基于PLC的礦井通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)設(shè)計及組態(tài)監(jiān)控

1、 本科畢業(yè)論文（設(shè)計）論文題目：基于PLC的礦井通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)設(shè)計及其組態(tài)監(jiān)控姓名：駱師星 學(xué)號：133001010305 班級：1303班 年級：13級 專業(yè)：電氣工程及其自動化 學(xué)院：信息工程學(xué)院 指導(dǎo)教師：劉靜（副教授） 完成時間：2017.4.2 武昌工學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計）專用稿紙 作者聲明本畢業(yè)論文（設(shè)計）是在導(dǎo)師的指導(dǎo)下由本人獨(dú)立撰寫完成的，沒有剽竊、抄襲、造假等違反道德、學(xué)術(shù)規(guī)范和其他侵權(quán)行為。對本論文（設(shè)計）的研究做出重要貢獻(xiàn)的個人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。因本畢業(yè)論文（設(shè)計）引起的法律結(jié)果完全由本人承擔(dān)。畢業(yè)論文（設(shè)計）成果歸武昌工學(xué)院所有。特此聲明。 作者專業(yè)： 電

2、氣工程自動化 作者學(xué)號： 133001010305 作者簽名： 2017年4月2日 基于PLC的礦井通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)設(shè)計及組態(tài)監(jiān)控The Design of Mine Ventilator System And Configuration Monitoring Based on PLC 2017年4月2日武昌工學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計）專用稿紙摘 要煤礦的安全生產(chǎn)中，礦井通風(fēng)系統(tǒng)起著極其重要的作用，它是煤礦安全生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。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)速系統(tǒng)的設(shè)計和研究，不僅可以大大提高煤礦生產(chǎn)的機(jī)械化、自動化水平，還能節(jié)省大量的電能，具有較高的經(jīng)濟(jì)效益

3、。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。本文以一臺礦用對旋軸流風(fēng)機(jī)為控制對象，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)，對礦井通風(fēng)機(jī)進(jìn)行了PLC控制的狀態(tài)監(jiān)測和變頻調(diào)速的設(shè)計和研究。監(jiān)控系統(tǒng)采用上位機(jī)加下位機(jī)的設(shè)計模式。下位機(jī)采用可靠性高的可編程邏輯控制器，通過各種傳感器和電量采集單元實(shí)時監(jiān)測通風(fēng)機(jī)的性能參數(shù)和狀態(tài)參數(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發(fā)的KINGVIEW6.52組態(tài)軟件編寫人機(jī)界面，將風(fēng)機(jī)工作流程以直觀的畫面顯示出來，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和顯示、關(guān)鍵數(shù)據(jù)的記錄和報警、生產(chǎn)數(shù)據(jù)的存儲和報表輸出、為操作員提供良好的操作界面，完

4、成了風(fēng)機(jī)房的無人值守自動化監(jiān)控和管理的設(shè)計和改造。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。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。同時本文還研究了風(fēng)量調(diào)節(jié)的算法。 關(guān)鍵詞：PLC控制；變頻調(diào)速技術(shù)；礦井通風(fēng)機(jī)1AbstractIn the process of coal mine safety production. The mine ventilator is one of the main equipment of mine ventilation system, th

5、us to variable frequency speed control system of PLC control design and research, not only can greatly improve the level of mechanization and automation of production in coal mine, still can save a lot of electricity, has high economic benefit.Mainly include the monitoring and control system for coa

6、l mine main ventilator performance test fan and fan air volume adjustment control two parts. In this paper, a mine for screw axial flow fan as control object, and combining with PLC control technology and frequency conversion speed regulation technology and configuration monitoring technology, PLC c

7、ontrol for mine fan design and research of condition monitoring and frequency control of motor speed.Monitoring system consists of upper machine and lower machine design patterns. Under a machine adopts high reliability of the programmable logic controller, through a variety of sensors and power acq

8、uisition unit for real-time monitoring the ventilator's performance parameters and status parameters and electrical parameters of the motor and can realize remote communication. PC application of Beijing and control technology development KINGVIEW6.52 configuration software to write the man-mach

9、ine interface, the fan working process in the form of intuitive screen display, data acquisition and display, key data record and alarm, data storage and report output production, to provide good interface to the operator, completed the wind room unattended automation monitoring and management of th

10、e design and transformation.In a variable air volume system, mainly compares the damper adjustment and frequency conversion adjustment, show that the inverter control system can not only make the fan work in high efficient area, and its energy saving effect is better than other adjustment methods, h

11、as the very important application prospect. Fan regulation control motor speed is controlled by PLC + inverter air volume control. At the same time, this paper also studied the air volume adjustment algorithm. Keywords: PLC control; Frequency Control of Motor Speed Technology; Mine Ventilator 31武昌工學(xué)

12、院本科畢業(yè)論文（設(shè)計）專用稿紙目 錄摘 要IAbstractII1 引 論42 系統(tǒng)構(gòu)成及各部分功能52.1礦井主扇風(fēng)機(jī)52.2 PLC概述73通信網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)83.1風(fēng)機(jī)自動化監(jiān)控系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)83.2基于現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)的控制系統(tǒng)93.2.2現(xiàn)場總線與以太網(wǎng)的互連94系統(tǒng)的硬件設(shè)計114.1系統(tǒng)硬件連接114.2主電路114.3控制電路的設(shè)計114.4 器件的選型144.5變頻器與PLC的連接154.6風(fēng)量的控制算法165主通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計195.1 PLC軟件設(shè)計195.2組態(tài)軟件設(shè)計235.2.3 PLC控制變頻器調(diào)速系統(tǒng)主界面25結(jié) 語27致  

13、0; 謝28主要參考文獻(xiàn)29附 錄30341 引 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。由于井下工作環(huán)境惡劣，主通風(fēng)機(jī)工作電壓較高，電流較大，出現(xiàn)故障的概率也較大。一旦發(fā)生故障，將會對整個礦區(qū)的生產(chǎn)和安全造成重大影響。因此，有必要建立一套功能完善的自動監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)礦井主通風(fēng)機(jī)性能及狀態(tài)的在線實(shí)時監(jiān)測，以便在生產(chǎn)過程中及時掌握主通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行參數(shù)和狀態(tài)，這也是主通風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展方向。據(jù)統(tǒng)計，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。隨著煤礦生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大、生產(chǎn)效率的提高，井下通風(fēng)系統(tǒng)對通風(fēng)設(shè)備的監(jiān)測監(jiān)控

14、也必須提出了更高的要求。利用設(shè)備在線監(jiān)測監(jiān)控等相關(guān)技術(shù)，實(shí)時調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，及早發(fā)現(xiàn)故障隱患十分必要。高壓變頻技術(shù)、智能控制技術(shù)、傳感器技術(shù)、現(xiàn)場總線技術(shù)以及工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的迅速發(fā)展，為滿足煤礦生產(chǎn)的上述要求提供了可能。本監(jiān)控系統(tǒng)就是在此背景下提出的。2 系統(tǒng)構(gòu)成及各部分功能本論文設(shè)計的礦井主扇風(fēng)機(jī)的監(jiān)控包括風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測和風(fēng)機(jī)風(fēng)量的調(diào)節(jié)兩部分。本系統(tǒng)中風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測以工控領(lǐng)域的可編程控制器(PLC)和組態(tài)軟件為核心，以標(biāo)準(zhǔn)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(shè)備構(gòu)建整個監(jiān)控系統(tǒng)。通過的煤礦主通風(fēng)機(jī)的計算機(jī)監(jiān)控管理系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了通風(fēng)機(jī)的計算機(jī)實(shí)時監(jiān)控以及通

15、風(fēng)機(jī)房與工業(yè)以太網(wǎng)和煤礦安全監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的信息共享。風(fēng)機(jī)風(fēng)量的調(diào)節(jié)中引入變頻器對風(fēng)機(jī)風(fēng)速的調(diào)節(jié)，據(jù)所需風(fēng)量和風(fēng)壓大小通過變頻器來調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速在節(jié)能和提高風(fēng)機(jī)效率方面具有無與倫比的優(yōu)點(diǎn)，還能實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的軟啟動和保護(hù)等要求。2.1礦井主扇風(fēng)機(jī)2.1.1礦井主扇風(fēng)機(jī)概述礦井通風(fēng)機(jī)按結(jié)構(gòu)來分，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)。軸流通風(fēng)機(jī)是氣體沿軸向進(jìn)入旋轉(zhuǎn)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(fēng)機(jī)。在兩級的軸流通風(fēng)機(jī)中，有一種性能比較好的軸流通風(fēng)機(jī)對旋式軸流通風(fēng)機(jī)，它的一個葉輪裝在另一個葉輪的后面，同時兩個葉輪的旋轉(zhuǎn)方向彼此相反。它具有結(jié)構(gòu)尺寸短，效率高

16、，反風(fēng)性能好的特點(diǎn)。目前礦井中主扇風(fēng)機(jī)大部分采用對旋式軸流風(fēng)機(jī)。本論文中采用某實(shí)驗(yàn)風(fēng)機(jī)，其技術(shù)參數(shù)如下表2.1所示：表2.1 技術(shù)參數(shù)風(fēng)機(jī)基本性能參數(shù)轉(zhuǎn)速（r/min）風(fēng)量（/h）全壓（Pa）效率（%）直徑（mm）29005400-90001200-240085.5400配用電機(jī)基本參數(shù)型號轉(zhuǎn)速（r/min）功率（Kw）額定電壓（V）額定電流（A）Y112M229004×23808.52.1.2風(fēng)機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)1.風(fēng)量單位時間內(nèi)通風(fēng)機(jī)吸入的氣體的體積稱為通風(fēng)機(jī)的風(fēng)量，以Q表示，單位為m/2.風(fēng)壓在通風(fēng)中所稱的風(fēng)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

17、Pa。1)靜壓通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中單位體積流體所具有的壓力能量，即為氣體的靜壓力，以表示，在實(shí)際的通風(fēng)網(wǎng)路中，通風(fēng)截面一般不是很大，可以忽略同一截面上任意兩地之間氣體的位能之差，因此在緩變流條件下，同一過流截面上個點(diǎn)的靜壓值可以認(rèn)為相等。2)全壓氣流中某一點(diǎn)的滯止壓力，亦是該點(diǎn)靜壓和動壓的代數(shù)和，以表示：=3功率通風(fēng)機(jī)的功率分為軸功率和有效功率。軸功率是指原動機(jī)傳遞給通風(fēng)機(jī)軸上的功率，有功功率是指風(fēng)機(jī)在單位時間內(nèi)對氣體做的有用功，通風(fēng)機(jī)的全壓有效功率用下式計算:=通風(fēng)機(jī)全壓有效功率，kW；通風(fēng)機(jī)的全壓，Pa；通風(fēng)機(jī)的風(fēng)量，m/。若通風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓用靜壓表示，則通風(fēng)機(jī)靜壓有效功率可用下式計算:=式中:通風(fēng)機(jī)靜

18、壓有效功率，kW。4效率效率是全壓有效功率或靜壓有效功率與軸功率的比值，前者稱為全壓效率，后者稱為靜壓效率，計算公式如下：式中,通風(fēng)機(jī)的全壓效率和靜壓效率；N通風(fēng)機(jī)的軸功率，kW。5轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速是指通風(fēng)機(jī)在單位時間內(nèi)的實(shí)際轉(zhuǎn)數(shù)，以n表示，單位為r/min。2.2 PLC概述國際電工委員會(IEC)對PLC的定義是：可編程邏輯控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，是用來取代電機(jī)控制的順序繼電器電路的一種器件，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計。它采用一種可編程的存儲器，用于其內(nèi)部存儲程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算，順序控制，定時，計數(shù)和算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字式或模擬式輸入輸出來控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。

19、3通信網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)3.1風(fēng)機(jī)自動化監(jiān)控系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)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(shí)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(yùn)行的自動控制和監(jiān)控設(shè)備本身的運(yùn)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PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線實(shí)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(yùn)行狀態(tài)(運(yùn)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

20、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(shí)現(xiàn)監(jiān)控風(fēng)機(jī)系統(tǒng)運(yùn)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3.1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)3.2基于現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)的控制系統(tǒng)3.2.1現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)和以太網(wǎng)技術(shù)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(yùn)行，其功能必須涵蓋通風(fēng)機(jī)電動機(jī)啟停控制、風(fēng)門的開合、風(fēng)量調(diào)節(jié)、各項(xiàng)運(yùn)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

21、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。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(shí)現(xiàn)PLC與PLC之間，PLC與PC機(jī)之間的通信。3.2.2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)?；ミB模型如圖3.2所示：圖3.2 現(xiàn)場總線與以太網(wǎng)互聯(lián)3.2

22、.3網(wǎng)絡(luò)的具體實(shí)現(xiàn)方法本系統(tǒng)現(xiàn)場總線采用PROFIBUS-DP總線。PROFIBUS-DP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PROFIBUS-DP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9.6kbit/s到12Mbit/s。S7-200 PLC可以通過EM277 PROFIBUS-DP通信模塊連接到PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)中。同時本系統(tǒng)中采用CP243-1 以太網(wǎng)通信模塊將S7-200 PLC連接到工業(yè)以太網(wǎng)中。借助于CP243-1，S7-200可以

23、用于遠(yuǎn)程組態(tài)，編程和診斷。4系統(tǒng)的硬件設(shè)計4.1系統(tǒng)硬件連接系統(tǒng)的硬件連接見附錄1。4.2主電路主電路中MA1，MA2為對旋式軸流風(fēng)機(jī)的兩臺電機(jī)，交流接觸器QA4、QA6分別控制MA1、MA2的工頻運(yùn)行；交流接觸器QA3、QA5分別控制MA1、MA2的變頻運(yùn)行；QA1為主電路電源的隔離開關(guān)；FA為主電路的熔斷器；BB1、BB2為電機(jī)MA1、MA2的熱繼電器。圖4.1 主電路圖4.3控制電路的設(shè)計在風(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。控制系統(tǒng)采用Siemens S7-200系列CPU22

24、6，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P(yáng)LC控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)手動工頻、自動變頻和手動變頻運(yùn)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(yùn)行。在風(fēng)機(jī)自動變頻運(yùn)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(yùn)行；按鈕SB1控制風(fēng)機(jī)的手動變頻運(yùn)行；按鈕SF2控制風(fēng)機(jī)的工頻運(yùn)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；PG1、PG3分別為MA1、MA2變頻運(yùn)行指示燈；PG2、PG4分別為MA1、MA2工頻運(yùn)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

25、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。圖4.2 控制電路系統(tǒng)的I/O地址分配如下表所示：表4.1 I/O 地址分配名稱代碼地址編碼輸入信號自動變頻按鈕SF0I0.0手動變頻按鈕SF1I0.1工頻運(yùn)行切換按鈕SF2I0.2停止運(yùn)行按鈕SF3I0.3變頻器1故障輸入1RL1I0.4變頻器2故障輸入2RL1I0.5試燈鈴按鈕SF4I1.0消鈴按鈕SF5I1.1振動變送器輸入TFAIW0負(fù)壓傳感器輸入BP1AIW2壓力傳感器輸入BP2AIW41#電機(jī)定子溫度輸入BT1AIW61#電機(jī)軸承

26、溫度輸入BT2AIW82#電機(jī)定子溫度輸入BT3AIW102#電機(jī)軸承溫度輸入BT4AIW12名稱代碼地址編碼輸出信號1#風(fēng)機(jī)變頻運(yùn)行接觸器指示燈QA4，PG1Q0.01#風(fēng)機(jī)工頻運(yùn)行接觸器指示燈QA3，PG2Q0.12#風(fēng)機(jī)變頻運(yùn)行接觸器指示燈QA6，PG3Q0.22#風(fēng)機(jī)工頻運(yùn)行接觸器指示燈QA5，PG4Q0.3變頻器1啟動1DIN1Q0.4變頻器1故障復(fù)位1DIN3Q0.5變頻器2啟動2DIN1Q0.6變頻器2故障故障復(fù)位2DIN3Q0.7變頻器故障信號燈PG5Q1.01#電機(jī)振動異常指示燈PG6Q1.12#電機(jī)振動異常指示燈PG8Q1.2井巷壓力下限指示燈PG8Q1.31#電機(jī)溫度上限

27、指示燈PG9Q1.42#電機(jī)溫度上限指示燈PG10Q1.5報警電鈴PBQ1.6風(fēng)壓模擬量輸出-AQW04.4 器件的選型4.4.1PLC的選型在進(jìn)行PLC型號的選擇時，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，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(diǎn)；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PP

28、I/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(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Siemens公司S7-200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。同時由于本系統(tǒng)要求100230V AC電源， DC24V輸入，繼電器輸出，選擇CPU226中ES7 216-2BD23-0XB0型號。CPU系統(tǒng)配置具體如下：表4.2 CPU單元選型功能型號數(shù)量主

29、控單元CPU226 AC/DC/RELAY1模擬量擴(kuò)展EM235 4AI/1DOEM231 4AI11通訊模塊擴(kuò)展以太網(wǎng)CP243-1EM227114.4.2變頻器的選型1.變頻器的容量選擇風(fēng)機(jī)在某一轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時,其阻轉(zhuǎn)矩一般不會發(fā)生變化,只要轉(zhuǎn)速不超過額定值,電動機(jī)也不會過載,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)動的電動機(jī)容量相同即可。若考慮更大的余量,也可以選擇比電動機(jī)容量大一個級別的變頻器,但價格要高出不少2.變頻器的運(yùn)行控制方式選擇風(fēng)機(jī)采用變頻調(diào)速控制后,操作人員可以通過調(diào)節(jié)安裝在工作臺上的按鈕或電位器調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速,操作十分簡易方便。變頻器

30、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，阻轉(zhuǎn)矩很小，不存在低頻時帶不動負(fù)載的問題，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，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)中選用的是兩臺型號為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7.5kW至250kW。它按照專用要求設(shè)計，并使用

31、內(nèi)部功能互聯(lián)（BiCo）技術(shù)，具有高度可靠性和靈活性。控制軟件可以實(shí)現(xiàn)專用功能：多泵切換、手動/自動切換、旁路功能、斷帶及缺水檢測、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。4.5變頻器與PLC的連接圖4.3 變頻器與PLC的連接圖4.3中變頻器的故障信號輸出接PLC的I0.4端口，PLC的輸出端口Q0.4與Q0.5接變頻器的數(shù)字輸入端DIN1和DIN3，用于變頻器啟動和停止控制。壓力傳感器采集的信號經(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)而控制兩臺電機(jī)的運(yùn)行。 4.6風(fēng)量的控制算法4.

32、6.1變頻器輸入值計算上面提到：當(dāng)通風(fēng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時，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，在穩(wěn)定工作區(qū)的出氣靜壓為88.2一2296.0Pa，風(fēng)機(jī)管道的出氣風(fēng)量為1.50-2.66/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4m3/s，如設(shè)定為5m3/min，可計算出要求風(fēng)機(jī)管道的出氣風(fēng)量為 Q=1.6m3/s。令=2900r/min，=2.66m3/s，=50Hz，=1.60m3/s，根據(jù)風(fēng)機(jī)的比例定律，可

33、求出掘進(jìn)巷道開始掘進(jìn)時，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性關(guān)系，可估算出=1.60m3/s時，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，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)速下的壓力。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1.6m3/s

34、時，風(fēng)機(jī)需要調(diào)整的轉(zhuǎn)速大小。由于變頻器0-10V的模擬輸入電壓對應(yīng) 0-50Hz的輸出電壓頻率，而050Hz的電壓頻率又對應(yīng)風(fēng)機(jī)0-2900r/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，變頻器需要的模擬輸入電壓值。其具體的理論算法如下圖4.4所示。圖4.4 風(fēng)機(jī)及管網(wǎng)風(fēng)量-風(fēng)壓特性曲線風(fēng)機(jī)在剛開始啟動時，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。由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可知此工況點(diǎn)的風(fēng)量=1.60m3/s，風(fēng)壓=33.8Pa，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性關(guān)系，可知=30HZ時，對應(yīng)變頻器的模擬輸入電

35、壓=30/5010=6.0V。當(dāng)風(fēng)機(jī)的管網(wǎng)阻力由增加到，時，工況點(diǎn)由0到1，風(fēng)量由減小到。此時，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。 (4-1)式中： ，工況點(diǎn)1、3時出氣風(fēng)壓，Pa； ，工況點(diǎn)1、3時風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min； ，工況點(diǎn)1、3時變頻器輸出電壓頻率，HZ； ，工況點(diǎn)1、3時變頻器輸入模擬電壓，V。 (4-2)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=，=，=，是由壓力傳感器測得的。根據(jù)風(fēng)機(jī)工頻的P-Q特性曲線方程把由式(4-2)求得的代入，可求得此壓力對應(yīng)的風(fēng)量到設(shè)定的1.60/s時，需要給變頻器的模

36、擬輸入電壓。最后，把由(4-2)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1.60m3/s。同理，當(dāng)風(fēng)機(jī)的管網(wǎng)阻力再變化時，根據(jù)采集的風(fēng)壓大小，依據(jù)此算法即可及時地調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，控制風(fēng)機(jī)的風(fēng)量。4.6.2 U-P和Q-P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，理論計算出不同出氣風(fēng)壓對應(yīng)的變頻器模擬輸入電壓值，然后對這些理論數(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)

37、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應(yīng)的風(fēng)量值，對理論計算數(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)計主通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計包括PLC軟件設(shè)計和組態(tài)軟件設(shè)計兩部分。5.1 PLC軟件設(shè)計PLC軟件部分用STEP7-Micro/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1、電機(jī)軸承，定子溫度采樣求平均值子程序2、振動傳感器采樣求平均值子程序3、風(fēng)壓采樣及模擬輸入電壓和風(fēng)量計算子程序4、變頻器模擬輸入電壓中斷程序0以及報警中斷程序。主控制程序用來控制風(fēng)機(jī)的自動變頻、手動變頻和工頻運(yùn)行、子程序的調(diào)用和中斷時間的設(shè)置，以及實(shí)現(xiàn)電機(jī)溫度超限報警、變頻器

38、和風(fēng)機(jī)故障報警、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，先判斷風(fēng)機(jī)是否自動變頻運(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模塊連接有錯誤，則程序結(jié)束；如果檢查EM235和EM231模塊連接無錯誤，則調(diào)用子程序2、3、4采集電機(jī)定子軸承溫度，振動參數(shù)和風(fēng)機(jī)的管網(wǎng)壓力大小。然后根據(jù)設(shè)置的定時中斷時間，定時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)是否振動異常。若都不，則把根據(jù)采集風(fēng)壓計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)行自動變頻運(yùn)行時，判斷其是否

39、手動變頻運(yùn)行。若是，則程序開始執(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。5.1.1主控制程序流程圖5.1 主程序流程圖5.1.2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)量計算系數(shù)初始化、振動參數(shù)采樣初始化等。當(dāng)主控制程序在開始執(zhí)行時，若風(fēng)機(jī)處于自動變頻運(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，用戶電源是否有錯。若有錯，則控制系統(tǒng)的主程序立即結(jié)束；若無錯，則進(jìn)行子程序2、3和4的調(diào)用。子程序0和子程序1的程序流程如圖5.2所示

40、。圖5.2 子程序0與子程序1流程圖5.1.3子程序2和3程序流程子程序2和3的程序流程如圖5.3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似。而子程序3則是用來采集軸承的振動參數(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)，軸承振動是否異常，進(jìn)而判斷是否報警或進(jìn)行斷電處理。圖5.3 子程序2與子程序3流程圖5.1.4子程序4程序流程子程序4用來從壓力傳感器中采集風(fēng)壓信號，并把每次采集的數(shù)值進(jìn)行累加，次數(shù)達(dá)到1000次時，求其平

41、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0-32000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。然后，根據(jù)風(fēng)量達(dá)到1.6/s時變頻器需要的模擬輸入電壓值與出氣風(fēng)壓的擬合方程，求出此風(fēng)壓對應(yīng)的模擬輸入電壓值。同時，根據(jù)采集風(fēng)壓轉(zhuǎn)換到工頻風(fēng)壓所對應(yīng)的風(fēng)量與采集風(fēng)壓的擬合方程，求出此風(fēng)壓對應(yīng)的風(fēng)量。其程序的流程如圖5.4所示。圖5.4 子程序4流程圖5.1.5中斷子程序滿足風(fēng)量要求的模擬輸入電壓值為子程序4中計算的模擬電壓值，把計算所得的模擬電壓值轉(zhuǎn)換成0-32000之間的數(shù)字量，送給PLC模擬量模塊的輸出端AIWO，輸出給

42、變頻器的模擬量控制端子，對風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速控制。中斷子程序流程圖略。5.2組態(tài)軟件設(shè)計組態(tài)軟件選用北京亞控公司的KINGVIEW 6.52。組態(tài)王6.52是一個具有豐富功能HMI/SCADA軟件，可用于工業(yè)自動化的過程控制和管理監(jiān)控。組態(tài)王6.52為系統(tǒng)工程師提供了集成、靈活、易用的開發(fā)環(huán)境和廣泛的功能，能夠快速建立、測試和部署自動化應(yīng)用，來連接、傳遞和記錄實(shí)時信息。5.2.1KINGVIEW 6.52操作界面組態(tài)王軟件開始需要新建工程，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)”兩個界面。運(yùn)用組態(tài)王自帶的圖庫搭建界面圖形。5.2.2煤礦主通風(fēng)機(jī)在線監(jiān)測系統(tǒng)主界面煤礦主通風(fēng)機(jī)在

43、線監(jiān)測系統(tǒng)主界面如圖5.5所示。主界面實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的在線監(jiān)控功能，通過PLC與上位工控機(jī)的通信，實(shí)現(xiàn)礦井通風(fēng)系統(tǒng)的無人值守。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，振動參數(shù)的實(shí)時顯示，以及電機(jī)的三相電壓，電流，功率等。同時含有趨勢曲線，報警窗口，報表查詢等選項(xiàng)。圖5.5 煤礦主通風(fēng)機(jī)在線監(jiān)測系統(tǒng)主界面5.2.3 PLC控制變頻器調(diào)速系統(tǒng)主界面圖5.5 PLC控制變頻器調(diào)速系統(tǒng)主界面變頻調(diào)速主界面中包含電機(jī)的啟動，停止按鈕，以及電機(jī)的變頻/工頻運(yùn)行按鈕，故障復(fù)位，報警解除按鈕以及對應(yīng)的指示燈。用以實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的遠(yuǎn)程變頻調(diào)控和故障報警等功能。結(jié) 語本論文通過下位機(jī)與上位機(jī)的組合

44、，完成了礦井通風(fēng)機(jī)的在線監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)通風(fēng)機(jī)房的無人值守。同時，本文引入變頻器實(shí)現(xiàn)對風(fēng)機(jī)的變頻調(diào)速，不僅節(jié)省電能，提高了風(fēng)機(jī)的工作效率，同時還能實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的軟啟動及風(fēng)機(jī)的無級平滑調(diào)速。文章中，根據(jù)風(fēng)機(jī)的壓力-流量曲線提出了風(fēng)機(jī)變頻運(yùn)行時，根據(jù)壓力傳感器檢測的風(fēng)量，計算變頻器的輸入電壓值。最后，本論文給出了設(shè)計流程圖。致    謝這次的設(shè)計和論文是在各位老師的悉心指導(dǎo)下完成的。你們嚴(yán)肅的科學(xué)態(tài)度，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)精神，精益求精的工作作風(fēng)，深深地感染和激勵著我。從課題的選擇到項(xiàng)目的最終完成，你們都始終給予我細(xì)心的指導(dǎo)和不懈的支持。在此謹(jǐn)向老師們致以誠摯的謝意和崇高的敬意。感謝武昌工學(xué)院來對我的大力栽培；感謝大學(xué)所有的老師給予我諄諄教誨，為我打下堅實(shí)的知識基礎(chǔ)；同時還要感謝所有同學(xué)們。撰寫論文也使我的知識體系也在不斷地拓展和成熟，希望在未來的工作和生活過程中，亦能一直保持不斷的學(xué)習(xí)，不斷的完善自我，走向成熟。最后，希望在以后的學(xué)習(xí)和研究中能以更加優(yōu)異的成績來答謝所有關(guān)心和幫助過我的老師和同學(xué)！再次謝謝您們！武昌工學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計）專用稿紙主要參考文獻(xiàn)1 王永華.現(xiàn)代電氣控制及PLC應(yīng)用技術(shù)(第二版)M.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.22 全國煤