【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，因此對其進(jìn)行PLC控制的變頻調(diào)速。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)計模式。參數(shù)并能實現(xiàn)遠(yuǎn)程通訊。上位機(jī)應(yīng)用北京亞控科技公司開發(fā)的組態(tài)軟件編。的無人值守自動化監(jiān)控和管理的設(shè)計和改造。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。調(diào)節(jié)控制由PLC+變頻器控制電機(jī)轉(zhuǎn)速實現(xiàn)風(fēng)量控制。同時本文還研究了風(fēng)量調(diào)節(jié)的算法。

　　

【正文】 風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。的改變，可以通過改變通風(fēng)機(jī)輸入電源的頻率 f1 來改變，這一過程可以通過變頻器來完成。 變頻器的結(jié)構(gòu) 變頻器按結(jié)構(gòu)來分，分為交一交變頻器和交一直一交變頻器兩種。交一交變頻器可將工頻交流電直接轉(zhuǎn)變成頻率和電壓均可控制的交流電，又稱為直接變頻器。交一直一交變頻器是把工頻交流電經(jīng)整流器先轉(zhuǎn)換成直流電，然后經(jīng)濾波環(huán)節(jié)后，再把直流電轉(zhuǎn)換成頻率、電壓可控制的交流電，又稱為間接變頻器。目前，使用最多的通用變頻器多是交一直一交變頻器，它由主電路，包括整流器、中間直流環(huán)節(jié)、逆變器和控制電路組成，其基本結(jié)構(gòu)如下圖所示 圖 5 變頻器基本結(jié)構(gòu)圖 (1)整流器 整流器即是網(wǎng)側(cè)變流器，它的作用是把三相或單相交流電整流成直流電。整 流電路有可控整流電路和不可控整流電路兩種 (2)逆變器 逆變器即是負(fù)載側(cè)的變流器，它的主要作用在控制電路的控制下將直流電轉(zhuǎn)變成頻率、電壓調(diào)節(jié)后的交流電，輸出給外部設(shè)備。六個半導(dǎo)體主少干關(guān)器件組成的橋式電路是常見的逆變電路，通過控制電路控制開關(guān)器件的通、斷，可以得到所需頻率的交流電輸出。 (3)中間直流環(huán)節(jié) 中間直流環(huán)節(jié)又稱為中間儲能環(huán)節(jié)，這是因為逆變器的負(fù)載多為感性負(fù)載，其功率因數(shù)小于 1，使得在中間直流環(huán)節(jié)和電動機(jī)之間存在著無功率的交換。這種無功能量需要中間直流環(huán)節(jié)中的電容器或電抗器來進(jìn)行緩沖 (4)控制電 路 控制電路是變頻器的核心，它通常由運算電路、檢測電路、門極驅(qū)動電路、外部接口 第 16 頁 電路和保護(hù)電路等組成，其作用主要是完成對逆變器的開關(guān)控制和頻率控制、對整流器的電壓控制以及完成各種保護(hù)功能等 PLC 控制變頻器的方式 在許多工程應(yīng)用中，為了提高控制系統(tǒng)的自動化水平，需要把 PLC 和變頻器結(jié)合起來使用，對異步電機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速控制?？偟膩碚f， PLC 控制變頻器的方式主要有以下三種方式： (1)頻率輸出控制端子的邏輯組合方式 大多數(shù)變頻器都有幾個不同的頻率輸出控制端子，我們可以通過變頻器參數(shù)的設(shè)定，設(shè)置控制端子不同的頻率輸出。通過對變頻器控制端子邏輯輸入口的邏輯組合，可以實現(xiàn)電機(jī)的啟?？刂坪洼敵鲱l率的改變網(wǎng)。其邏輯組合控制是用 PLC 的輸出去控制變頻器控制端子的 ON/OFF 狀態(tài)，使變頻器輸出不同頻率的電源，進(jìn)而控制異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速。由于變頻器控制端子的輸出頻率是預(yù)先設(shè)定的，它的輸出頻率也只是一些固定的數(shù)值，不能實現(xiàn)異步電機(jī)的無級平滑調(diào)速。因此，這種控制方式只適合不需要電機(jī)連續(xù)調(diào)速就能滿足生產(chǎn)要求的場合。 (2)通訊的方式 目前一般的 變頻器都帶有 RS485 接口，大多數(shù)的 PLC 也都支持 RS485 的通訊。通過串行電纜把 PLC 和變頻器的 RS485 通訊接口連接起來，用通訊的方式把頻率由 PLC 傳給變頻器，這就是 PLC 控制變頻器的通訊方式。在這種控制方式中，要占用 PLC 的一個通訊接口，如果 PLC 的通訊接口為 RS232 接口，加一個轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成 RS485 接口就可以了。如 PLC 通過通訊的方式來監(jiān)控變頻器，可以傳送大量的信息，連續(xù)地監(jiān)控多臺變頻器，還可以通過通訊修改變頻器的參數(shù)，實現(xiàn)多臺變頻器的聯(lián)動控制和同步控制。由于變頻器的種類很多，不同廠家生產(chǎn)的變頻器 使用不同的通信協(xié)議，有 Modbus 從站協(xié)議、 USS 協(xié)議和用戶自定義協(xié)議等，必須用變頻器支持的協(xié)議來完成 PLC 和變頻器的通訊。 (3)模擬量控制的方式 現(xiàn)在生產(chǎn)的 PLC 一般都具有模擬量信號處理的功能，模擬量信號通過 A/D 模塊和 D/A模塊轉(zhuǎn)換后，輸出 0~10V 的電壓或 4~20mA 的電流，把輸出的信輸入到變頻器相應(yīng)的模擬量輸入端子，可以控制變頻器輸出電源的頻率，這種 PLC 控制變頻器的方式，稱為模擬量的控制方式。它要求 PLC和變頻器的控制距離不是很遠(yuǎn)，且是一對一的控制場合，但這種控制方式使用起來比較簡單，對 PLC 的 要求也不是很高。由于本控制系統(tǒng)中采用的是兩臺變頻器控制對旋軸流風(fēng)機(jī)兩臺電機(jī)的方案，是一對一控制，為說明問題，本系統(tǒng)采用 PLC控制變頻器的模擬量控制方式。 第 17 頁 3通信網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn) 系統(tǒng)共分三層：設(shè)備層，控制層，監(jiān)控層 設(shè)備層即現(xiàn)場測量層主要實現(xiàn)風(fēng)機(jī)變量參數(shù)的測量和風(fēng)機(jī)的控制，由各種傳感器，電量監(jiān)測設(shè)備，變頻器等組成，完成對設(shè)備運行的自動控制和監(jiān)控設(shè)備本身的運行工況參數(shù)的采集。 中央控制層由帶有以太網(wǎng)接口的 PLC 組成， PLC 作為總站，就地站以及遠(yuǎn)程輸入站作為從站，采用 PROFIBUSDP 現(xiàn)場總線實現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備的互連，節(jié)省了大量的 A/D 等傳輸和轉(zhuǎn)換模塊。通過以太網(wǎng)交換機(jī)與上層監(jiān)控管理層的工控機(jī)聯(lián)網(wǎng)，向工控機(jī)傳送風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的運行狀態(tài) (運行、停止、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)等 )，同時接收工控機(jī)的控制命令，采集風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的工況參數(shù) (如風(fēng)壓、風(fēng)量、風(fēng)機(jī)軸承溫度、電機(jī)定子繞組溫度、電壓、電流、功率因數(shù)、功率和開關(guān)狀態(tài)等 )，其采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過轉(zhuǎn)換后遠(yuǎn)傳給上層監(jiān)控管理層的工控機(jī)。 遠(yuǎn)程監(jiān)控管理層直接接入礦調(diào)度室，由上位工控機(jī)、打印機(jī)、不間斷電源等設(shè)備組成，提供集中 監(jiān)控管理功能，可以實現(xiàn)監(jiān)控風(fēng)機(jī)系統(tǒng)運行工況、故障報警與分析、數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析、報表生成打印、歷史數(shù)據(jù)記錄管理等操作。 圖 6 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 第 18 頁 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)和以太網(wǎng)技術(shù) 隨著計算機(jī)、通訊、網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)得到了迅速發(fā)展。相對于傳統(tǒng)的 DCS控制系統(tǒng)，現(xiàn)場總線有著分散控制更徹底、開放性好、可靠性高、總體價格也較便宜等優(yōu)點，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)被譽為自動化領(lǐng)域的計算機(jī)局域網(wǎng)，它的出現(xiàn)，標(biāo)志著工業(yè)控制技術(shù)領(lǐng)域又一個新時代的開始。 對于礦井通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)而言，為保證通風(fēng)機(jī)的安全可靠運行，其功能必須涵蓋通風(fēng)機(jī)電動機(jī)啟?？刂?、風(fēng)門的開合、風(fēng)量調(diào)節(jié)、各項運行參數(shù)監(jiān)測以及上下位機(jī)通信等多個方面。大型煤礦生產(chǎn)企業(yè)所應(yīng)用的生產(chǎn)設(shè)備往往多而分散，對于傳統(tǒng)的基于 PC、 PLC 等產(chǎn)品的監(jiān)控系統(tǒng)來說，如不采用現(xiàn)場總線技術(shù)將各生產(chǎn)設(shè)備的監(jiān)控系統(tǒng)有機(jī)地連為一體，則難以及時有效地對各設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行協(xié)調(diào)管理，在很大程度上不利于生產(chǎn)效率和安全性的提升。與此同時，以太網(wǎng)作為一項比較成熟的技術(shù)正向自動化領(lǐng)域逐步滲透，從企業(yè)決策層、生產(chǎn)管理調(diào)度層向現(xiàn)場控制層延伸。以太網(wǎng)傳 輸速度的提高、高速以太網(wǎng)的應(yīng)用以及工業(yè)級以太網(wǎng)部件推出，使影響以太網(wǎng)進(jìn)入工控領(lǐng)域的確定性問題和可靠性問題逐漸得到解決。以太網(wǎng)將能逐步勝任那些目前由工業(yè)自動化網(wǎng)絡(luò)承擔(dān)的控制任務(wù)，基于以太網(wǎng)的工業(yè)控制系統(tǒng)將會更多地出現(xiàn)在工業(yè)應(yīng)用中，成為一種簡單、廉價、實用的企業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)方案。工業(yè)以太網(wǎng)是基于以太網(wǎng)技術(shù)和 TCP/IP 技術(shù)開發(fā)出來的一種工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)。工業(yè)以太網(wǎng)廣泛應(yīng)用于工廠的控制級通信，以實現(xiàn) PLC 與 PLC 之間， PLC 與 PC機(jī)之間的通信。 現(xiàn)場總線與以太網(wǎng)的互連 為了解決現(xiàn)場總線面臨著標(biāo)準(zhǔn)繁多、難以與企業(yè) 管理網(wǎng)絡(luò)集成等諸多問題，于是就出現(xiàn)了把自動控制與計算機(jī)管理系統(tǒng)結(jié)合起來，集管理和控制為一體的系統(tǒng)。一些復(fù)雜的控制系統(tǒng)常采用兩級網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。底層用現(xiàn)場總線以便控制裝置盡可能靠近現(xiàn)場設(shè)備，上層采用工業(yè)以太網(wǎng)監(jiān)控，從而實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的集中管理和分散控制，這種將兩層網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用到自動化系統(tǒng)的方法，實現(xiàn)信息的完全共享，極大的提高了對復(fù)雜生產(chǎn)過程的檢測、監(jiān)督和控制功能，提高了系統(tǒng)的利用率。工業(yè)控制領(lǐng)域采用以太網(wǎng)作為現(xiàn)場設(shè)備之間的通信網(wǎng)絡(luò)平臺，可以避免，現(xiàn)場總線技術(shù)游離于計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展主流之外，從而使現(xiàn)場總線技術(shù)和其 它網(wǎng)絡(luò)技術(shù)互相促進(jìn)、共同發(fā)展，并保證技術(shù)上的可持續(xù)發(fā)展在技術(shù)升級方面無需單獨的研究投入。其互連模型如圖 7所示： 第 19 頁 圖 7 現(xiàn)場總線與以太網(wǎng)互聯(lián) 網(wǎng)絡(luò)的具體實現(xiàn)方法 本系統(tǒng)現(xiàn)場總線采用 PROFIBUSDP 總線。 PROFIBUSDP 一般用于車間設(shè)備級的高速數(shù)據(jù)通信，主站（ PLC 或 IPC 等）通過標(biāo)準(zhǔn)的 PROFIBUSDP 專用電纜與分散的現(xiàn)場設(shè)備（遠(yuǎn)程 I/O，驅(qū)動器，閥門，智能傳感器等）進(jìn)行通信，對整個 DP 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管理和控制。 DP采用雙絞線或光纜作為傳輸介質(zhì)，傳輸速率從 。 S7200 PLC 可以通過 EM277 PROFIBUSDP 通信模塊連接到 PROFIBUSDP 網(wǎng)絡(luò)中。 同時本系統(tǒng)中采用 CP2431 以太網(wǎng)通信模塊將 S7200 PLC 連接到工業(yè)以太網(wǎng)中。借助于 CP2431， S7200 可以用于遠(yuǎn)程組態(tài)，編程和診斷。 第 20 頁 4系統(tǒng)的硬件設(shè)計 系統(tǒng)的硬件連接見附錄 1。 主電路中 MA1， MA2 為對旋式軸流風(fēng)機(jī)的兩臺電機(jī)，交流接觸器 QA QA6 分別控制 MAMA2 的工頻運行；交流接觸器 QA QA5 分別控制 MA MA2 的變頻運行； QA1 為主電路電源的隔離開關(guān)； FA 為主電路的熔斷器； BB BB2 為電機(jī) MA MA2 的熱繼電器 。 第 21 頁 圖 8 主電路圖 在風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)硬件電路的控制電路部分，利用 PLC 進(jìn)行控制，可以大大提高系統(tǒng)的可靠性、節(jié)省大量的繼電器、實現(xiàn)較復(fù)雜的邏輯控制以及進(jìn)行模擬量控制等功能?？刂葡到y(tǒng)采用 Siemens S7200 系列 CPU226，同時外部擴(kuò)展 EM235 和 EM231 模塊。本控制系統(tǒng)接線圖如下圖 9所示。 該 PLC控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)風(fēng)機(jī)手動工頻、自動變頻和手動變頻運行的切換，其中手動變頻是指使用變頻器控制面板手動控制風(fēng)機(jī)的變頻運行。在風(fēng)機(jī)自動變頻運行時，是利用采集到的風(fēng)壓信號進(jìn)行通風(fēng)機(jī)的變頻調(diào)速控制。其中按鈕 SF0 控制風(fēng)機(jī)的自動變頻運行；按鈕 SB1 控制風(fēng)機(jī)的手動變頻運行；按鈕 SF2 控制風(fēng)機(jī)的工頻運行；按鈕 SF3 控制風(fēng)機(jī)的停止；按鈕 SF4 為報警燈鈴的調(diào)試按鈕； SF5 為消鈴按鈕； PG PG3 分別為 MA MA2 變頻運行指示燈； PG PG4 分別為 MA MA2 工頻運行的指示燈； PG5 為變頻器故障報警指示燈； PG6 為 1電機(jī)振動異常指示燈； PG7 為 2電機(jī)振動異常指示燈； PG8 為井巷壓力下限指示燈； PG9 為 1電機(jī)溫度上限指示燈； PG10 為 2電機(jī)溫度上限指示燈； PB 為報警電鈴。 第 22 頁 圖 9 控制電路 系統(tǒng)的 I/O 地址分配如下表所示： 名稱 代碼 地址編碼 輸入信號 自動變頻按鈕 SF0 手動變頻按鈕 SF1 工頻運行切換按鈕 SF2 停止運行按鈕 SF3 變頻器 1 故障輸入 1RL1 變頻器 2 故障輸入 2RL1 第 23 頁 試燈鈴按鈕 SF4 消鈴按鈕 SF5 振動變送器輸入 TF AIW0 負(fù)壓傳感器輸入 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 1風(fēng)機(jī)變頻運行接觸器 指示燈 QA3， PG1 1風(fēng)機(jī)工頻運行接觸器 指示燈 QA4， PG2 2風(fēng)機(jī)變頻運行接觸器 指示燈 QA5， PG3 2風(fēng)機(jī)工頻運行接觸器 指示燈 QA6， PG4 變頻器 1 啟動 1DIN1 變頻器 1 故障復(fù)位 1DIN3 變頻器 2 啟動 2DIN1 變頻器 2 故障故障復(fù)位 2DIN3 變頻器故障信號燈 PG5 1電機(jī)振動異常指示燈 PG6 2電機(jī)振動異常指示燈 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 報警電鈴 PB 風(fēng)壓模擬量輸出 AQW0 表 1 I/O 地址分配 第 24 頁 器件的選型 的選型 在進(jìn)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(jī)、中檔機(jī)還是高檔機(jī)。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(qiáng)的擴(kuò)展能力及更快的運行速度和強(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