【文章內(nèi)容簡介】 等。其性能指標(biāo)如下：連續(xù)監(jiān)測風(fēng)機(jī)工作時(shí)的軸承溫度和電機(jī)的軸承溫度，也是風(fēng)機(jī)工況監(jiān)測的一項(xiàng)重要任務(wù)。溫度參數(shù)檢測時(shí)，主要由溫度檢測元件和變送器、電壓調(diào)理電路構(gòu)成的檢測電路與PLC進(jìn)行通信，將溫度參數(shù)上傳至工控機(jī)。常用的溫度檢測傳感器有熱電阻式熱電傳感器、熱電偶式傳感器和熱敏電阻傳感器等。熱敏電阻傳感器雖然價(jià)格低廉，但由于它們的阻值對(duì)溫度的變化是非線性的，故熱敏電阻通常所用的溫度范圍較狹窄。熱電偶式傳感器在中溫或高溫外露條件使用時(shí)的穩(wěn)定性不如熱電阻式傳感器。對(duì)于控制條件下校驗(yàn)熱電偶性能，其可移動(dòng)性或測試行較差。熱電偶外露線必須使用溝環(huán)才能與熱電偶儀器或控制設(shè)備相連。當(dāng)周圍溫度變化時(shí)，所使用的儀器導(dǎo)線(鍍銅)將會(huì)帶來測量誤差。因此，結(jié)合本系統(tǒng)的監(jiān)測要求，選擇熱電阻式熱電傳感器檢測風(fēng)機(jī)溫度。在目前廣泛使用的熱電阻中，鉑電阻的化學(xué)穩(wěn)定性好，耐溫高，易提純，因而通常采用鉑電阻作為一般溫度計(jì)量儀器的溫標(biāo)基準(zhǔn)。按照不同測點(diǎn)對(duì)溫度測量范圍的要求，本系統(tǒng)選擇日本林電的PT100鉑電阻，具體型號(hào)選擇如下：測點(diǎn)型號(hào)測量范圍風(fēng)機(jī)主軸承溫度STTSAIT0~150℃電機(jī)軸承溫度STTSAIT350~200℃電機(jī)三相繞組溫度STTSAIT350~200℃另外，在檢測溫度參數(shù)時(shí)，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(hào)或05V的電壓信號(hào)，以便于傳送給PLC的模擬量模塊。本系統(tǒng)考慮到現(xiàn)場安裝的需要，選擇性能/價(jià)格比較高的日本林電的STWB系列溫度變送器模塊，其技術(shù)參數(shù)如下：輸入信號(hào)：Pt100、Pt1000、Cu50、K、E、S供電電壓：24V負(fù)載電阻：0～500Ω輸出信號(hào)：DC4～20mA電壓誤差：%／V精度：%，%，%工作環(huán)境：溫度：20℃～80℃；濕度：95%RH監(jiān)控系統(tǒng)的輸入開關(guān)量主要包括一些開關(guān)、繼電器的動(dòng)作信號(hào)，如：泵站電機(jī)運(yùn)行、主電機(jī)正反向合閘反饋、制動(dòng)器限位開關(guān)、風(fēng)門的打開和關(guān)閉、風(fēng)門過力矩、葉片執(zhí)行器自動(dòng)以及測振器報(bào)警等。監(jiān)控系統(tǒng)的輸出開關(guān)量主要包括：泵站電機(jī)控制、風(fēng)門打開和關(guān)閉控制、主電機(jī)正反向合閘、主電機(jī)正反向分閘、主電機(jī)正反向跳閘、制動(dòng)器控制以及聲光報(bào)警等。在PLC控制系統(tǒng)中，輸入輸出開關(guān)量可通過開關(guān)量輸入輸出模塊與PLC連接，由于本系統(tǒng)涉及的開關(guān)量較多，在此不進(jìn)行討論。 變頻調(diào)速近幾年來，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。通風(fēng)機(jī)在煤礦上的使用占有很大的份量，是煤礦生產(chǎn)中最大的耗電設(shè)備，采用傳統(tǒng)的方法調(diào)節(jié)風(fēng)量，風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率低，流失大量電能，因此變頻器在礦井通風(fēng)機(jī)上的應(yīng)用很有必要。一般地來講，將變頻器應(yīng)用在礦井通風(fēng)機(jī)上，具有以下的功能和優(yōu)點(diǎn)：(l)可以實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的無級(jí)平滑調(diào)速，及時(shí)滿足礦井生產(chǎn)的風(fēng)量需求，提高風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效率，節(jié)省大量的電能損耗。(2)限制風(fēng)機(jī)的啟動(dòng)電流，減少啟動(dòng)時(shí)的峰值功率損耗，消除電機(jī)起動(dòng)和停止時(shí)，對(duì)機(jī)械和電氣元件的沖擊，延長其使用壽命。(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。(4)變頻器自身的保護(hù)功能齊全，有欠電壓保護(hù)、過電壓保護(hù)、過電流保護(hù)、短路保護(hù)、風(fēng)機(jī)軸承過熱保護(hù)等，使風(fēng)機(jī)安全運(yùn)行的可靠性得到大大提高。交流異步電機(jī)以其體積小、重量輕、價(jià)格低廉、運(yùn)行性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，在機(jī)械的電力傳動(dòng)中應(yīng)用最為普遍。但是交流電機(jī)不象直流電機(jī)那樣，可以很方便地進(jìn)行調(diào)速，它的調(diào)速問題一直比較困難。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。目前，使用最廣泛，效果最好的還是變頻調(diào)速，變頻調(diào)速技術(shù)的迅速發(fā)展，使交流電機(jī)調(diào)速困難的問題得以解決。由電動(dòng)機(jī)的拖動(dòng)原理，可知交流異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速表達(dá)式為: (21)由上式(21)、(22)和(23)可以看出，如果改變輸入到異步電機(jī)定子繞組的電源頻率，就可以改變異步電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n由電機(jī)學(xué)知識(shí)可知，交流異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n總是小于同步轉(zhuǎn)速，而且它是隨著同步轉(zhuǎn)速的變化而變化的。當(dāng)電源頻率增加時(shí)，同步轉(zhuǎn)速增加，交流異步電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速n也增加。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。這種通過改變電源頻率來改變交流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)速方式稱為變頻調(diào)速。在變頻調(diào)速技術(shù)中，使用變頻器向電動(dòng)機(jī)提供頻率可變的電源，去改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。閥門調(diào)節(jié)與變頻調(diào)速的節(jié)能比較：圖4為一礦井通風(fēng)機(jī)的壓力－流量(H－Q)特性曲線圖，其中曲線a、b為管網(wǎng)阻力的特性曲線()，曲線2為風(fēng)機(jī)在轉(zhuǎn)速為和時(shí)壓力－流量特性曲線()，交點(diǎn)A、B、C為礦井通風(fēng)機(jī)的工況點(diǎn)。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)。假設(shè)風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)工作在A點(diǎn)效率最高，輸出風(fēng)量為100%，對(duì)應(yīng)的軸功率從與風(fēng)量和風(fēng)壓的乘積面積A成正比。如果生產(chǎn)要求風(fēng)量從減少到時(shí)，若采用關(guān)小風(fēng)機(jī)管路閥門的方法調(diào)節(jié)，相當(dāng)于增加管網(wǎng)阻力，使管網(wǎng)阻力特性曲線變化到b，系統(tǒng)工況點(diǎn)也由A點(diǎn)變到B點(diǎn)。從圖中可以看出，風(fēng)量雖然減小了，風(fēng)壓反而增加了，代表軸功率的面積B比調(diào)節(jié)前減少不多。 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€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。當(dāng)通風(fēng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，風(fēng)機(jī)的風(fēng)量、風(fēng)壓、功率與轉(zhuǎn)速有以下比例關(guān)系：===式中： 、—通風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)前后的轉(zhuǎn)速，r/min； 、—通風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)前后的風(fēng)壓，Pa； 、—通風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)前后的功率，W。由以上的比例關(guān)系，可以看出風(fēng)機(jī)的風(fēng)量與轉(zhuǎn)速成正比，風(fēng)壓與轉(zhuǎn)速的平方成正比，功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比。如果通風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速降低為原來的50%，則風(fēng)量也變?yōu)樵瓉淼?0%，%，這說明通過改變通風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速的方式，可以改變通風(fēng)機(jī)的功率輸入，可以節(jié)省大量的電能。根據(jù)上述變頻調(diào)速的原理，礦井通風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。的改變，可以通過改變通風(fēng)機(jī)輸入電源的頻率f1來改變，這一過程可以通過變頻器來完成。變頻器按結(jié)構(gòu)來分，分為交一交變頻器和交一直一交變頻器兩種。交一交變頻器可將工頻交流電直接轉(zhuǎn)變成頻率和電壓均可控制的交流電，又稱為直接變頻器。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。目前，使用最多的通用變頻器多是交一直一交變頻器，它由主電路，包括整流器、中間直流環(huán)節(jié)、逆變器和控制電路組成，其基本結(jié)構(gòu)如下圖所示圖5 變頻器基本結(jié)構(gòu)圖(1)整流器整流器即是網(wǎng)側(cè)變流器，它的作用是把三相或單相交流電整流成直流電。整流電路有可控整流電路和不可控整流電路兩種(2)逆變器逆變器即是負(fù)載側(cè)的變流器，它的主要作用在控制電路的控制下將直流電轉(zhuǎn)變成頻率、電壓調(diào)節(jié)后的交流電，輸出給外部設(shè)備。六個(gè)半導(dǎo)體主少干關(guān)器件組成的橋式電路是常見的逆變電路，通過控制電路控制開關(guān)器件的通、斷，可以得到所需頻率的交流電輸出。(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。這種無功能量需要中間直流環(huán)節(jié)中的電容器或電抗器來進(jìn)行緩沖(4)控制電路控制電路是變頻器的核心，它通常由運(yùn)算電路、檢測電路、門極驅(qū)動(dòng)電路、外部接口電路和保護(hù)電路等組成，其作用主要是完成對(duì)逆變器的開關(guān)控制和頻率控制、對(duì)整流器的電壓控制以及完成各種保護(hù)功能等 PLC控制變頻器的方式在許多工程應(yīng)用中，為了提高控制系統(tǒng)的自動(dòng)化水平，需要把PLC和變頻器結(jié)合起來使用，對(duì)異步電機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速控制?？偟膩碚f，PLC控制變頻器的方式主要有以下三種方式：(1)頻率輸出控制端子的邏輯組合方式大多數(shù)變頻器都有幾個(gè)不同的頻率輸出控制端子，我們可以通過變頻器參數(shù)的設(shè)定，設(shè)置控制端子不同的頻率輸出。通過對(duì)變頻器控制端子邏輯輸入口的邏輯組合，可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的啟?？刂坪洼敵鲱l率的改變網(wǎng)。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。由于變頻器控制端子的輸出頻率是預(yù)先設(shè)定的，它的輸出頻率也只是一些固定的數(shù)值，不能實(shí)現(xiàn)異步電機(jī)的無級(jí)平滑調(diào)速。因此，這種控制方式只適合不需要電機(jī)連續(xù)調(diào)速就能滿足生產(chǎn)要求的場合。(2)通訊的方式目前一般的變頻器都帶有RS485接口，大多數(shù)的PLC也都支持RS485的通訊。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。在這種控制方式中，要占用PLC的一個(gè)通訊接口，如果PLC的通訊接口為RS232接口，加一個(gè)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成RS485接口就可以了。如PLC通過通訊的方式來監(jiān)控變頻器，可以傳送大量的信息，連續(xù)地監(jiān)控多臺(tái)變頻器，還可以通過通訊修改變頻器的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)多臺(tái)變頻器的聯(lián)動(dòng)控制和同步控制。由于變頻器的種類很多，不同廠家生產(chǎn)的變頻器使用不同的通信協(xié)議，有Modbus從站協(xié)議、USS協(xié)議和用戶自定義協(xié)議等，必須用變頻器支持的協(xié)議來完成PLC和變頻器的通訊。(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。它要求PLC和變頻器的控制距離不是很遠(yuǎn)，且是一對(duì)一的控制場合，但這種控制方式使用起來比較簡單，對(duì)PLC的要求也不是很高。由于本控制系統(tǒng)中采用的是兩臺(tái)變頻器控制對(duì)旋軸流風(fēng)機(jī)兩臺(tái)電機(jī)的方案，是一對(duì)一控制，為說明問題，本系統(tǒng)采用PLC控制變頻器的模擬量控制方式。3 通信網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn) 風(fēng)機(jī)自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)共分三層：設(shè)備層，控制層，監(jiān)控層設(shè)備層即現(xiàn)場測量層主要實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)變量參數(shù)的測量和風(fēng)機(jī)的控制，由各種傳感器，電量監(jiān)測設(shè)備，變頻器等組成，完成對(duì)設(shè)備運(yùn)行的自動(dòng)控制和監(jiān)控設(shè)備本身的運(yùn)行工況參數(shù)的采集。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)場總線實(shí)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。通過以太網(wǎng)交換機(jī)與上層監(jiān)控管理層的工控機(jī)聯(lián)網(wǎng)，向工控機(jī)傳送風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)(運(yùn)行、停止、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)等)，同時(shí)接收工控機(jī)的控制命令，采集風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的工況參數(shù)(如風(fēng)壓、風(fēng)量、風(fēng)機(jī)軸承溫度、電機(jī)定子繞組溫度、電壓、電流、功率因數(shù)、功率和開關(guān)狀態(tài)等)，其采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過轉(zhuǎn)換后遠(yuǎn)傳給上層監(jiān)控管理層的工控機(jī)。遠(yuǎn)程監(jiān)控管理層直接接入礦調(diào)度室，由上位工控機(jī)、打印機(jī)、不間斷電源等設(shè)備組成，提供集中監(jiān)控管理功能，可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)控風(fēng)機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行工況、故障報(bào)警與分析、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、報(bào)表生成打印、歷史數(shù)據(jù)記錄管理等操作。圖6 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)隨著計(jì)算機(jī)、通訊、網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)得到了迅速發(fā)展。相對(duì)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(jià)格也較便