【導(dǎo)讀】而礦井通風(fēng)機(jī)又是礦井通風(fēng)系統(tǒng)的主要設(shè)備之一，因此對(duì)其進(jìn)行PLC控制的變頻。大量的電能，具有較高的經(jīng)濟(jì)效益。煤礦主通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)主要包括風(fēng)機(jī)性能檢測(cè)和風(fēng)機(jī)風(fēng)量調(diào)節(jié)控制兩部分。一臺(tái)礦用對(duì)旋軸流風(fēng)機(jī)為控制對(duì)象，結(jié)合PLC控制技術(shù)、變頻調(diào)速技術(shù)和組態(tài)監(jiān)控技術(shù)，監(jiān)控系統(tǒng)采用上位機(jī)加下位機(jī)的設(shè)計(jì)模式。氣參數(shù)并能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通訊。上位機(jī)應(yīng)用北京亞控科技公司開(kāi)發(fā)的組態(tài)軟。了風(fēng)機(jī)房的無(wú)人值守自動(dòng)化監(jiān)控和管理的設(shè)計(jì)和改造。使風(fēng)機(jī)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(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)控制由PLC+變頻器控制電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)風(fēng)量控制。

　　

【正文】 傳感器輸入 BP1 AIW2 壓力傳感器輸入 BP2 AIW4 1電機(jī)定子溫度輸入 BT1 AIW6 1電機(jī)軸承溫度輸入 BT2 AIW8 2電機(jī)定子溫度輸入 BT3 AIW10 2電機(jī)軸承溫度輸入 BT4 AIW12 名稱 代碼 地址編碼 輸出信號(hào) 1風(fēng)機(jī)變頻運(yùn)行接觸器 指示燈 QA3， PG1 1風(fēng)機(jī)工頻運(yùn)行接觸器 指示燈 QA4， PG2 2風(fēng)機(jī)變頻運(yùn)行接觸器 指示燈 QA5， PG3 2風(fēng)機(jī)工頻運(yùn)行接觸器 指示燈 QA6， PG4 變頻器 1 啟動(dòng) 1DIN1 變頻器 1 故障復(fù)位 1DIN3 變頻器 2 啟動(dòng) 2DIN1 變頻器 2 故障故障復(fù)位 2DIN3 變頻器故障信號(hào)燈 PG5 1電機(jī)振動(dòng)異常指示燈 PG6 2電機(jī)振動(dòng)異常指示燈 PG8 井巷壓力下限指示 燈 PG8 1電機(jī)溫度上限指示燈 PG9 2電機(jī)溫度上限指示燈 PG10 報(bào)警電鈴 PB 風(fēng)壓模擬量輸出 AQW0 陜西能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 26 器件的選型 的選型 在進(jìn)行 PLC型號(hào)的選擇時(shí)，要考慮控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能，選擇低檔機(jī)、中檔機(jī)還是高檔機(jī)。另外，還要考慮 IO 點(diǎn)數(shù)的要求，一般在確定控制系統(tǒng)的 IO 點(diǎn)數(shù)后，還要留有15%一 20%備選 IO 點(diǎn)數(shù)。同時(shí)，還要考慮 PLC 的存儲(chǔ)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(gè)數(shù)字量 IO點(diǎn)；有 2個(gè) 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(chǔ)空間，更強(qiáng)的擴(kuò)展能力及更快的運(yùn)行速度和強(qiáng)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(jì)中共有 8輸入 /11 輸出， 7 點(diǎn)模擬量輸入和 1 點(diǎn)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(diǎn)模擬量輸入， 1 點(diǎn)模擬量輸出。 EM231 有 4點(diǎn)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(fēng)機(jī)在某一轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時(shí) ,其阻轉(zhuǎn)矩一般不會(huì)發(fā)生變化 ,只要轉(zhuǎn)速不超過(guò)額定值 ,電動(dòng)機(jī)也不會(huì)過(guò)載 ,一般變頻器在出廠標(biāo)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(dòng)的電動(dòng)機(jī)容量相同即可。若考慮更大的余量 ,也可以選擇比電動(dòng)機(jī)容量大一個(gè)級(jí)別的變頻器 ,但價(jià)格要高出不少 風(fēng)機(jī)采用變頻調(diào)速控制后 ,操作人員可以通過(guò)調(diào)節(jié)安裝在工作臺(tái)上的按鈕或電位器調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速 ,操作十分簡(jiǎn)易方便。變頻器的運(yùn)行控制方式選擇，可依據(jù)風(fēng)機(jī)在低速運(yùn)行時(shí)，阻轉(zhuǎn)矩很小，不存在低頻時(shí)帶不動(dòng)負(fù)載的問(wèn)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(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載在一定的速度范圍內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，空氣或液體所產(chǎn)生的阻力大致與轉(zhuǎn)速功能 型號(hào) 數(shù)量 主控單元 CPU226 AC/DC/RELAY 1 模擬量擴(kuò)展 EM235 4AI/1DO EM231 4AI 1 1 通訊模塊擴(kuò)展 以太網(wǎng) CP2431 1 陜西能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 27 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(fù)載稱為平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載。根據(jù)變頻器的選擇原則，該系統(tǒng)中選用的是兩臺(tái)型號(hào)為 Siemens MM430 風(fēng)機(jī)和泵類變轉(zhuǎn)矩負(fù)載專用變頻器。使用 V/F 控制方式的變頻器來(lái)控制風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。 MicroMaster430 是全新一代標(biāo)準(zhǔn)變頻器中的風(fēng)機(jī)和泵類變轉(zhuǎn)矩負(fù)載專家，功率范圍 至 250kW。它按照專用要求設(shè)計(jì)，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?？刂栖浖梢詫?shí)現(xiàn)專用功能：多泵切換、手動(dòng) /自動(dòng)切換、旁路功能、斷帶及缺水檢測(cè)、節(jié)能運(yùn)行方式等。 本系統(tǒng)中實(shí)驗(yàn)風(fēng)機(jī)的功率 為 2 4Kw，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(hào)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(dòng)和停止控制。壓力傳感器采集的信號(hào)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(jìn)而控制兩臺(tái)電機(jī)的運(yùn)行。 風(fēng)量的控制算法 變頻器輸入值計(jì)算 上面提到：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： 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 =錯(cuò)誤 !未找到引用源。 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 =錯(cuò)誤 !未找到引用 源。 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 =錯(cuò)誤 !未找到引用源。 式中： 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 、 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 — 通風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)前后的轉(zhuǎn)速， r/min； 陜西能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 28 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 、 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 — 通風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)前后的風(fēng)壓， Pa； 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 、 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 — 通風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)前后的功率， W。 風(fēng)機(jī)工頻運(yùn)行時(shí)，在穩(wěn)定工作區(qū)的出氣靜壓為 一 ，風(fēng)機(jī)管道的出氣風(fēng)量為 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 /s假設(shè)某煤礦一井下掘進(jìn)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(fēng)量應(yīng)不少于 錯(cuò)誤 !未找到引用源。/s，如設(shè)定為 5錯(cuò)誤 !未找到引用源。 /s，可計(jì)算出要求風(fēng)機(jī)管道的出氣風(fēng)量為 Q=錯(cuò)誤 !未找到引用源。 /s。令 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 =2900r/min， 錯(cuò)誤 !未找到引用源。= 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 /s， 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 =50Hz， 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 =錯(cuò)誤 !未找到引用源。 /s，根據(jù)風(fēng)機(jī)的比例定律，可求出掘進(jìn)巷道開(kāi)始掘進(jìn)時(shí)，風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速的起始速度 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 =(錯(cuò)誤 !未找到引用源。 /錯(cuò)誤 !未找到引用源。 )錯(cuò)誤 !未找到引用源。 =1744r/min。再根據(jù)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速與輸入電源頻率的線性關(guān)系，可估算出 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 = !未找到引用源。 /s時(shí)，變頻器輸出給風(fēng)機(jī)的電源電壓頻率 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 =(錯(cuò)誤 !未找到引用源。 /錯(cuò)誤 !未找到引用源。 )錯(cuò)誤 !未找到引用源。 =30Hz。 當(dāng)巷道中的管網(wǎng)阻力增加時(shí)，風(fēng)機(jī)的風(fēng)量隨之減小，為了滿足所需風(fēng)量的要求，要調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速控制風(fēng)機(jī)的風(fēng)量。為了實(shí)現(xiàn)這一目的，本系統(tǒng)采用根據(jù)風(fēng)機(jī)出氣風(fēng)壓的變化進(jìn)行風(fēng)量的控制。首先，用壓力傳感器采集風(fēng)機(jī)的出氣風(fēng)壓。然后，根據(jù)風(fēng)機(jī)的比例定律，把風(fēng)壓轉(zhuǎn)換到風(fēng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速卞的壓力。接著，根據(jù)風(fēng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速下的壓力一流量特性曲線方程，求出此風(fēng)壓下對(duì)應(yīng)的風(fēng)量大小。最后，再根據(jù)風(fēng)機(jī)的比例定律，求出風(fēng)量達(dá)到設(shè)定的 !未找到引用源。 /s 時(shí)，風(fēng)機(jī)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(duì)應(yīng) 050Hz 的輸出電壓頻率，而 0~50Hz 的電壓頻率又對(duì)應(yīng)風(fēng)機(jī) 02900r/min 的轉(zhuǎn)速。根據(jù)此線性關(guān)系，可以求出風(fēng)機(jī)達(dá)到需要調(diào)整的轉(zhuǎn)速時(shí)，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(fēng)機(jī)及管網(wǎng)風(fēng)量 風(fēng)壓特性曲線 陜西能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 29 風(fēng)機(jī)在剛開(kāi)始啟動(dòng)時(shí)，風(fēng)機(jī)的管網(wǎng)阻力最小為 錯(cuò)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(diǎn)為 0。由以上表 4中的實(shí)驗(yàn) 數(shù)據(jù)，可知此工況點(diǎn)的風(fēng)量 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 = !未找到引用源。 /s，風(fēng)壓 錯(cuò)誤 !未找到引用源。=，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速 錯(cuò)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(cuò)誤 !未找到引用源。 =30HZ 時(shí)，對(duì)應(yīng)變頻器的模擬輸入電壓 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 =30/50錯(cuò)誤 !未找到引用源。 10=。當(dāng)風(fēng)機(jī)的管網(wǎng)阻力由 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 增加到 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 ，時(shí)，工況點(diǎn)由 0到 1，風(fēng)量由 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 減小到 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 。此時(shí)，壓力傳感器采集的壓力為 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 ，可由下面風(fēng)機(jī)的比例關(guān)系式求出工 況點(diǎn) 3 的壓力值。 (41) 式中： 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 ， 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 — 工況點(diǎn) 3時(shí)出氣風(fēng)壓， Pa； 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 ， 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 — 工況點(diǎn) 3時(shí)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速， r/min； 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 ， 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 — 工況點(diǎn) 3時(shí)變頻器輸出電壓頻率，HZ； 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 ， 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 — 工況點(diǎn) 3時(shí)變頻器輸入模擬電壓，V。 (42) 其中，工況 點(diǎn) 3為風(fēng)機(jī)工頻運(yùn)行是的工況點(diǎn)， 錯(cuò)誤 !未找到引用源 。 =2900r/min，錯(cuò)誤 !未找到引用源。 =50HZ， 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 =10V，并且 錯(cuò)誤 !未找到引用源。=錯(cuò)誤 !未找到引用源。 ， 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 =錯(cuò)誤 !未找到引用源。 ， 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 =錯(cuò)誤 !未找到引用源。 ， 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 是由壓力傳感器測(cè)得的。 根據(jù)風(fēng)機(jī)工頻的 PQ特性曲線方程把由式 (42)求得的 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 代入，可求得此壓力對(duì)應(yīng)的風(fēng)量 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 到設(shè)定的 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 /s時(shí)，需要給變頻器的模擬輸入電壓 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 。 式中： 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 ， 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 工況點(diǎn) 3時(shí)風(fēng)機(jī)風(fēng)量， 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 /s； 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 ， 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 工況點(diǎn) 3時(shí)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速， r/min； 陜西能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 30 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 ， 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 工況點(diǎn) 3時(shí)變頻器輸出電壓頻率，HZ； 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 ， 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 工況點(diǎn) 3時(shí)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(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)到 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 ，使風(fēng)機(jī)的風(fēng)量達(dá)到設(shè)定的 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 /s。同理，當(dāng)風(fēng)機(jī)的管網(wǎng)阻力再變化時(shí)，根據(jù)采集的風(fēng)壓大小，依據(jù)此算法即可及時(shí)地調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，控制風(fēng)機(jī)的風(fēng)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(fēng)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(jì)算出不同出氣風(fēng)壓對(duì)應(yīng)的變頻器模擬輸入電壓值，然后對(duì)這些理論數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合求得的。工頻風(fēng)量的求解則是由工頻風(fēng) 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(fēng)壓轉(zhuǎn)換到工頻風(fēng)壓，然后根據(jù)風(fēng)機(jī)工頻的壓力流量特性曲線方程求出所對(duì)應(yīng)的風(fēng)量值，對(duì)理論計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合求得的。 陜西能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 31 5 主通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 主通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括 PLC軟件設(shè)計(jì)和組態(tài)軟件設(shè)計(jì)兩部分。 PLC 軟件設(shè)計(jì) 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(jī)軸承，定子溫度采樣求平均值子程序 振動(dòng)傳感器采樣求平 均值子程序 風(fēng)壓采樣及模擬輸入電壓和風(fēng)量計(jì)算子程序 變頻器模擬輸入電壓中斷程序 0 以及報(bào)警中斷程序。 主控制程序流程 陜西能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 32 開(kāi) 始風(fēng) 機(jī) 自 動(dòng) 變 頻 運(yùn) 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(cuò) ？E M 2 3 1 有 錯(cuò) ？設(shè) 定 中 斷 時(shí) 間連 接 中 斷 子 程 序變 頻 器 有 故 障 ？風(fēng) 機(jī) 電 機(jī) 過(guò) 熱 ？風(fēng) 機(jī) 運(yùn) 行 輸 出 控 制電 機(jī) 振 動(dòng) 異 常 ？風(fēng) 機(jī) 手 動(dòng) 變 頻 運(yùn) 行 ？風(fēng) 機(jī) 工 頻 運(yùn) 行結(jié) 束YN