【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，它按照邏輯條件進行順序動作，并按照邏輯關(guān)系進行連鎖保護動作的控制，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)和計算機技術(shù)的發(fā)生，PC 的功能越來越強大，其概念和內(nèi)涵也不斷擴展?！　。?）上世紀 80 年代，個人計算機發(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，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。現(xiàn)在，仍常常將 PLC 簡稱 PC。　?。?）上世紀 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)字運算能力、人機接口能力和網(wǎng)絡(luò)能力得到大幅度提高，PLC 逐漸進入過程控制領(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 點數(shù)是14 /10。擴展了 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 的標準信號，再經(jīng)過 EM231 模塊自動完成 A /D 轉(zhuǎn)換；同時擴展了 1 個 EM222 數(shù)字量輸出模塊，它有 8 個數(shù)字量的輸出點，作用是提供附加的輸出點，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)、停機按鈕、消音按鈕及 2 個在手動控制下控制通風(fēng)機運行的按鈕開關(guān)，4 個開關(guān)量傳感器為拖動通風(fēng)機的吸風(fēng)電機和增風(fēng)速電機發(fā)生堵轉(zhuǎn)故障時熱繼電器的控制開關(guān)，其中擴充了 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)舛刃盘柕摹１? 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 1 電機狀態(tài) I1 故障顯示 Q2 A 風(fēng)機 2 電機狀態(tài) I2 中高氣壓顯示 Q 基于 PLC 的礦井通風(fēng)機變頻控制系統(tǒng)設(shè)計 123 B 風(fēng)機 1 電機狀態(tài) I3 低氣壓顯示 Q4 B 風(fēng)機 2 電機狀態(tài) I4報警 Q5 A 風(fēng)機控制開關(guān) I5 繼電器 KM1 Q6 B 風(fēng)機控制開關(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 1 電機運行顯示 Q10 停止按鈕 I10 A 風(fēng)機 2 電機運行顯示 Q11 氣壓信號 I11 B 風(fēng)機 1 電機顯示 Q12 瓦斯信號 I12 B 風(fēng)機 2 電機顯示 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電源進行技術(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———異步電動機的轉(zhuǎn)速；f———異步電動機的頻率；s———電動機轉(zhuǎn)差率；p———電動機極對數(shù)。 由式(1)可知，轉(zhuǎn)速 n 與頻率 f 成正比，只要改變頻率 f 即可改變電動機的轉(zhuǎn)速，當頻率 f 在 0～50Hz 的范圍內(nèi)變化時，電動機轉(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電源頻率實現(xiàn)速度調(diào)節(jié)的。　　變頻器主要采用交—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。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準變頻器 MicroMaster440 功能強大，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，同時具備超強的過載能力，以滿足廣泛的應(yīng)用場合。在電機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)大于或等于電機的額定電流。但在連續(xù)的變動負載或斷續(xù)負載中，因電動機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運行過程中的最大電流。電動機的型號確定后，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)，控制軟起動器的運行狀態(tài)，從而達到控制和監(jiān)視設(shè)備運行狀態(tài)的目的。系統(tǒng)采用總線式拓撲結(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)進行設(shè)置，如表 所示。 基于 PLC 的礦井通風(fēng)機變頻控制系統(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 電動機運行最大頻率P16 50 電動機運行基本頻率P18 2 多段速率加速連動運行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)機我國礦井使用的離心式通風(fēng)機主要就是 G4 —73 系列離心式通風(fēng)機，G4 —73 系列離心式通風(fēng)機最初是為鍋爐通風(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)機的特點是特性曲線較平緩、無駝峰、運行噪聲較 基于 PLC 的礦井通風(fēng)機變頻控制系統(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。運行時調(diào)節(jié)門可在 0176。～70176。范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，用以改變運行工況，還可通過配置不同轉(zhuǎn)速的電動機來改變其運行工況,適應(yīng)性較好。G4 —73 系列通風(fēng)機的特性曲線較平緩，運行噪聲較小，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)機較多，由于機型小，配置電動機的容量也小,可配用 380V 或660V 電壓的電動機，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)機的調(diào)節(jié)性能差。離心風(fēng)機的作用：離心風(fēng)機是依靠輸入的機械能，提高氣體壓力并排送氣體的機械，它是一種從動的流體機械。 離心風(fēng)機廣泛用于工廠、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等。 離心風(fēng)機的工作原理與透平壓縮機基本相同，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)機可制成右旋和左旋兩種型式。從電動機一側(cè)正視，葉輪順時針旋轉(zhuǎn)，稱為右旋轉(zhuǎn)風(fēng)機，逆時針旋轉(zhuǎn)，稱為左旋。一般的高壓離心風(fēng)機，其主要的動力設(shè)備是電動機，此外還包括用來控制風(fēng)機風(fēng)閥位置的電動或手動執(zhí)行器、風(fēng)機閥門限位開關(guān)等部件。風(fēng)機動力設(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：由于電機的容量大，就存在啟動時間長、啟動電流大、運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)機時減少啟動負荷、通過星—三角降壓啟動來降低啟動電流、進行安全互鎖控制等措施。離心通風(fēng)機工作時，動力機(主要是電動機)驅(qū)動葉輪在蝸形機殼內(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)機的用途：一般用于高壓強制通風(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