【文章內(nèi)容簡介】 (5)外設(shè)接口與擴展接口 PLC 可以通過外設(shè)接口與監(jiān)視器、打印機、 PLC 或計算機相連。擴展接口用于將擴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算機的運行方式即循環(huán)掃描技術(shù)，循環(huán)掃描技術(shù)是指當(dāng) PLC 投入運行后，其工作 過程一般分為三個階段 輸入采樣，用戶程序執(zhí)行和輸出刷新。完成上述三個階段稱作一個掃描周期，在整個運行期間， PLC 的 CPU 以一定的掃描速度重復(fù)執(zhí)行上述三個階段，各個階段的功能如下： (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)動外部負載。 本系統(tǒng)現(xiàn)場使用的傳感器較多，如壓力、溫度、振動及轉(zhuǎn)速等。為減少傳輸誤差，提高檢測精度，均選用帶變送器、性能可靠、壽命長、輸出標(biāo)準(zhǔn)電流信號 4～ 20 mA 的傳感器，直接采集現(xiàn)場信號，并配以二線制 RVVP 電纜單獨傳送，以進一步提高整套系統(tǒng)的可靠性。其結(jié)構(gòu)如圖 3 所示： . . 圖 3 傳感器與 PLC擴展模塊的連接 風(fēng)壓、風(fēng)量參 數(shù)的檢測 (這里主要測靜壓 ) 一般都是采取鉆孔取壓法，測點選擇在風(fēng)機的入口，將取得的壓力信號通過壓力傳感 (變送 )器轉(zhuǎn)換成電信號。 壓力傳感器的選型需考慮礦井通風(fēng)機最大風(fēng)壓及測量精度的要求。本設(shè)計中選用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)格精密的溫度補償，線性補償，信號放大， V/I 轉(zhuǎn)換，逆極性保護，壓力過載限流等信號處理，將很微小的差壓信號可靠的轉(zhuǎn)換成工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的420mA 電流或 0~10V電壓信號輸出，可測小于 100Pa 的壓力 其主要技術(shù)指標(biāo)： 測量范圍 03Kpa 零點漂移 %FS4h 測量介質(zhì) 非腐蝕性氣體 零點溫度漂移 %/CFS 輸出信號 標(biāo)準(zhǔn)量程的 倍 非線性 %FS 輸出信號 420mA 遲滯 %FS 供電 24VDC 重復(fù)性 %FS 精度 % 溫度范圍 20+85 2 風(fēng)量 風(fēng)量參數(shù)是利用風(fēng)機入口靜壓差及入口溫度計算得來的。計算公式： . . 式中 錯誤 !未找到引用源。 為 CP201 測量到靜壓， 錯誤 !未找到引用源。 為入口壓力CP202(表壓 )的絕對值 (正值 )， 錯誤 !未找到引用源。 為入口溫度，系數(shù) k 因風(fēng)機參數(shù)的不同而異。風(fēng)量監(jiān)測采用 KGF2 型礦用智能風(fēng)量傳感器。 對于負壓參數(shù)的采集主要用于與設(shè)定的負壓值進行比較，調(diào)整風(fēng)機的運行頻率 ,使風(fēng)機運行在指定的工況點，實現(xiàn)通風(fēng)機的閉環(huán)控制。 振動參數(shù)的檢測 風(fēng)機軸承的振動監(jiān)測與故障診斷功能及原理：通過速度傳感器測量軸承的振動峰值、均方根值或均值，將這些測量值與事先標(biāo)定出的允許門檻值作比較，指示出軸承運行情況的正常與否。具體測試方法為：通過安裝在軸承部位 的速度傳感器拾取振動烈度信號，經(jīng)過振動變送器送到 PLC 中，以便實時監(jiān)控電動機的運行情況。通過風(fēng)機振動位移和振動周期可以反映風(fēng)機潛在的故障，避免風(fēng)機停機等嚴(yán)重故障發(fā)生。 常用的振動測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)所需測量的參數(shù)要求，一般在選用時應(yīng)考慮以下因素： 若需測量振動位移值則應(yīng)選用電渦流式傳感器； 若需測量振動速度或烈度值則應(yīng)選用速度式傳感器； 若需測量振動加速度值則應(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： 測量范圍： 15～ 1000Hz 靈敏度： 30mv/mm/s 精度：線性誤差： ≤177。% 測量方向：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 此外，在檢測機械振動參數(shù)時，還需要有變送器和檢測儀表將測量的振動參數(shù)轉(zhuǎn)換成 420mA 的直流電流信號或 05V的電壓信號，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，以及增強報警和顯示等功能，又選擇了南京東大測振儀器. . 廠生產(chǎn)的與 MT3 系列磁電式振動速度傳感器配套使用的 30ZXPJ210 型 振動速度監(jiān)控裝置。該監(jiān)控儀主要用于對轉(zhuǎn)速 600～ 6000 轉(zhuǎn) /分旋轉(zhuǎn)機械的振動烈度進行長期監(jiān)測當(dāng)振動值超限時，本儀器可外接聲光報警器以提示現(xiàn)場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)信號輸入： MT3 系列磁電式振動速度傳感器的信號 (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)信號輸出：電流輸出 4～ 20mA，輸出負載 ≤500Ω (7)精確度： 177。% (8)報警輸出：警告、危險兩極報警； (9)繼電器節(jié)點容量： DC30V/1A， AC125V/ (10)使用電源： AC220V/50HZ177。10%20W 電氣參數(shù)的檢測 電氣參數(shù)指配套電機的負載和空載的電流、電壓、勵磁電流和電壓、功率、功率因數(shù)等。電量參數(shù)監(jiān)測采用 EDA9033 電量參數(shù)監(jiān)測模塊。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。 電機軸承和定子溫度檢測 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自身阻值也隨之改變的特性來測量溫度，能夠準(zhǔn)確的測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 測介質(zhì)中存在溫度梯度時，所測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：耐振動，可靠性高，同時具有精確的靈敏性，穩(wěn)定性好等。其性能指標(biāo)如下： 連續(xù)監(jiān)測風(fēng)機工作時的軸承溫度和電機的軸承溫度，也是風(fēng)機工況監(jiān)測的一項重要任務(wù)。溫 度參數(shù)檢測時，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進行通信，將溫度參數(shù)上傳至工控機。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格低廉，但由于它們的阻值對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的穩(wěn)定性不如熱電阻式傳感器。對于控制條件下校驗熱電偶性能，其可移動性或測試行較差。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，所使用的儀器導(dǎo)線 (鍍銅 )將會帶來測量誤差。 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量儀器的溫標(biāo)基準(zhǔn)。按照不同測點對溫度測量范圍的要求，本系統(tǒng)選擇日本林電的 PT100 鉑電阻，具體型號選擇如 下 ： 測點 型號 測量范圍 風(fēng)機主軸承溫度 STTSAIT 0~150℃ 電機軸承溫度 STTSAIT3 50~200℃ 電機三相繞組溫度 STTSAIT3 50~200℃ 另外，在檢測溫度參數(shù)時 ，還需要有變送器將測量的溫度參數(shù)轉(zhuǎn)換成 420mA 的電流信號或 05V的電壓信號，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： Pt100、 Pt1000、 Cu50、 K、 E、 S 供電電壓： 24V 負載電阻： 0～ 500Ω 輸出信號： DC4～ 20mA 電壓誤差： %／ V 精度： %， %， % 工作環(huán)境：溫度： 20℃ ～ 80℃ ；濕度： 95%RH 開關(guān)量檢測 監(jiān)控系統(tǒng)的輸入開關(guān)量主 要包括一些開關(guān)、繼電器的動作信號，如：泵站電機運行、主電機正反向合閘反饋、制動器限位開關(guān)、風(fēng)門的打開和關(guān)閉、風(fēng)門過力矩、葉片執(zhí)行器自動以及測振器報警等。監(jiān)控系統(tǒng)的輸出開關(guān)量主要包括：泵站電機控制、風(fēng)門打開和關(guān)閉控制、主電機正反向合閘、主電機正反向分閘、主電機正反向跳閘、制動器控制以及聲光報警等。 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，在此不進行討論。 . . 變頻調(diào)速 變頻調(diào)速技術(shù)在礦井通風(fēng)機上的應(yīng)用概述 近幾年來，隨著電力電子技術(shù)和計 算機控制技術(shù)的迅速發(fā)展，變頻器的價格不斷下降，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、電梯等設(shè)備上得到了廣泛的應(yīng)用。通風(fēng)機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)機運行效率低，流失大量電能，因此變頻器在礦井通風(fēng)機上的應(yīng)用很有必要。一般地來講，將變頻器應(yīng)用在礦井通風(fēng)機上，具有以下的功能和優(yōu)點： (l)可以實現(xiàn)風(fēng)機的無級平滑調(diào)速，及時滿足礦井生產(chǎn)的風(fēng)量需求，提高風(fēng)機的運行效率，節(jié)省大量的電能損耗。 (2)限制風(fēng)機的啟動電流，減少啟動時的峰值功率損耗，消 除電機起動和停止時，對機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)機的檢修和維護的工作量，節(jié)約設(shè)備的費用。 (4)變頻器自身的保護功能齊全，有欠電壓保護、過電壓保護、過電流保護、短路保護、風(fēng)機軸承過熱保護等，使風(fēng)機安全運行的可靠性得到大大提高。 變頻調(diào)速的基本原理 交流異步電機以其體積小、重量輕、價格低廉、運行性能穩(wěn)定等優(yōu)點，在機械的電力傳動中應(yīng)用最為普遍。但是交流電機不象直流電機那樣，可以很方便地進行調(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)了許多交流電機的調(diào)速方式，如異步電機的變極調(diào)速、定子電壓調(diào)速、轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速、串級調(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，使交流電機調(diào)速困難的問題得以解決。 由電動機的拖動原理，可知交流異步電機的轉(zhuǎn)速表達式為 : (21) . . 由上式 (21)、 (22)和 (23)可以看出，如果改變輸入到異步電機定子繞組的電源頻率 錯誤 !未找到引用源。 ，就可以改變異步電動機的同步轉(zhuǎn)速 錯誤 !未找到引用源。 和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 n 由電機學(xué)知識可知，交流異步電動機的轉(zhuǎn)速 n總是小于同步轉(zhuǎn)速 錯誤 !未找到引用源。 ， 而且它是隨著同步轉(zhuǎn)速的變化而變化的。當(dāng)電源頻率 錯誤 !未找到引用源。增加時，同步轉(zhuǎn)速 錯誤 !未找到引用源。 增加，交流異步電機的實際轉(zhuǎn)速 n 也增加。反之，當(dāng)電源頻率 錯誤 !未找到引用源。 降低，同步轉(zhuǎn)速 錯誤 !未找到引用源。 降低，交流異步電機的實際轉(zhuǎn)速 n也降低 。這種通過改變電源頻率來改變交流電動機轉(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，使用變頻器向電動機提供頻率可變的電源，去改變電動機的轉(zhuǎn)速。 風(fēng)機變頻調(diào)速節(jié)能分析 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 (錯誤 !未找到引用源。 錯誤 !未找到引用源。 )，曲線 2 為風(fēng)機在轉(zhuǎn)速為錯誤 !未找到引用源。 和 錯誤 !未找到引用源。 時壓力－流量特性曲線 (錯誤 !未找到引用源。 錯誤 !未找到引用源。 )， 交點 A、 B、 C 為礦井通風(fēng)機的工況點。 . . 圖 4 風(fēng)機及管網(wǎng)的 H－ Q 特性曲線圖 圖 4 中曲線 1 為風(fēng)機開始調(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)機設(shè)計工作在 A 點效率最高，輸出風(fēng)量 錯誤 !未找到引用源。 為 100%，對應(yīng)的軸功率 錯誤 !未找到引用源。 從與風(fēng)量 錯誤 !未找到引用源。和風(fēng)壓 錯誤 !未找到引用源。 的乘積面積 A 錯誤 !未找到引用源。 成正比。 如果生產(chǎn)要求風(fēng)量從 錯誤 !未找到引用 源。 減少到 錯誤 !未找到引用源。 時，若采用關(guān)小風(fēng)機管路閥門的方法調(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)工況點也由 A 點