【正文】 定子報(bào)警溫度為120℃，跳閘溫度為125℃。4 本論文中PLC與變頻器的連接采用模擬量輸入電纜連接的方法，這種方法受距離限制且容易受到干擾，現(xiàn)場(chǎng)中一般考慮采用PLC與變頻器通信的控制方式5 在PLC與上位機(jī)通信方面，本文僅給出簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)思路和方法，具體的實(shí)現(xiàn)還有待研究。本論文還有許多地方值得進(jìn)一步研究：1變頻器的自動(dòng)變頻調(diào)速方面，為了提高調(diào)速系統(tǒng)的精確度，可以進(jìn)一步引入各種算法，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。結(jié)論本論文通過(guò)下位機(jī)與上位機(jī)的組合，完成了礦井通風(fēng)機(jī)的在線監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)通風(fēng)機(jī)房的無(wú)人值守。主界面中包含風(fēng)機(jī)各種參數(shù)如風(fēng)量，風(fēng)壓，負(fù)壓，電機(jī)定子溫度，軸承溫度，振動(dòng)參數(shù)的實(shí)時(shí)顯示，以及電機(jī)的三相電壓，電流，功率等。 組態(tài)王軟件開(kāi)始需要新建工程，然后建立“礦井主風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)”和“PLC控制變頻器調(diào)速系統(tǒng)”兩個(gè)界面。WEB發(fā)布的安全管理分為兩級(jí)：普通用戶只能瀏覽畫面，不能修改數(shù)據(jù)；高級(jí)用戶(調(diào)度中心、廠長(zhǎng)辦公室)則可以看到所有發(fā)布的畫面，而且可以讀寫相關(guān)數(shù)據(jù)和操作原畫面中的有權(quán)限設(shè)置的圖素等。、靈活、易用的開(kāi)發(fā)環(huán)境和廣泛的功能，能夠快速建立、測(cè)試和部署自動(dòng)化應(yīng)用，來(lái)連接、傳遞和記錄實(shí)時(shí)信息。圖15 子程序4流程圖滿足風(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032000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。由于PLC采集的電壓值為032000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性關(guān)系，把PLC采集的數(shù)值轉(zhuǎn)換成實(shí)際的風(fēng)壓值。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似。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。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。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。 PLC軟件設(shè)計(jì)PLC軟件部分用STEP7Micro/WIN編程。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。Q2Q3=n2n3=f2f3=u2u3式中：Q2，Q3－工況點(diǎn)3時(shí)風(fēng)機(jī)風(fēng)量， m3/s； n2，n3－工況點(diǎn)3時(shí)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min； f2，f3－工況點(diǎn)3時(shí)變頻器輸出電壓頻率，HZ； u2，u3－工況點(diǎn)3時(shí)變頻器輸入模擬電壓，V。此時(shí)，壓力傳感器采集的壓力為P1，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。圖11 風(fēng)機(jī)及管網(wǎng)風(fēng)量風(fēng)壓特性曲線風(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R0，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。最后，再根據(jù)風(fēng)機(jī)的比例定律，風(fēng)機(jī)需要調(diào)整的轉(zhuǎn)速大小。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。風(fēng)機(jī)工頻運(yùn)行時(shí)，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m3/s，如設(shè)定為5m3/s，可計(jì)算出要求風(fēng)機(jī)管道的出氣風(fēng)量為 Q=。本系統(tǒng)中實(shí)驗(yàn)風(fēng)機(jī)的功率為24Kw，因此可以選擇同樣功率的變頻器。使用V/F控制方式的變頻器來(lái)控制風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。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。EM231有4點(diǎn)模擬量輸入。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。同時(shí)，還要考慮PLC的存儲(chǔ)容量，還要留有30%一50%的裕量。在風(fēng)機(jī)自動(dòng)變頻運(yùn)行時(shí)，是利用采集到的風(fēng)壓信號(hào)進(jìn)行通風(fēng)機(jī)的變頻調(diào)速控制。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(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的邏輯控制以及進(jìn)行模擬量控制等功能。同時(shí)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。其互連模型如圖7所示：圖7現(xiàn)場(chǎng)總線與以太網(wǎng)互聯(lián)本系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線采用PROFIBUSDP總線。為了解決現(xiàn)場(chǎng)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(wèn)題，于是就出現(xiàn)了把自動(dòng)控制與計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)結(jié)合起來(lái)，集管理和控制為一體的系統(tǒng)。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(jí)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(wèn)題和可靠性問(wèn)題逐漸得到解決。相對(duì)于傳統(tǒng)的DCS控制系統(tǒng)，現(xiàn)場(chǎng)總線有著分散控制更徹底、開(kāi)放性好、可靠性高、總體價(jià)格也較便宜等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)被譽(yù)為自動(dòng)化領(lǐng)域的計(jì)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(gè)新時(shí)代的開(kāi)始。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(chǎng)總線實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的互連，節(jié)省了大量的A/D等傳輸和轉(zhuǎn)換模塊。(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(hào)處理的功能，模擬量信號(hào)通過(guò)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。通過(guò)串行電纜把PLC和變頻器的RS485通訊接口連接起來(lái)，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。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。(3)中間直流環(huán)節(jié)中間直流環(huán)節(jié)又稱為中間儲(chǔ)能環(huán)節(jié)，這是因?yàn)槟孀兤鞯呢?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(dòng)機(jī)之間存在著無(wú)功率的交換。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。根據(jù)上述變頻調(diào)速的原理，礦井通風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。 若采用變頻調(diào)速控制局部通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行，隨著風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的下降，風(fēng)壓－風(fēng)量特性變?yōu)榍€2，系統(tǒng)工況也由A點(diǎn)變到C點(diǎn)，代表軸功率的面積CH3OQ2比采用前一種方法調(diào)節(jié)顯著減少，兩者之差即是節(jié)省的氣體功率。圖4 風(fēng)機(jī)及管網(wǎng)的H－Q特性曲線圖圖4中曲線1為風(fēng)機(jī)開(kāi)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)。反之，當(dāng)電源頻率f1降低，同步轉(zhuǎn)速ns降低，交流異步電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速n也降低。經(jīng)過(guò)幾十年的研究和發(fā)展，出現(xiàn)了許多交流電機(jī)的調(diào)速方式，如異步電機(jī)的變極調(diào)速、定子電壓調(diào)速、轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速、串級(jí)調(diào)速、變頻調(diào)速等。(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(jī)的檢修和維護(hù)的工作量，節(jié)約設(shè)備的費(fèi)用。 變頻調(diào)速近幾年來(lái)，隨著電力電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的迅速發(fā)展，變頻器的價(jià)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(jī)、電梯等設(shè)備上得到了廣泛的應(yīng)用。按照不同測(cè)點(diǎn)對(duì)溫度測(cè)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(hào)選擇如下：測(cè)點(diǎn)型號(hào)測(cè)量范圍風(fēng)機(jī)主軸承溫度STTSAIT0~150℃電機(jī)軸承溫度STTSAIT350~200℃電機(jī)三相繞組溫度STTSAIT350~200℃另外，在檢測(cè)溫度參數(shù)時(shí)，還需要有變送器將測(cè)量的溫度參數(shù)轉(zhuǎn)換成420mA的電流信號(hào)或05V的電壓信號(hào)，以便于傳送給PLC的模擬量模塊。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。常用的溫度檢測(cè)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。該傳感器利用金屬鉑在溫度變化時(shí)自身阻值也隨之改變的特性來(lái)測(cè)量溫度，能夠準(zhǔn)確的測(cè)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(cè)介質(zhì)中存在溫度梯度時(shí)，所測(cè)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。電量參數(shù)監(jiān)測(cè)采用EDA9033電量參數(shù)監(jiān)測(cè)模塊。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(hào)輸入：MT3系列磁電式振動(dòng)速度傳感器的信號(hào)(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。%測(cè)量方向：水平或垂直電源：177。常用的振動(dòng)測(cè)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。3. 負(fù)壓對(duì)于負(fù)壓參數(shù)的采集主要用于與設(shè)定的負(fù)壓值進(jìn)行比較，調(diào)整風(fēng)機(jī)的運(yùn)行頻率,使風(fēng)機(jī)運(yùn)行在指定的工況點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)通風(fēng)機(jī)的閉環(huán)控制。本設(shè)計(jì)中選用CYBZI系列中量程為03KPa的壓力傳感器。本系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)使用的傳感器較多，如壓力、溫度、振動(dòng)及轉(zhuǎn)速等。 PLC的工作原理PLC采用一種不同于一般微型計(jì)算機(jī)的運(yùn)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(yùn)行后，其工作過(guò)程一般分為三個(gè)階段輸入采樣，用戶程序執(zhí)行和輸出刷新。(4)電源單元電源單元是PLC的電源供給部分。系統(tǒng)存儲(chǔ)器用來(lái)存放PLC生產(chǎn)廠家編寫的系統(tǒng)程序，并固化在PROM或EPROM存儲(chǔ)器中，用戶不可訪問(wèn)和修改。 PLC的基本構(gòu)成圖2 PLC的一般構(gòu)成(l)中央處理單元(CPU)中央處理單元(CPU)一般由控制器，運(yùn)算器和寄存器組成，它是PLC的核心部分。由于高壓變頻器發(fā)展，煤礦主通風(fēng)機(jī)變頻調(diào)節(jié)系統(tǒng)由于在節(jié)能和提高風(fēng)機(jī)效率方面具有無(wú)與倫比的優(yōu)點(diǎn)，還能實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的軟啟動(dòng)和保護(hù)等要求，已開(kāi)始應(yīng)用在風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)當(dāng)中。改變風(fēng)機(jī)性能曲線是通過(guò)改變風(fēng)機(jī)自身運(yùn)行曲線，主要有定速和變速兩類。反映在通風(fēng)機(jī)性能曲線圖上就是改變風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)，流量調(diào)節(jié)主要有兩個(gè)目的：第一，滿足礦井用風(fēng)量的要求，第二，提高風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效率。一般工作的工況點(diǎn)選在效率大于60%的曲線段。因此與離心式風(fēng)機(jī)相比，軸流式風(fēng)機(jī)應(yīng)當(dāng)在管路暢通下開(kāi)動(dòng)，盡管如此當(dāng)啟動(dòng)與停車時(shí)，總是會(huì)經(jīng)過(guò)最低流量的，所以軸流式風(fēng)機(jī)所配用電機(jī)要有足夠的裕量。軸流式風(fēng)機(jī)在設(shè)計(jì)工況下，基本上能消除氣流的徑向流動(dòng)，但當(dāng)流量大于設(shè)計(jì)值時(shí)，葉輪下游側(cè)氣流將由內(nèi)向外朝直徑較大處偏斜；反之，氣流將朝較小處偏轉(zhuǎn)，情況嚴(yán)重時(shí)，會(huì)發(fā)生二次回流現(xiàn)象。軸功率是指原動(dòng)機(jī)傳遞給通風(fēng)機(jī)軸上的功率，有功功率是指風(fēng)機(jī)在單位時(shí)間內(nèi)對(duì)氣體做的有用功，通風(fēng)機(jī)的全壓有效功率用下式計(jì)算:Nx=PiQ1000Nx——通風(fēng)機(jī)全壓有效功率，kW；Pi——通風(fēng)機(jī)的全壓，Pa；Q——通風(fēng)機(jī)的風(fēng)量，m/s3。目前礦井中主扇風(fēng)機(jī)大部分采用對(duì)旋式軸流風(fēng)機(jī)。礦井通風(fēng)機(jī)按結(jié)構(gòu)來(lái)分，有離心通風(fēng)機(jī)和軸流通風(fēng)機(jī)，目前礦上使用最多的是軸流通風(fēng)機(jī)。2 系統(tǒng)構(gòu)成及各部分功能本論文設(shè)計(jì)的礦井主扇風(fēng)機(jī)的監(jiān)控包括風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)和風(fēng)機(jī)風(fēng)量的調(diào)節(jié)兩部分。5 用STEP7Micro/WIN編程軟件編出PLC梯形圖。2控制系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)手動(dòng)和自動(dòng)變頻運(yùn)行的切換，使風(fēng)機(jī)處于工頻或變頻運(yùn)行狀態(tài)。本論文以礦井對(duì)旋軸流風(fēng)機(jī)為研究對(duì)象，以西門子 S7200 可編程邏輯控制器作為監(jiān)控核心，運(yùn)用溫度，壓力，振動(dòng)等傳感器和電量采集單元對(duì)風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)以及各種電量參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)。(4)煤礦安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用軟件發(fā)展趨勢(shì)包括操作系統(tǒng)的實(shí)時(shí)多任務(wù)化，控制軟件的組態(tài)化、智能化和圖形化，軟件系統(tǒng)的開(kāi)放化、標(biāo)準(zhǔn)化。主站一般采用PC機(jī)，主要負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的收集、存儲(chǔ)、顯示、報(bào)警、處理、分析、報(bào)表打印等。但與國(guó)外還是存在著一定的距離。目前大部分廠家只對(duì)設(shè)備進(jìn)行簡(jiǎn)單的點(diǎn)測(cè)，或是對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行簡(jiǎn)易的診斷。德國(guó)以TLT公司為代表，采用液壓式動(dòng)葉調(diào)節(jié)的軸流通風(fēng)機(jī)，其運(yùn)行效率可保持在83%～88%以內(nèi)。本監(jiān)控系統(tǒng)就是在此背景下提出的。據(jù)統(tǒng)計(jì)，煤礦事故70%以上是由于通風(fēng)設(shè)備故障、通風(fēng)管理不善等所造成。字典Keywords： PLC control； Variable frequency speed regulation technology； Mine ventilator； Kingview software；目 錄1 緒論 1 1 1 1 22系統(tǒng)構(gòu)成及各部分功能 4 4 4 4 5 7 7 PLC概述 7 PLC的基本構(gòu)成 7 PLC的工作原理 8 風(fēng)量參數(shù)的檢測(cè) 9 10 10 10 11 變頻調(diào)速 11 11 11 12 14 PLC控制變頻器的方式 153通信網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn) 16 16 16 16 17 184系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 19 19 19 19 器件的選型 22 22 22 23 23 23 UP和QP曲線的擬合 255主通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 26 PLC軟件設(shè)計(jì) 26 26 27 28 29 30 30 30 30 PLC控制變頻器調(diào)速系統(tǒng)主界面 31結(jié)論 33參考文獻(xiàn) 34附錄 35翻譯部分 40英文原文 40中文譯文 46致謝 52中國(guó)礦業(yè)大學(xué)2011屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第49頁(yè)1 緒論通風(fēng)機(jī)是煤礦的四大固定設(shè)備之一，它擔(dān)負(fù)著向井下輸送新鮮空氣、排出粉塵和污濁氣流的重任，具有“礦井肺腑”之稱。在變風(fēng)量系統(tǒng)中，主要比較了風(fēng)門調(diào)節(jié)與變頻調(diào)節(jié)，顯示出了變頻調(diào)節(jié)系統(tǒng)不僅能使風(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。本文以一臺(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)，對(duì)礦井通風(fēng)機(jī)進(jìn)行了PLC控制的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和變頻調(diào)速的設(shè)計(jì)和研究。5．論文應(yīng)書寫工整，標(biāo)點(diǎn)正確，用微機(jī)打印后，裝訂成冊(cè)。研究生簽名： 導(dǎo)師簽名： 日期： 年 月 日畢業(yè)論文基本要求