【導(dǎo)讀】而礦井通風機又是礦井通風系統(tǒng)的主要設(shè)備之一，因此對其進行PLC控制的變。省大量的電能，具有較高的經(jīng)濟效益。煤礦主通風機監(jiān)控系統(tǒng)主要包括風機性能檢測和風機風量調(diào)節(jié)控制兩部分。術(shù)，對礦井通風機進行了PLC控制的狀態(tài)監(jiān)測和變頻調(diào)速的設(shè)計和研究。監(jiān)控系統(tǒng)采用上位機加下位機的設(shè)計模式。氣參數(shù)并能實現(xiàn)遠程通訊。上位機應(yīng)用北京亞控科技公司開發(fā)的組態(tài)。成了風機房的無人值守自動化監(jiān)控和管理的設(shè)計和改造。使風機工作在高效區(qū)，并且其節(jié)能效果要優(yōu)于其它調(diào)節(jié)方法，具有很重要的應(yīng)用前景。風機調(diào)節(jié)控制由PLC+變頻器控制電機轉(zhuǎn)速實現(xiàn)風量控制。

　　

【正文】 故障復(fù)位 2DIN3 變頻器故障信號燈 PG5 1電機振動異常指示燈 PG6 2電機振動異常指示燈 PG8 井巷壓力下限指示燈 PG8 1電機溫度上限指示燈 PG9 2電機溫度上限指示燈 PG10 報警電鈴 PB 風壓模擬量輸出 AQW0 . . 器件的選型 的選型 在進行 PLC型號的選擇時，要考慮控制系統(tǒng)實現(xiàn)的功能，選擇低檔機、中檔機還是高檔機。另外，還要考慮 IO 點數(shù)的要求，一般在確定控制系統(tǒng)的 IO 點數(shù)后，還要留有15%一 20%備選 IO 點數(shù)。同時，還要考慮 PLC 的存儲容量，還要留有 30%一 50%的裕量。最后還要根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，考慮是否要選擇模擬量輸入 /輸出模塊和特殊功能模塊。 CPU226 具有 24輸入 /16 輸出，共 40 個數(shù)字量 IO點；有 2個 RS485 通信 /編程接口；有 PID控制器，具有 PID 自整定的功能；也有 PPI/MPI 和自由方式通信的能力。更大的存儲空間，更強的擴展能力及更快的運行速度和強大的內(nèi)部集成特殊功能，使其可以滿足復(fù)雜的中小型控制系統(tǒng)的要求。 在本設(shè)計中共有 8輸入 /11 輸出， 7 點模擬量輸入和 1 點模擬量輸出。綜合上述條件，本 系統(tǒng)選用 Siemen 公司 S7200 系列 CPU226 的 PLC。另外選用 EM235 模塊和 EM231模塊。 EM235 模塊有 4 點模擬量輸入， 1 點模擬量輸出。 EM231 有 4點模擬量輸入。 表 2 CPU單元選型 CPU系統(tǒng)配置具體如下： 變頻器的選型 風機在某一轉(zhuǎn)速下運行時 ,其阻轉(zhuǎn)矩一般不會發(fā)生變化 ,只要轉(zhuǎn)速不超過額定值 ,電動機也不會過載 ,一般變頻器在出廠標注的額定容量都具有一定的余量安全系數(shù) ,所以選擇變頻器容量與所驅(qū)動的電動機容量相同即可。若考慮更大的余量 ,也可以選擇比電動機容量大一個級別的變頻器 ,但價格要高出不少 風機采用變頻調(diào)速控制后 ,操作人員可以通過調(diào)節(jié)安裝在工作臺上的按鈕或電位器調(diào)節(jié)風機的轉(zhuǎn)速 ,操作十分簡易方便。變頻器的運行控制方式選擇，可依據(jù)風機在低速運行時，阻轉(zhuǎn)矩很小，不存在低頻時帶不動負載的問題，故采用 V/F（恒壓頻比）控制方式即可。并且，從節(jié)能的角度考慮 ， V/F 控制方式是最低的。 風機、泵類負載在一定的速度范圍內(nèi)運轉(zhuǎn)時，空氣或液體所產(chǎn)生的阻力大致與轉(zhuǎn)速功能 型號 數(shù)量 主控單元 CPU226 AC/DC/RELAY 1 模擬量擴展 EM235 4AI/1DO EM231 4AI 1 1 通訊模塊擴展 以太網(wǎng) CP2431 1 . . n 的平方成正比，轉(zhuǎn)矩按轉(zhuǎn)速平方的變化而變化，這類負載稱為平方轉(zhuǎn)矩負載。根據(jù)變頻器的選擇原則，該系統(tǒng)中選用的是兩臺型號為 Siemens MM430 風機和泵類變轉(zhuǎn)矩負載專用變頻器。使用 V/F 控制方式的變頻器來控制風機的轉(zhuǎn)速。 MicroMaster430 是全新一代標準變頻器中的風機和泵類變轉(zhuǎn)矩負載專家，功率范圍 至 250kW。它按照專用要求設(shè)計，并使用內(nèi)部功能互聯(lián)（ BiCo）技術(shù)，具有高度可靠性和靈活性。控 制軟件可以實現(xiàn)專用功能：多泵切換、手動 /自動切換、旁路功能、斷帶及缺水檢測、節(jié)能運行方式等。 本系統(tǒng)中實驗風機的功率為 24Kw，因此可以選擇同樣功率的變頻器。 變頻器與 PLC 的連接 圖 10 變頻器與 PLC的連接 圖 10中變頻器的故障信號輸出接 PLC 的 端口， PLC 的輸出端口 與 接變頻器的數(shù)字輸入端 DIN1 和 DIN3，用于變頻器啟動和停止控制。壓力傳感器采集的信號經(jīng) PLC 處理后，由 EM235 模塊的 3口和 5 口輸出，連接 MM430 變頻器的 AIN+和 AIN端 口，進而控制兩臺電機的運行。 風量的控制算法 變頻器輸入值計算 上面提到：當通風機穩(wěn)定運行時，風機的風量、風壓、功率與轉(zhuǎn)速有以下比例關(guān)系： 錯誤 !未找到引用源。 =錯誤 !未找到引用源。 錯誤 !未找到引用源。 =錯誤 !未找到引用源。 錯誤 !未找到引用源。 =錯誤 !未找到引用源。 式中： 錯誤 !未找到引用源。 、 錯誤 !未找到引用源。 —通風機調(diào)節(jié)前后的轉(zhuǎn)速， r/min； . . 錯誤 !未找到引用源。 、 錯誤 !未找到引用源。 —通風機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)前 后的風壓， Pa； 錯誤 !未 找到引用源。 、 錯誤 !未找到引用源。 —通風機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)前后的功率， W。 風機工頻運行時，在穩(wěn)定工作區(qū)的出氣靜壓為 一 ，風機管道的出氣風量為 錯誤 !未找到引用源。 /s假設(shè)某煤礦一井下掘進工作面需要 19 人工作，根據(jù)《煤炭安全規(guī)程》規(guī)定每人每分鐘需要的風量應(yīng)不少于 錯誤 !未找到引用源。/s，如設(shè)定為 5錯誤 !未找到引用源。 /s，可計算出要求風機管道的出氣風量為 Q=錯誤 !未找到引用源。 /s。令 錯誤 !未找到引用源。 =2900r/min， 錯誤 !未找到引用源。= 錯誤 !未找到引用源。 /s， 錯誤 !未找到引用源。 =50Hz， 錯誤 !未找到引用源。 =錯誤 !未找到引用源。 /s，根據(jù)風機的比例定律，可求出掘進巷道開始掘進時，風機變頻調(diào)速的起始速度 錯誤 !未找到引用源。 =(錯誤 !未找到引用源。 /錯誤 !未找到引用源。 )錯誤 !未找到引用源。 =1744r/min。再根據(jù)風機轉(zhuǎn)速與輸入電源頻率的線性關(guān)系，可估算出 錯誤 !未找到引用源。 = !未找到引用源。 /s時，變頻器輸出給風機的電源電壓頻率 錯誤 !未找到引用源。 =(錯誤 !未找到引用源。 /錯誤 !未找到引用源。 )錯誤 !未找到引用源。 =30Hz。 當巷道中的管網(wǎng)阻力增加時，風機的風量隨之減小，為了滿足所需風量的要求，要調(diào)節(jié)風機的轉(zhuǎn)速控制風機的風量。為了實現(xiàn)這一目的，本系統(tǒng)采用根據(jù)風機出氣風壓的變化進行風量的控制。首先，用壓力傳感器采集風機的出氣風壓。然后，根據(jù)風機的比例定律，把風壓轉(zhuǎn)換到風機額定轉(zhuǎn)速卞的壓力。接著，根據(jù)風機額定轉(zhuǎn)速下的壓力一流量特性曲線方程，求出此風壓下對應(yīng)的風量大小 。最后，再根據(jù)風機的比例定律，求出風量達到設(shè)定的 !未找到引用源。 /s 時，風機需要調(diào)整的轉(zhuǎn)速大小。由于變頻器 010V 的模擬輸入電壓對應(yīng) 050Hz 的輸出電壓頻率，而 0~50Hz 的電壓頻率又對應(yīng)風機 02900r/min 的轉(zhuǎn)速。根據(jù)此線性關(guān)系，可以求出風機達到需要調(diào)整的轉(zhuǎn)速時，變頻器需要的模擬輸入電壓值。其具體的理論算法如下圖 11 所示。 圖 11 風機及管網(wǎng)風量 風壓特性曲線 . . 風機在剛開始啟動時，風機的管網(wǎng)阻力最小為 錯誤 !未找到引用源。 ，輸入電源電壓頻率為 30Hz(變頻器設(shè)定 )，其工作的工況點為 0。由以上表 4 中的實驗數(shù)據(jù)，可知此工況點的風量 錯誤 !未找到引用源。 = 錯誤 !未找到引用源。 /s，風壓 錯誤 !未找到引用源。=，風機轉(zhuǎn)速 錯誤 !未找到引用源。 =1744r/min。根據(jù)變頻器的輸出頻率與其輸入模擬電壓的線性關(guān)系，可知 錯誤 !未找到引用源。 =30HZ 時，對應(yīng)變頻器的模擬輸入電壓 錯誤 !未找到引用源。 =30/50 錯誤 !未找到引用源。 10=。當風機的管網(wǎng)阻力由 錯誤 !未找到引用源。 增加到 錯誤 !未找到引用源。 ，時，工況點由 0 到 1，風量由 錯誤 !未找到引用源。 減小到 錯誤 !未找到引用源。 。此時，壓力傳感器采集的壓力為 錯誤 !未找到引用源。 ，可由下面風機的比例關(guān)系式求出工況點 3 的壓力值。 (41) 式中： 錯誤 !未找到引用源。 ， 錯誤 !未找到引用源。 —工況點 3 時出氣風壓， Pa； 錯誤 !未找到引用源。 ， 錯誤 !未找到引用源。 —工況點 3 時風機轉(zhuǎn)速， r/min； 錯誤 !未找到引用源。 ， 錯誤 !未找到引用源。 —工況點 3 時變頻器輸出電壓頻率，HZ； 錯誤 !未找到引用源。 ， 錯誤 !未找到引用源。 —工況點 3 時變頻器輸入模擬電壓，V。 (42) 其中，工況點 3 為風機工頻運行是的工況點， 錯誤 !未找到引用源。 =2900r/min， 錯誤 !未找到引用源。 =50HZ， 錯誤 !未找到引用源。 =10V，并且 錯誤 !未找到引用源。 =錯誤 !未找到引用源。 ， 錯誤 !未找到引用源。 =錯誤 !未找到引用源。 ， 錯誤 !未找到引用源。=錯誤 !未找到引用源。 ， 錯誤 !未找到引用源。 是由壓力傳感器測得的。 根據(jù)風機工頻的 PQ 特性曲線方程把由式 (42)求得的 錯誤 !未找到引用源。 代入，可求得此壓力對應(yīng)的風量 錯誤 !未找到引用源。 到設(shè)定的 錯誤 !未找到引用源。 /s 時，需要給變頻器的模擬輸入電壓 錯誤 !未找到引用源。 。 式中： 錯誤 !未找到引用源。 ， 錯誤 !未找到引用源。 工況點 3 時風機風量， 錯誤 !未找到引用源。 /s； 錯誤 !未找到引用源。 ， 錯誤 !未找到引用源。 工況點 3 時風機轉(zhuǎn)速， r/min； . . 錯誤 !未找到引用源。 ， 錯誤 !未找到引用源。 工況點 3 時變頻器輸出電壓頻率，HZ； 錯誤 !未找到引用源。 ， 錯誤 !未找到引用源。 工況點 3 時變頻器輸入模擬電壓，V。則 (43) 最后，把由 (43)式求得的模擬輸入電壓值輸出給變頻器的模擬量控制端，便可使風機的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)到 錯誤 !未找到引用源。 ，使風機的風量達到設(shè)定的 錯誤 !未找到引用源。 /s。同理，當風機的管網(wǎng)阻力再變化時，根據(jù)采集的風壓大小，依據(jù)此算法即可及時地調(diào)節(jié)風機的轉(zhuǎn)速，控制風機的風量。 UP 和 QP 曲線的擬合 在 PLC 程序中，變頻器模擬輸入電壓值是根據(jù)其與采集出氣風壓 (U一 P)的擬合函數(shù)方程 求得的。該擬合方程是根據(jù)以上所述算法，理論計算出不同出氣風壓對應(yīng)的變頻器模擬輸入電壓值，然后對這些理論數(shù)據(jù)進行擬合求得的。工頻風量的求解則是由工頻風量與采集壓力 (Q 一 P)的擬合方程求得的。其擬合方程是把采集的不同出氣風壓轉(zhuǎn)換到工頻風壓，然后根據(jù)風機工頻的壓力流量特性曲線方程求出所對應(yīng)的風量值，對理論計算數(shù)據(jù)進行擬合求得的。 . . 5 主通風機監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計 主通風機監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計包括 PLC 軟件設(shè)計和組態(tài)軟件設(shè)計兩部分。 PLC 軟件設(shè)計 PLC 軟件部分用 STEP7Micro/WIN 編程。 程序包括主控制程序、參數(shù)初始化子程序 0、模擬量模塊檢查子程序 電機軸承，定子溫度采樣求平均值子程序 振動傳感器采樣求平均值子程序 風壓采樣及模擬輸入電壓和風量計算子程序 變頻器模擬輸入電壓中斷程序 0 以及報警中斷程序。 主控制程序流程 . . 開 始風 機 自 動 變 頻 運 行 ？S M 0 . 1 調(diào) 用 子 程 序 0 初 始 化S M 0 . 0 調(diào) 用 子 程 序 1 ， 檢 查 E M 2 3 5 和 E M 2 3 1調(diào) 用 子 程 序 2 , 3 , 4E M 2 3 5 有 錯 ？E M 2 3 1 有 錯 ？設(shè) 定 中 斷 時 間連 接 中 斷 子 程 序變 頻 器 有 故 障 ？風 機 電 機 過 熱 ？風 機 運 行 輸 出 控 制電 機 振 動 異 常 ？風 機 手 動 變 頻 運 行 ？風 機 工 頻 運 行結(jié) 束YNYNYNYNYNYNYN 圖 12 主程序流程圖 主控制程序用來控制風機的自動變頻、手動變頻和工頻運行、子程序的調(diào)用和中斷時間的設(shè)置，以及實現(xiàn)電機溫度超限報警、變頻器和風機故障報警、變頻器故障復(fù)位等功能。 主控制程序的程序流程如圖 12所示。 PLC 主控制程序在執(zhí)行時，先判斷風機是否自動變頻運行。若是，則調(diào)用參數(shù)初始化子程序 0和模塊連接檢查子程序 1，如果 EM235和 EM231 模塊連接有錯誤，則程序結(jié)束；如果檢查 EM235 和 EM231 模塊連接無錯誤，則調(diào)用子程序 4采集電機定子軸承溫度，振動參數(shù)和風機的管網(wǎng)壓力大小。然后根據(jù)設(shè)置的定時中斷時間，定時連接變頻器的模擬輸入電壓中斷程序 0，再判斷變頻器是否有故障，電機溫度是否超限以及電機是否振動異常。若都不，則把根據(jù)采集風壓計算的模擬電壓值輸出給變頻器，進行風機的變 頻調(diào)速控制；當風機不進行自動變頻運行時，判斷其是否手動變頻運行