各模塊的集成電路提供工作電源。同時，有的還為輸入電路提供 24V 的工作電源。電源輸入類型有：交流電源（220VAC 或110VAC） ，直流電源（常用的為 24VDC） 。 PLC 的應(yīng)用（1）在制造工業(yè)（以改變幾何形狀和機(jī)械性能為特征）和過程工業(yè)（以物理變化和化學(xué)變化將原料轉(zhuǎn)化成產(chǎn)品為特征）中，大量的開關(guān)量順序控制，它按照邏輯條件進(jìn)行順序動作，并按照邏輯關(guān)系進(jìn)行連鎖保護(hù)動作的控制，及大量離散量的數(shù)據(jù)采集。傳統(tǒng)上，這些功能是通過氣動或電氣控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的。1968 年美國 GM（通用汽車）公司提出取代繼電氣控制裝置的要求，第二年，美國數(shù)字公司研制出了基于集成電路和電子技術(shù)的控制裝置，使得電氣控制功能實(shí)現(xiàn)的程序化，這就是第一代可編程序控制器，英文名字叫 Programmable Controller（PC） ?！　。?）隨著電子技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的發(fā)生，PC 的功能越來越強(qiáng)大，其概念和內(nèi)涵也不斷擴(kuò)展?！　。?）上世紀(jì) 80 年代，個人計算機(jī)發(fā)展起來，也簡稱為 PC，為了方便，也為了反映或可編程控制器的功能特點(diǎn)，美國 AB 公司將可編程序控制器定名為可編程序邏輯控制器 Programmable Logic Controller（PLC） ，并將“PLC”作為其產(chǎn)品的注冊商標(biāo)。現(xiàn)在，仍常常將 PLC 簡稱 PC?！　。?）上世紀(jì) 80 年代至 90 年代中期，是 PLC 發(fā)展最快的時期，年增長率一直保持為 30～40%。在這時期，PLC 在處理模擬量能力、數(shù)字運(yùn)算能力、人機(jī)接口能力和網(wǎng)絡(luò)能力得到大幅度提高，PLC 逐漸進(jìn)入過程控制領(lǐng)域，在某些應(yīng)用上取代了在過程控制領(lǐng)域處于統(tǒng)治地位的 DCS 系統(tǒng)?！　。?）近年，工業(yè)計算機(jī)技術(shù)（IPC）和現(xiàn)場總線技術(shù)（FCS）發(fā)展迅速，擠占了一部分 PLC 市場，PLC 增長速度出現(xiàn)漸緩的趨勢，但其在工業(yè)自動化控制特別是順序控制中的地位，在可預(yù)見的將來，是無法取代的?！　。?）目前，世界上有 200 多廠家生產(chǎn) 300 多品種 PLC 產(chǎn)品，主要應(yīng)用在汽車（23%） 、糧食加工（%） 、化學(xué)/制藥（%） 、金屬/礦山（%） 、紙漿/造紙（%）等行業(yè)。 典型的 PLC 產(chǎn)品 基于 PLC 的礦井通風(fēng)機(jī)變頻控制系統(tǒng)設(shè)計 11（1）國外施耐德公司， Quantum、Premium、Momentum 等；羅克韋爾（AB 公司） ，SLC、MicroLogix、Control Logix 等；西門子公司， SIMATIC S7400/300/200 系列；GE 公司日本歐姆龍、三菱、富士、松下等。（2）國內(nèi)　　PLC 生產(chǎn)廠約 30 家，但沒有形成頗具規(guī)模的生產(chǎn)能力和名牌產(chǎn)品，還有一部分是以仿制、來件組裝或“ 貼牌 ”方式生產(chǎn)。考慮到性能和穩(wěn)定性，硬件采用西門子公司的 S7300 系列 PLC，同時采用光電隔離、接地、變壓器隔離等硬件抗干擾措施和數(shù)字濾波等軟件抗干擾措施，系統(tǒng)可靠性高，穩(wěn)定性好。 PLC 外部 I/O 連接根據(jù)系統(tǒng)的要求，選取 S72200 PLC CPU224 作為控制核心，CPU224 的 I/O 點(diǎn)數(shù)是14 /10。擴(kuò)展了 1 個 EM 231 模擬量輸入模塊，它是 A /D 轉(zhuǎn)換模塊，具有 4 個模擬量輸入，12 位 A /D，其采樣速度 25μs，空氣壓力傳感器、瓦斯?jié)舛葌鞲衅鞑杉男盘柦?jīng)過變送器調(diào)理和放大處理后，成為 0 ～5 V 的標(biāo)準(zhǔn)信號，再經(jīng)過 EM231 模塊自動完成 A /D 轉(zhuǎn)換；同時擴(kuò)展了 1 個 EM222 數(shù)字量輸出模塊，它有 8 個數(shù)字量的輸出點(diǎn)，作用是提供附加的輸出點(diǎn)，這樣完全可以滿足系統(tǒng)的要求。煤礦礦井通風(fēng)控制系統(tǒng)的設(shè)計主要涉及 10 個數(shù)字量輸入和 2 個模擬量輸入，15 個數(shù)字量輸出。設(shè)置 6 個操作鍵、4 個開關(guān)量傳感器和 2 個模擬量。傳感器作輸入信號，如表 1 所示。這 6 個操作鍵分別是自動方式開關(guān)、手動方式開關(guān)、停機(jī)按鈕、消音按鈕及 2 個在手動控制下控制通風(fēng)機(jī)運(yùn)行的按鈕開關(guān)，4 個開關(guān)量傳感器為拖動通風(fēng)機(jī)的吸風(fēng)電機(jī)和增風(fēng)速電機(jī)發(fā)生堵轉(zhuǎn)故障時熱繼電器的控制開關(guān)，其中擴(kuò)充了 1 個 EM231 的模擬量輸入模塊，主要是用于轉(zhuǎn)換氣壓信號和瓦斯?jié)舛刃盘柕?。? PLC I/O 接口分配表輸入 輸出序 號 名稱 地址 序號 名稱 地址1 A 風(fēng)機(jī) 1 電機(jī)狀態(tài) I1 故障顯示 Q2 A 風(fēng)機(jī) 2 電機(jī)狀態(tài) I2 中高氣壓顯示 Q 基于 PLC 的礦井通風(fēng)機(jī)變頻控制系統(tǒng)設(shè)計 123 B 風(fēng)機(jī) 1 電機(jī)狀態(tài) I3 低氣壓顯示 Q4 B 風(fēng)機(jī) 2 電機(jī)狀態(tài) I4報警 Q5 A 風(fēng)機(jī)控制開關(guān) I5 繼電器 KM1 Q6 B 風(fēng)機(jī)控制開關(guān) I6 繼電器 KM2 Q7 消音開關(guān) I7 繼電器 KM3 Q8 自動開關(guān) I8 繼電器 KM4 Q9 手動開關(guān) I9 A 風(fēng)機(jī) 1 電機(jī)運(yùn)行顯示 Q10 停止按鈕 I10 A 風(fēng)機(jī) 2 電機(jī)運(yùn)行顯示 Q11 氣壓信號 I11 B 風(fēng)機(jī) 1 電機(jī)顯示 Q12 瓦斯信號 I12 B 風(fēng)機(jī) 2 電機(jī)顯示 Q13 手動狀態(tài)顯示 Q14 自動狀態(tài)顯示 Q15 瓦斯?jié)舛戎?Q 基于 PLC 的礦井通風(fēng)機(jī)變頻控制系統(tǒng)設(shè)計 13 I/O 接線圖 基于 PLC 的礦井通風(fēng)機(jī)變頻控制系統(tǒng)設(shè)計 14圖 I/O 接線圖 變頻器異步電動機(jī)是電力、化工等生產(chǎn)企業(yè)最主要的動力設(shè)備。作為高能耗設(shè)備，其輸出功率不能隨負(fù)荷按比例變化，大部分只能通過擋板或閥門的開度來調(diào)節(jié)，而電動機(jī)消耗的能量變化不大，從而造成很大的能量損耗。近年來，隨著變頻器生產(chǎn)技術(shù)的成熟以及變頻器應(yīng)用范圍的日益廣泛，使用變頻器對電動機(jī)電源進(jìn)行技術(shù)改造成為各企業(yè)節(jié)能降耗、提高效率的重要手段。 基于 PLC 的礦井通風(fēng)機(jī)變頻控制系統(tǒng)設(shè)計 15n＝60 f(1－s)/p (1)式中 n———異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速；f———異步電動機(jī)的頻率；s———電動機(jī)轉(zhuǎn)差率；p———電動機(jī)極對數(shù)。 由式(1)可知，轉(zhuǎn)速 n 與頻率 f 成正比，只要改變頻率 f 即可改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，當(dāng)頻率 f 在 0～50Hz 的范圍內(nèi)變化時，電動機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍非常寬。變頻調(diào)速就是通過改變電動機(jī)電源頻率實(shí)現(xiàn)速度調(diào)節(jié)的?！　∽冾l器主要采用交—直—交方式，先把工頻交流電源通過整流器轉(zhuǎn)換成直流電源，然后再把直流電源轉(zhuǎn)換成頻率、電壓均可控制的交流電源以供給電動機(jī)。變頻器的電路一般由整流、中間直流環(huán)節(jié)、逆變和控制 4 個部分組成。整流部分為三相橋式不可控整流器，逆變部分為 IGBT 三相橋式逆變器，且輸出為 PWM 波形，中間直流環(huán)節(jié)為濾波、直流儲能和緩沖無功功率。 變頻器的選型和容量的確定本系統(tǒng)選用的是西門子全新一代標(biāo)準(zhǔn)變頻器 MicroMaster440 功能強(qiáng)大，應(yīng)用廣泛。它采用高性能的矢量控制技術(shù)，提供低速高轉(zhuǎn)矩輸出和良好的動態(tài)特性，同時具備超強(qiáng)的過載能力，以滿足廣泛的應(yīng)用場合。在電機(jī)的容量確定并選定其型號后，接下來就要確定變頻器的容量。確定變頻器容量的主要依據(jù)是輸出電流，其原則為：變頻器的輸出額定電流應(yīng)大于或等于電機(jī)的額定電流。但在連續(xù)的變動負(fù)載或斷續(xù)負(fù)載中，因電動機(jī)允許有短時間的過載，而且這種過載的時間經(jīng)常超過變頻器一般允許的一分鐘。故應(yīng)考慮選擇變頻器的額定電流大于或等于電動機(jī)運(yùn)行過程中的最大電流。電動機(jī)的型號確定后，其額定電流可以從制造商提供的樣本中查到?；蛘?，也可從電機(jī)的輸出功率由下式計算 ??cos3UIP? (2) 式中，P 為額定輸出功率（KW） ；U 為額定電壓（KV） ；I 為額定電流（A） ；η 為電機(jī)效率；s為功率因數(shù)。S7200PLC 作為核心控制部件，它有總線訪問權(quán)，可以讀取或改寫變頻器的狀態(tài)，控制軟起動器的運(yùn)行狀態(tài)，從而達(dá)到控制和監(jiān)視設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的目的。系統(tǒng)采用總線式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，兩臺變頻器采用總線接插件連入總線。S7200 選用 S7222CPU，軟件采用通信口功能，即 RS485 通信口。由用戶程序?qū)崿F(xiàn) USS 協(xié)議與兩臺 MM430 變頻器通信。在硬件連接完畢后，需要對兩臺 MM430 變頻器的通信參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，如表 所示。 基于 PLC 的礦井通風(fēng)機(jī)變頻控制系統(tǒng)設(shè)計 16表 變頻器參數(shù)的設(shè)定參數(shù)號 參數(shù)值 說明Fr 13 固定頻率 1P01 10 第一加速時間設(shè)定P02 10 第一減速時間設(shè)定P03 FF 頻率范圍(v/f 方式)P05 20 DC 提升水平P08 1 變頻器起停正反轉(zhuǎn)控制方式P15 200 電動機(jī)運(yùn)行最大頻率P16 50 電動機(jī)運(yùn)行基本頻率P18 2 多段速率加速連動運(yùn)行P32 170 固定頻率 2P33 10 固定頻率 3P34 23 固定頻率 4P35 130 固定頻率 5P39 5 第二加速時間設(shè)定P40 5 第二減速時間設(shè)定 離心風(fēng)機(jī)我國礦井使用的離心式通風(fēng)機(jī)主要就是 G4 —73 系列離心式通風(fēng)機(jī)，G4 —73 系列離心式通風(fēng)機(jī)最初是為鍋爐通風(fēng)(引風(fēng)) 設(shè)計的，后來被引用到礦井通風(fēng)中并擁有一定的市場占有量。該系列離心式通風(fēng)機(jī)的特點(diǎn)是特性曲線較平緩、無駝峰、運(yùn)行噪聲較 基于 PLC 的礦井通風(fēng)機(jī)變頻控制系統(tǒng)設(shè)計 17小、效率高。啟動時關(guān)閉調(diào)節(jié)門(也叫前導(dǎo)器)，具有啟動功率較小，啟動容易的特點(diǎn)。運(yùn)行時調(diào)節(jié)門可在 0176?！?0176。范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，用以改變運(yùn)行工況，還可通過配置不同轉(zhuǎn)速的電動機(jī)來改變其運(yùn)行工況,適應(yīng)性較好。G4 —73 系列通風(fēng)機(jī)的特性曲線較平緩，運(yùn)行噪聲較小，效率高，適用于通風(fēng)阻力不是太大的中小型礦井。我國地方煤礦的礦井中使用該系列通風(fēng)機(jī)較多，由于機(jī)型小，配置電動機(jī)的容量也小,可配用 380V 或660V 電壓的電動機(jī)，特別適用于無高壓(6000V)供電的礦井使用。但對初、后期風(fēng)壓變化大的礦井，離心通風(fēng)機(jī)的調(diào)節(jié)性能差。離心風(fēng)機(jī)的作用：離心風(fēng)機(jī)是依靠輸入的機(jī)械能，提高氣體壓力并排送氣體的機(jī)械，它是一種從動的流體機(jī)械。 離心風(fēng)機(jī)廣泛用于工廠、礦井、隧道、冷卻塔、車輛、船舶和建筑物的通風(fēng)、排塵和冷卻；鍋爐和工業(yè)爐窯的通風(fēng)和引風(fēng)；空氣調(diào)節(jié)設(shè)備和家用電器設(shè)備中的冷卻和通風(fēng)；谷物的烘干和選送；風(fēng)洞風(fēng)源和氣墊船的充氣和推進(jìn)等。 離心風(fēng)機(jī)的工作原理與透平壓縮機(jī)基本相同，只是由于氣體流速較低，壓力變化不大，一般不需要考慮氣體比容的變化，即把氣體作為不可壓縮流體處理。離心風(fēng)機(jī)可制成右旋和左旋兩種型式。從電動機(jī)一側(cè)正視，葉輪順時針旋轉(zhuǎn)，稱為右旋轉(zhuǎn)風(fēng)機(jī)，逆時針旋轉(zhuǎn)，稱為左旋。一般的高壓離心風(fēng)機(jī)，其主要的動力設(shè)備是電動機(jī)，此外還包括用來控制風(fēng)機(jī)風(fēng)閥位置的電動或手動執(zhí)行器、風(fēng)機(jī)閥門限位開關(guān)等部件。風(fēng)機(jī)動力設(shè)備的傳統(tǒng)控制方法是通過手動或繼電器控制，存在可靠性和靈活性較差的問題，比如：由于電機(jī)的容量大，就存在啟動時間長、啟動電流大、運(yùn)行安全可靠性差等問題，為了解決這些問題，需要采取在啟動離心風(fēng)機(jī)時減少啟動負(fù)荷、通過星—三角降壓啟動來降低啟動電流、進(jìn)行安全互鎖控制等措施。離心通風(fēng)機(jī)工作時，動力機(jī)(主要是電動機(jī))驅(qū)動葉輪在蝸形機(jī)殼內(nèi)旋轉(zhuǎn)，空氣經(jīng)吸氣口從葉輪中心處吸入。由于葉片對氣體的動力作用，氣體壓力和速度得以提高，并在離心力作用下沿著葉道甩向機(jī)殼，從排氣口排出。因氣體在葉輪內(nèi)的流動主要是在徑向平面內(nèi)。風(fēng)機(jī)的用途：一般用于高壓強(qiáng)制通風(fēng)，如冶煉、送料、礦井、隧道、地下室、鐵路等，亦可輸送空氣及其它無腐蝕性、不含粘性