【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。自動(dòng)化水平，還能節(jié)省大量的電能，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。監(jiān)控系統(tǒng)采用上位機(jī)加下位機(jī)的設(shè)計(jì)模式。下位機(jī)采用可靠性高的可編程邏。數(shù)、電機(jī)的電氣參數(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)軟件編寫(xiě)人機(jī)界面，將風(fēng)機(jī)工作流程以直觀的畫(huà)面顯示出來(lái)，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。文還研究了風(fēng)量調(diào)節(jié)的算法。

　　

【正文】 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(mǎn)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。同時(shí)由于本系統(tǒng)要求 100～ 230V AC 電源， DC24V 輸入，繼電器輸出，選擇 CPU226 中 ES7 2162BD230XB0 型號(hào)。 CPU 系統(tǒng)配置具體如下： 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 EM227 1 1 表 2 CPU 單元選型 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(lèi)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 n 的平方成正比，轉(zhuǎn)矩按轉(zhuǎn)速平方的變化而變化，這類(lèi)負(fù)載稱(chēng)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(lèi)變轉(zhuǎn)矩負(fù)載專(zhuān)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(lèi)變轉(zhuǎn)矩負(fù)載專(zhuān)家，功率范圍 至 250kW。它按照專(zhuān)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?軟件可以實(shí)現(xiàn)專(zhuān)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： 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。 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 ，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 /s，如設(shè)定為 5/s， 可計(jì)算出要求風(fēng)機(jī)管道的出氣風(fēng)量為 Q 。令 2900r/min， ， 50Hz， ，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 / 1744r/min。再根據(jù)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速與輸入電源頻率的線(xiàn)性關(guān)系，可估算出 ，變頻器輸出給風(fēng)機(jī)的電源電壓頻率 / 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(mǎn)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(xiàn)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 ，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(xiàn)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(xiàn) 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，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 ，風(fēng)壓 ，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速 1744r/min。根據(jù)變頻器的輸出頻率與其輸入模擬電壓的線(xiàn)性關(guān)系，可知 30HZ 時(shí)，對(duì)應(yīng)變頻器的模擬輸入電壓 30/5010 。當(dāng)風(fēng)機(jī)的管網(wǎng)阻力由增加到，時(shí)，工況點(diǎn)由 0 到 1，風(fēng)量由減小到。此時(shí)，壓力傳感器采集的壓力為，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： ，―工況點(diǎn) 3 時(shí)出氣風(fēng)壓， Pa； ，―工況點(diǎn) 3 時(shí)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速， r/min； ，―工況點(diǎn) 3 時(shí)變頻器輸出電壓頻率， HZ； ，―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)， 2900r/min， 50HZ， 10V，并且 ， ， ，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(xiàn)方程把由式 42 求得的代入，可求得此壓力對(duì)應(yīng)的風(fēng)量到設(shè)定的 ，需要給變頻器的模擬輸入電壓。 式中：，工況點(diǎn) 3 時(shí)風(fēng)機(jī)風(fēng)量， /s； ，工況點(diǎn) 3 時(shí)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速， r/min； ，工況點(diǎn) 3 時(shí)變頻器輸出電壓頻率， HZ； ，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，使風(fēng)機(jī)的風(fēng)量達(dá)到設(shè)定的 。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(xiàn)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(xiàn)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。 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 圖 12 主程序流程圖 主控制程序用來(lái)控制風(fēng)機(jī)的自動(dòng)變頻、手動(dòng)變頻和工頻運(yùn)行、子程序的調(diào)用和中斷時(shí)間的設(shè)置，以及實(shí)現(xiàn)電機(jī)溫度超限報(bào)警、變頻器和風(fēng)機(jī)故障報(bào)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(shí)，先判斷風(fēng)機(jī)是否自動(dòng)變頻運(yùn)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(cuò)誤，則程序結(jié)束；如果檢查 EM235 和 EM231 模塊連接無(wú)錯(cuò)誤，則調(diào)用子程序 4 采集電機(jī)定子軸承溫度，振動(dòng)參數(shù)和風(fēng)機(jī)的管網(wǎng)壓力大小。然后根據(jù)設(shè)置的定時(shí)中斷時(shí)間，定時(shí)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(jī)溫度是否超限以及電機(jī)是否振動(dòng)異常。若都不，則把根據(jù)采集風(fēng)壓計(jì)算的模擬電壓值輸出給變頻器，進(jìn)行風(fēng)機(jī)的變頻調(diào)速控制；當(dāng)風(fēng)機(jī)不進(jìn)行自動(dòng)變頻運(yùn)行時(shí)，判斷其是否手動(dòng)變頻運(yùn)行。若是，則程序開(kāi)始執(zhí)行判斷頻器是否有故障；若不是，則風(fēng)機(jī)進(jìn)行工頻運(yùn)行。 子程序 0 和 1 程序流程 子程序 0 的作用是寄存器中有關(guān)參數(shù)的初始化，包括溫度采樣平均值初始化、風(fēng)壓采樣平均值初始化、模擬電壓及風(fēng)量計(jì)算系數(shù)初始化、振動(dòng)參數(shù)采樣初始化等。當(dāng)主控制程序在開(kāi)始執(zhí)行時(shí)，若風(fēng)機(jī)處于自動(dòng)變頻運(yùn)行狀態(tài)，該程序即被調(diào)用一次。在調(diào)用子程序進(jìn)行信號(hào)采集前，要調(diào)用子程序 1 檢查該擴(kuò)展模塊EM235 和 EM231 模塊是否存在，用戶(hù)電源是否有錯(cuò)。若有錯(cuò)，則控制系統(tǒng)的主程序立即結(jié)束；若無(wú)錯(cuò)，則進(jìn)行子程序 3 和 4 的調(diào)用。子程序 0 和子程序 1 的程序流程如圖 13 所示。 圖 13 子程序 0 與子程序 1 流程圖 子程序 2 和 3 程序流程 子程序 2 和 3 的程序流程如圖 1 所示。 子程序 2 用于采集電機(jī)定子和軸承溫度，然后把采集的數(shù)值進(jìn)行累加求平均值，作為一次采集值。本流程圖中以 1電機(jī)定子溫度采集為例，其它溫度采集與之類(lèi)似。而子程序 3 則是用來(lái)采集軸承的振動(dòng)參數(shù)， 然后把采集的數(shù)值累加求平均值，作為一次采集值。最后由 PLC 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，包括定子和軸承的溫度是否超標(biāo)，軸承振動(dòng)是否異常，進(jìn)而判斷是否報(bào)警或進(jìn)行斷電處理。 圖 14 子程序 2 與子程序 3 流程圖 子程序 4 程序流程 子程序 4 用來(lái)從壓力傳感器中采集風(fēng)壓信號(hào)，并把每次采集的數(shù)值進(jìn)行累加，次數(shù)達(dá)到 1000 次時(shí)，求其平均數(shù)值，作為一次采集的出氣壓力值。由于 PLC采集的電壓值為 032020 之間的數(shù)字量，需要根據(jù)傳感器采集的壓力值與輸出電壓的線(xiàn)性關(guān)系，把 PLC 采集的數(shù)值轉(zhuǎn)換成實(shí)際的風(fēng)壓值。然后，根據(jù)風(fēng)量達(dá)到，求出此風(fēng)壓對(duì)應(yīng)的模擬輸入電壓值。同時(shí)，根據(jù)采集風(fēng)壓轉(zhuǎn)換到工頻風(fēng)壓所對(duì)應(yīng)的風(fēng)量與采集風(fēng)壓的擬合方程，求出此風(fēng)壓對(duì)應(yīng)的風(fēng)量。其程序的流程如圖 1 所示。 圖 15 子程序 4 流程圖 中斷子程序 滿(mǎn)足風(fēng)量要求的模擬輸入電壓值為子程序 4 中計(jì)算的模擬電 壓值，把計(jì)算所得的模擬電壓值轉(zhuǎn)換成 032020 之間的數(shù)字量，送給 PLC 模擬量模塊的輸出端AIWO，輸出給變頻器的模擬量控制端子，對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速控制。中斷子程序流程圖略。 組態(tài)軟件設(shè)計(jì) 組態(tài)軟件選用北京亞控公司的 KINGVIEW 。組態(tài)王 是一個(gè)具有豐富功能 HMI/SCADA 軟件，可用于工業(yè)自動(dòng)化的過(guò)程控制和管理監(jiān)控。組態(tài)王 為系統(tǒng)工程師提供了集