【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 。它采用一種可編程的存儲(chǔ)器，用于其內(nèi)部存儲(chǔ)程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算，順序控制，定時(shí)，計(jì)數(shù)和算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字式或模擬式輸入輸出來(lái)控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。 PLC的基本構(gòu)成圖2 PLC的一般構(gòu)成(l)中央處理單元(CPU)中央處理單元(CPU)一般由控制器，運(yùn)算器和寄存器組成，它是PLC的核心部分。它的主要任務(wù)有:控制接收和存儲(chǔ)編程設(shè)備輸入的用戶程序和數(shù)據(jù)；診斷PLC內(nèi)部電路的工作故障和編程中的錯(cuò)誤。掃描I/O接收的現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)，并按照用戶程序?qū)π畔⑦M(jìn)行處理，然后刷新輸出接口，對(duì)執(zhí)行部件進(jìn)行控制。(2)存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器是PLC存放程序和數(shù)據(jù)的地方，它包括系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器和用戶程序存儲(chǔ)器。系統(tǒng)存儲(chǔ)器用來(lái)存放PLC生產(chǎn)廠家編寫的系統(tǒng)程序，并固化在PROM或EPROM存儲(chǔ)器中，用戶不可訪問和修改。用戶程序存儲(chǔ)器主要包括用戶程序存儲(chǔ)區(qū)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)二個(gè)部分。用戶程序存儲(chǔ)區(qū)用于存儲(chǔ)用戶編寫的控制程序，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)用于存放用戶程序中使用器件的ON/OFF狀態(tài)和各種數(shù)值數(shù)據(jù)等。(3)I/O接口輸入，輸出接口電路是PLC與現(xiàn)場(chǎng)I/O設(shè)備相連接的部件，它的作用是將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換位PLC 能夠接收和處理的信號(hào)，將CPU送來(lái)的弱電信號(hào)轉(zhuǎn)換為外部設(shè)備所需的強(qiáng)電信號(hào)。(4)電源單元電源單元是PLC的電源供給部分。它的作用是把外部供應(yīng)的電源轉(zhuǎn)換成CPU、存儲(chǔ)器等電路工作所需要的直流電，及向外部器件提供24V直流電源。(5)外設(shè)接口與擴(kuò)展接口PLC可以通過外設(shè)接口與監(jiān)視器、打印機(jī)、PLC或計(jì)算機(jī)相連。擴(kuò)展接口用于將擴(kuò)展單元以及功能模塊與基本單元相連，使PLC的配置更加靈活，以滿足不同控制系統(tǒng)的需要。 PLC的工作原理PLC采用一種不同于一般微型計(jì)算機(jī)的運(yùn)行方式即循環(huán)掃描技術(shù)，循環(huán)掃描技術(shù)是指當(dāng)PLC投入運(yùn)行后，其工作過程一般分為三個(gè)階段輸入采樣，用戶程序執(zhí)行和輸出刷新。完成上述三個(gè)階段稱作一個(gè)掃描周期，在整個(gè)運(yùn)行期間，PLC的CPU以一定的掃描速度重復(fù)執(zhí)行上述三個(gè)階段，各個(gè)階段的功能如下：(l)輸入采樣階段：PLC將掃描的輸入端子的狀態(tài)存入映像寄存器，然后進(jìn)入程序執(zhí)行階段，在此階段和輸出刷新階段，輸入映像寄存器與外界隔離，其內(nèi)容保持不變，一直到下一個(gè)掃描周期的輸入采樣階段。(2)程序執(zhí)行階段：PLC根據(jù)讀入的輸入映像寄存器中的信號(hào)狀態(tài)，按一定的掃描原則執(zhí)行用戶編寫的程序，然后把執(zhí)行結(jié)果存入元件映像寄存器中。(3)輸出刷新階段：當(dāng)所有的程序指令執(zhí)行完后，元件映像寄存器中所有輸出繼電器的狀態(tài)在輸出刷新階段被轉(zhuǎn)存到輸出鎖存器中，然后一次性的由輸出端子輸出，驅(qū)動(dòng)外部負(fù)載。本系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)使用的傳感器較多，如壓力、溫度、振動(dòng)及轉(zhuǎn)速等。為減少傳輸誤差，提高檢測(cè)精度，均選用帶變送器、性能可靠、壽命長(zhǎng)、輸出標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)4～20 mA的傳感器，直接采集現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)，并配以二線制RVVP電纜單獨(dú)傳送，以進(jìn)一步提高整套系統(tǒng)的可靠性。其結(jié)構(gòu)如圖3所示：圖3 傳感器與PLC擴(kuò)展模塊的連接、風(fēng)量參數(shù)的檢測(cè)(這里主要測(cè)靜壓)一般都是采取鉆孔取壓法，測(cè)點(diǎn)選擇在風(fēng)機(jī)的入口，將取得的壓力信號(hào)通過壓力傳感(變送)器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。壓力傳感器的選型需考慮礦井通風(fēng)機(jī)最大風(fēng)壓及測(cè)量精度的要求。本設(shè)計(jì)中選用CYBZI系列中量程為03KPa的壓力傳感器。CYBZI系列微差壓變送器采用進(jìn)口高精度、高穩(wěn)定性微壓力敏芯片，經(jīng)嚴(yán)格精密的溫度補(bǔ)償，線性補(bǔ)償，信號(hào)放大，V/I轉(zhuǎn)換，逆極性保護(hù)，壓力過載限流等信號(hào)處理，將很微小的差壓信號(hào)可靠的轉(zhuǎn)換成工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的420mA電流或 0~10V電壓信號(hào)輸出，可測(cè)小于100Pa的壓力其主要技術(shù)指標(biāo)：測(cè)量范圍03Kpa零點(diǎn)漂移%FS4h測(cè)量介質(zhì)非腐蝕性氣體零點(diǎn)溫度漂移%/CFS輸出信號(hào)非線性%FS輸出信號(hào)420mA遲滯%FS供電24VDC重復(fù)性%FS精度%溫度范圍20+852風(fēng)量風(fēng)量參數(shù)是利用風(fēng)機(jī)入口靜壓差及入口溫度計(jì)算得來(lái)的。計(jì)算公式：Q=kP2(+T1)101325P1式中P2為CP201測(cè)量到靜壓，P1為入口壓力CP202(表壓)的絕對(duì)值(正值)，T1為入口溫度，系數(shù)k因風(fēng)機(jī)參數(shù)的不同而異。風(fēng)量監(jiān)測(cè)采用KGF2型礦用智能風(fēng)量傳感器。3. 負(fù)壓對(duì)于負(fù)壓參數(shù)的采集主要用于與設(shè)定的負(fù)壓值進(jìn)行比較，調(diào)整風(fēng)機(jī)的運(yùn)行頻率,使風(fēng)機(jī)運(yùn)行在指定的工況點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)通風(fēng)機(jī)的閉環(huán)控制。風(fēng)機(jī)軸承的振動(dòng)監(jiān)測(cè)與故障診斷功能及原理：通過速度傳感器測(cè)量軸承的振動(dòng)峰值、均方根值或均值，將這些測(cè)量值與事先標(biāo)定出的允許門檻值作比較，指示出軸承運(yùn)行情況的正常與否。具體測(cè)試方法為：通過安裝在軸承部位的速度傳感器拾取振動(dòng)烈度信號(hào)，經(jīng)過振動(dòng)變送器送到PLC中，以便實(shí)時(shí)監(jiān)控電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行情況。通過風(fēng)機(jī)振動(dòng)位移和振動(dòng)周期可以反映風(fēng)機(jī)潛在的故障，避免風(fēng)機(jī)停機(jī)等嚴(yán)重故障發(fā)生。常用的振動(dòng)測(cè)量傳感器有電渦流式傳感器、速度式傳感器、加速度式傳感器。根據(jù)所需測(cè)量的參數(shù)要求，一般在選用時(shí)應(yīng)考慮以下因素：若需測(cè)量振動(dòng)位移值則應(yīng)選用電渦流式傳感器；若需測(cè)量振動(dòng)速度或烈度值則應(yīng)選用速度式傳感器；若需測(cè)量振動(dòng)加速度值則應(yīng)選用加速度式傳感器。經(jīng)過比較之后，本系統(tǒng)選擇南京東大測(cè)振儀器廠生產(chǎn)的MT3T型電磁式速度傳感器。其技術(shù)指標(biāo)如下：測(cè)量范圍：15～1000Hz靈敏度：30mv/mm/s精度：線性誤差：≤177。%測(cè)量方向：水平或垂直電源：177。12V DC，20mA容許加速度：沿工作方向：10g連續(xù)橫向：30g短時(shí)此外，在檢測(cè)機(jī)械振動(dòng)參數(shù)時(shí)，還需要有變送器和檢測(cè)儀表將測(cè)量的振動(dòng)參數(shù)轉(zhuǎn)換成420mA的直流電流信號(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(chǎng)安裝的需要，以及增強(qiáng)報(bào)警和顯示等功能，又選擇了南京東大測(cè)振儀器廠生產(chǎn)的與MT3系列磁電式振動(dòng)速度傳感器配套使用的30ZXPJ210型振動(dòng)速度監(jiān)控裝置。該監(jiān)控儀主要用于對(duì)轉(zhuǎn)速600～6000轉(zhuǎn)/分旋轉(zhuǎn)機(jī)械的振動(dòng)烈度進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)當(dāng)振動(dòng)值超限時(shí)，本儀器可外接聲光報(bào)警器以提示現(xiàn)場(chǎng)操作人員采取防范措施。其具體參數(shù)如下：(1)量程：0～10mm/s，0～20mm/s，0～50mm/s(均方根值)(2)頻率范圍：10～1000Hz(3)信號(hào)輸入：MT3系列磁電式振動(dòng)速度傳感器的信號(hào)(4)靈敏度：30mV/mm/s≤3%(5)儀表顯示顯示方式：高分辨率LCD顯示，精確度177。1％(6)信號(hào)輸出：電流輸出4～20mA，輸出負(fù)載≤500Ω(7)精確度：177。%(8)報(bào)警輸出：警告、危險(xiǎn)兩極報(bào)警；(9)繼電器節(jié)點(diǎn)容量：DC30V/1A，AC125V/(10)使用電源：AC220V/50HZ177。10%20W電氣參數(shù)指配套電機(jī)的負(fù)載和空載的電流、電壓、勵(lì)磁電流和電壓、功率、功率因數(shù)等。電量參數(shù)監(jiān)測(cè)采用EDA9033電量參數(shù)監(jiān)測(cè)模塊。該模塊采用電磁隔離和光電隔離技術(shù)，電壓輸入、電流輸入及輸出三方完全隔離。在該系統(tǒng)中，PLC通過CP341模塊與EDA9033通過MODBUSRTU協(xié)議進(jìn)行通信，所以電氣參數(shù)通過由安裝在各開關(guān)柜內(nèi)的智能儀表單元與PLC以通訊的方式得到。溫度傳感器選用Pt100鉑電阻傳感器。該傳感器利用金屬鉑在溫度變化時(shí)自身阻值也隨之改變的特性來(lái)測(cè)量溫度，能夠準(zhǔn)確的測(cè)出軸承或定子的溫度并將它們傳給PLC 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，當(dāng)被測(cè)介質(zhì)中存在溫度梯度時(shí)，所測(cè)得的溫度是感溫元件所在范圍內(nèi)介質(zhì)層中的平均溫度。這中溫度傳感器的特點(diǎn)：耐振動(dòng)，可靠性高，同時(shí)具有精確的靈敏性，穩(wěn)定性好等。其性能指標(biāo)如下：連續(xù)監(jiān)測(cè)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(cè)的一項(xiàng)重要任務(wù)。溫度參數(shù)檢測(cè)時(shí)，主要由溫度檢測(cè)元件和變送器、電壓調(diào)理電路構(gòu)成的檢測(cè)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(cè)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(cè)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(lái)測(cè)量誤差。因此，結(jié)合本系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)要求，選擇熱電阻式熱電傳感器檢測(cè)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?jī)x器的溫標(biāo)基準(zhǔn)。按照不同測(cè)點(diǎn)對(duì)溫度測(cè)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(cè)點(diǎn)型號(hào)測(cè)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(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。本系統(tǒng)考慮到現(xiàn)場(chǎng)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(cè)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(lái)，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(lái)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(wú)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(zhǎng)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f1，就可以改變異步電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速ns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ns，而且它是隨著同步轉(zhuǎn)速的變化而變化的。當(dāng)電源頻率f1增加時(shí)，同步轉(zhuǎn)速ns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f1降低，同步轉(zhuǎn)速ns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(lái)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(RaRb)，曲線2為風(fēng)機(jī)在轉(zhuǎn)速為n1和n2時(shí)壓力－流量特性曲線(n1n2)，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Q1為100%，對(duì)應(yīng)的軸功率N1從與風(fēng)量Q1和風(fēng)壓H1的乘積面積AH1OQ1成正比。如果生產(chǎn)要求風(fēng)量從Q1減少到Q2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BH2OQ2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€2，系統(tǒng)工況也由A點(diǎn)變到C點(diǎn)，代表軸功率的面積CH3OQ2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：Q1/Q2=n1/n2P1/P2=(n1/n2)2N1/N2=(n1/n2)3式中： nn2—通風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)前后的轉(zhuǎn)速，r/min； PP2—通風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)前后的風(fēng)壓，Pa； NN2—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