【正文】 對整流器的電壓控制以及完成各種保護功能等 PLC控制變頻器的方式在許多工程應用中，為了提高控制系統(tǒng)的自動化水平，需要把PLC和變頻器結合起來使用，對異步電機進行變頻調速控制。六個半導體主少干關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器件的通、斷，可以得到所需頻率的交流電輸出。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，其基本結構如下圖所示圖5 變頻器基本結構圖(1)整流器整流器即是網側變流器，它的作用是把三相或單相交流電整流成直流電。交一交變頻器可將工頻交流電直接轉變成頻率和電壓均可控制的交流電，又稱為直接變頻器。的改變，可以通過改變通風機輸入電源的頻率f1來改變，這一過程可以通過變頻器來完成。如果通風機的轉速降低為原來的50%，則風量也變?yōu)樵瓉淼?0%，%，這說明通過改變通風機的轉速的方式，可以改變通風機的功率輸入，可以節(jié)省大量的電能。當通風機穩(wěn)定運行時，風機的風量、風壓、功率與轉速有以下比例關系：Q1/Q2=n1/n2P1/P2=(n1/n2)2N1/N2=(n1/n2)3式中： 、—通風機調節(jié)前后的轉速，r/min； 、—通風機轉速調節(jié)前后的風壓，Pa； 、—通風機轉速調節(jié)前后的功率，W。從圖中可以看出，風量雖然減小了，風壓反而增加了，代表軸功率的面積BH2OQ2比調節(jié)前減少不多。假設風機設計工作在A點效率最高，輸出風量Q1為100%，對應的軸功率N1從與風量Q1和風壓H1的乘積面積AH1OQ1成正比。閥門調節(jié)與變頻調速的節(jié)能比較：圖4為一礦井通風機的壓力－流量(H－Q)特性曲線圖，其中曲線a、b為管網阻力的特性曲線(RaRb)，曲線2為風機在轉速為n1和n2時壓力－流量特性曲線(n1n2)，交點A、B、C為礦井通風機的工況點。這種通過改變電源頻率來改變交流電動機轉速的調速方式稱為變頻調速。當電源頻率f1增加時，同步轉速增加，交流異步電機的實際轉速n也增加。目前，使用最廣泛，效果最好的還是變頻調速，變頻調速技術的迅速發(fā)展，使交流電機調速困難的問題得以解決。但是交流電機不象直流電機那樣，可以很方便地進行調速，它的調速問題一直比較困難。(4)變頻器自身的保護功能齊全，有欠電壓保護、過電壓保護、過電流保護、短路保護、風機軸承過熱保護等，使風機安全運行的可靠性得到大大提高。(2)限制風機的啟動電流，減少啟動時的峰值功率損耗，消除電機起動和停止時，對機械和電氣元件的沖擊，延長其使用壽命。通風機在煤礦上的使用占有很大的份量，是煤礦生產中最大的耗電設備，采用傳統(tǒng)的方法調節(jié)風量，風機運行效率低，流失大量電能，因此變頻器在礦井通風機上的應用很有必要。在PLC控制系統(tǒng)中，輸入輸出開關量可通過開關量輸入輸出模塊與PLC連接，由于本系統(tǒng)涉及的開關量較多，在此不進行討論。本系統(tǒng)考慮到現(xiàn)場安裝的需要，選擇性能/價格比較高的日本林電的STWB系列溫度變送器模塊，其技術參數如下：輸入信號：Pt100、Pt1000、Cu50、K、E、S供電電壓：24V負載電阻：0～500Ω輸出信號：DC4～20mA電壓誤差：%／V精度：%，%，%工作環(huán)境：溫度：20℃～80℃；濕度：95%RH監(jiān)控系統(tǒng)的輸入開關量主要包括一些開關、繼電器的動作信號，如：泵站電機運行、主電機正反向合閘反饋、制動器限位開關、風門的打開和關閉、風門過力矩、葉片執(zhí)行器自動以及測振器報警等。在目前廣泛使用的熱電阻中，鉑電阻的化學穩(wěn)定性好，耐溫高，易提純，因而通常采用鉑電阻作為一般溫度計量儀器的溫標基準。當周圍溫度變化時，所使用的儀器導線(鍍銅)將會帶來測量誤差。對于控制條件下校驗熱電偶性能，其可移動性或測試行較差。熱敏電阻傳感器雖然價格低廉，但由于它們的阻值對溫度的變化是非線性的，故熱敏電阻通常所用的溫度范圍較狹窄。溫度參數檢測時，主要由溫度檢測元件和變送器、電壓調理電路構成的檢測電路與PLC進行通信，將溫度參數上傳至工控機。這中溫度傳感器的特點：耐振動，可靠性高，同時具有精確的靈敏性，穩(wěn)定性好等。溫度傳感器選用Pt100鉑電阻傳感器。該模塊采用電磁隔離和光電隔離技術，電壓輸入、電流輸入及輸出三方完全隔離。10%20W電氣參數指配套電機的負載和空載的電流、電壓、勵磁電流和電壓、功率、功率因數等。1％(6)信號輸出：電流輸出4～20mA，輸出負載≤500Ω(7)精確度：177。該監(jiān)控儀主要用于對轉速600～6000轉/分旋轉機械的振動烈度進行長期監(jiān)測當振動值超限時，本儀器可外接聲光報警器以提示現(xiàn)場操作人員采取防范措施。12V DC，20mA容許加速度：沿工作方向：10g連續(xù)橫向：30g短時此外，在檢測機械振動參數時，還需要有變送器和檢測儀表將測量的振動參數轉換成420mA的直流電流信號或05V的電壓信號，以便于傳送給PLC的模擬量模塊。其技術指標如下：測量范圍：15～1000Hz靈敏度：30mv/mm/s精度：線性誤差：≤177。根據所需測量的參數要求，一般在選用時應考慮以下因素：若需測量振動位移值則應選用電渦流式傳感器；若需測量振動速度或烈度值則應選用速度式傳感器；若需測量振動加速度值則應選用加速度式傳感器。通過風機振動位移和振動周期可以反映風機潛在的故障，避免風機停機等嚴重故障發(fā)生。風機軸承的振動監(jiān)測與故障診斷功能及原理：通過速度傳感器測量軸承的振動峰值、均方根值或均值，將這些測量值與事先標定出的允許門檻值作比較，指示出軸承運行情況的正常與否。風量監(jiān)測采用KGF2型礦用智能風量傳感器。CYBZI系列微差壓變送器采用進口高精度、高穩(wěn)定性微壓力敏芯片，經嚴格精密的溫度補償，線性補償，信號放大，V/I轉換，逆極性保護，壓力過載限流等信號處理，將很微小的差壓信號可靠的轉換成工業(yè)標準的420mA電流或 0~10V電壓信號輸出，可測小于100Pa的壓力其主要技術指標：測量范圍03Kpa零點漂移%FS4h測量介質非腐蝕性氣體零點溫度漂移%/CFS輸出信號非線性%FS輸出信號420mA遲滯%FS供電24VDC重復性%FS精度%溫度范圍20+852風量風量參數是利用風機入口靜壓差及入口溫度計算得來的。壓力傳感器的選型需考慮礦井通風機最大風壓及測量精度的要求。為減少傳輸誤差，提高檢測精度，均選用帶變送器、性能可靠、壽命長、輸出標準電流信號4～20 mA的傳感器，直接采集現(xiàn)場信號，并配以二線制RVVP電纜單獨傳送，以進一步提高整套系統(tǒng)的可靠性。(3)輸出刷新階段：當所有的程序指令執(zhí)行完后，元件映像寄存器中所有輸出繼電器的狀態(tài)在輸出刷新階段被轉存到輸出鎖存器中，然后一次性的由輸出端子輸出，驅動外部負載。完成上述三個階段稱作一個掃描周期，在整個運行期間，PLC的CPU以一定的掃描速度重復執(zhí)行上述三個階段，各個階段的功能如下：(l)輸入采樣階段：PLC將掃描的輸入端子的狀態(tài)存入映像寄存器，然后進入程序執(zhí)行階段，在此階段和輸出刷新階段，輸入映像寄存器與外界隔離，其內容保持不變，一直到下一個掃描周期的輸入采樣階段。擴展接口用于將擴展單元以及功能模塊與基本單元相連，使PLC的配置更加靈活，以滿足不同控制系統(tǒng)的需要。它的作用是把外部供應的電源轉換成CPU、存儲器等電路工作所需要的直流電，及向外部器件提供24V直流電源。(3)I/O接口輸入，輸出接口電路是PLC與現(xiàn)場I/O設備相連接的部件，它的作用是將輸入信號轉換位PLC 能夠接收和處理的信號，將CPU送來的弱電信號轉換為外部設備所需的強電信號。用戶程序存儲器主要包括用戶程序存儲區(qū)和數據存儲區(qū)二個部分。(2)存儲器存儲器是PLC存放程序和數據的地方，它包括系統(tǒng)程序存儲器和用戶程序存儲器。它的主要任務有:控制接收和存儲編程設備輸入的用戶程序和數據；診斷PLC內部電路的工作故障和編程中的錯誤。它采用一種可編程的存儲器，用于其內部存儲程序，執(zhí)行邏輯運算，順序控制，定時，計數和算術操作等面向用戶的指令，并通過數字式或模擬式輸入輸出來控制各種類型的機械或生產過程。本文所研究的風機監(jiān)控系統(tǒng)當中，風機風量調節(jié)選用變頻調節(jié)。變速調節(jié)大大減少附加的節(jié)流損失，在很大變工況范圍內保持較高的效率，與傳統(tǒng)的節(jié)流調節(jié)相比，不產生其他調節(jié)方式附加損失，降低了功率消耗，節(jié)約了電能，具有良好的經濟效益。定速調節(jié)包括入口導葉調節(jié)及動葉調節(jié)。當然這比不進行調節(jié)而供給過多的風量還是有利的（對功率曲線在調節(jié)范圍內隨風量增加而上升的風機而言）。主要的調節(jié)方法或改變風機運行工況有兩大類：改變管網性能曲線和改變通風機性能曲線。圖1 軸流式風機的性能曲線通風機的調節(jié)是為了改變通風機的流量，以滿足實際工作的需要，故通風機的調節(jié)又稱流量調節(jié)。至此，由Q－H曲線和Q－n曲線也就決定了軸流式風機的正常工作范圍，即在Q－H曲線駝峰點右側和Q門曲線效率大于60%的公共部分。Q－n曲線在整個流量變化過程中是先增大后減少，為此可用二次方程來擬合它的形狀。－n曲線在最高效率點附近迅速下降流量不在設計工況下的氣流情況迅速變壞，以至效率下降很快，所以軸流式風機的最佳工作范圍較窄，一般都沒有調節(jié)閥門來調節(jié)流量。－N曲線在流量為零時最大當流量增大時，H下降很快，軸功率也有所下降，這樣往往使軸流式風機在零流量下啟動時的軸功率為最大。軸流式風機的性能曲線如圖1所示。5轉速轉速是指通風機在單位時間內的實際轉數，以n表示，單位為r/min。若通風機的風壓用靜壓表示，則通風機靜壓有效功率可用下式計算:Nxst=PstQ1000式中:Nxst——通風機靜壓有效功率，kW。2)全壓氣流中某一點的滯止壓力，亦是該點靜壓和動壓的代數和，以Pi表示：Pi=Pdi+Psti3功率通風機的功率分為軸功率和有效功率。本論文中采用某實驗風機，其技術參數如下：風機基本性能參數轉速（r/min）風量（/h）全壓（Pa）效率（%）直徑（mm）29005400900012002400400配用電機基本參數型號轉速（r/min）功率（Kw）額定電壓（V）額定電流（A）Y112M2290042380單位時間內通風機吸入的氣體的體積稱為通風機的風量，以Q表示，單位為m/s3 在通風中所稱的風壓是指單位體積的空氣所具有的能量，按其類型可分為靜壓、動壓和全壓，其單位為Pa。它具有結構尺寸短，效率高，反風性能好的特點。軸流通風機是氣體沿軸向進入旋轉葉片通道，由葉片與氣體的相互作用，使氣體被壓縮并沿軸向排出的通風機。風機風量的調節(jié)中引入變頻器對風機風速的調節(jié)，據所需風量和風壓大小通過變頻器來調節(jié)風機的轉速在節(jié)能和提高風機效率方面具有無與倫比的優(yōu)點，還能實現(xiàn)風機的軟啟動和保護等要求。本系統(tǒng)中風機運行狀態(tài)的監(jiān)測以工控領域的可編程控制器(PLC)和組態(tài)軟件為核心，以標準控制柜作為信號采集和控制輸出裝置,輔以傳感器、中間繼電器和其它輔助設備構建整個監(jiān)控系統(tǒng)。并生成性能參數實時曲線和歷史趨勢曲線，監(jiān)測數據歸檔、數據報表查詢及打印，以及瓦斯?jié)舛?、風量、風壓等監(jiān)控量的趨勢曲線、超限報警和數據報表功能。6 用PROFIBUSDP現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網完成對PLC通信網絡的組建。4 用工程制圖軟件繪制系統(tǒng)主電路圖和PLC及擴展模塊接線圖。在變頻運行時，該系統(tǒng)能根據壓力傳感器的模擬量輸入，經PLC內部運算，計算出系統(tǒng)滿足安全生產所需的風量大小對應的變頻器輸入電壓值，經擴展模塊模擬量輸出控制變頻器自動調整風機的轉速。具體地說，本論文的主要研究內容如下：1實現(xiàn)信號采集與實時監(jiān)測，包括風機的運行狀態(tài)、故障狀態(tài)、負壓、流量、軸承振動、軸承溫度、定子溫度、電壓、電流、功率、效率等。同時，利用PLC和上位機之間的通信實現(xiàn)通風機運行的在線監(jiān)控。在礦難發(fā)生前就能對各種安全隱患進行預測，使安全隱患消滅在萌芽狀態(tài)。(5)煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)向綜合化方向發(fā)展全礦井綜合監(jiān)控系統(tǒng)是一種可用于環(huán)境安全、軌道運輸、皮帶運輸、提升運輸、供電系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、礦山壓力、煤與瓦斯突出、自燃發(fā)火、大型機電設備的運行狀況等多方面綜合監(jiān)控的系統(tǒng)，既可用于某一單方面的監(jiān)控，又可實現(xiàn)全面綜合監(jiān)控。(3)煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)智能化主要是指傳感器的智能化，如不斷推出的具有自動校正、靈敏度自動補償、非線性自動補償等功能的智能傳感器。(