XXX學(xué)院2023屆本科畢業(yè)論文〔設(shè)計(jì)〕論文題目：基于PLC的離心風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)學(xué)生姓名：XXX所在院系：機(jī)電學(xué)院所學(xué)專業(yè)：應(yīng)用電子技術(shù)教育043導(dǎo)師姓名：XXX完成時間：2023年05月20日摘要在最近幾年，PLC以其諸多優(yōu)異特點(diǎn)獲得廣泛的使用，在工業(yè)先進(jìn)國家已成為工業(yè)控制的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備。它專為工業(yè)控制而設(shè)計(jì)，集電氣、儀表、控制三電于一體，是實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化的理想控制設(shè)備。本系統(tǒng)將PLC與變頻器有機(jī)地結(jié)合起來，采用以礦井氣壓壓力為主控參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對離心風(fēng)機(jī)工作過程和運(yùn)轉(zhuǎn)速度的有效控制，使礦井通風(fēng)機(jī)通風(fēng)高效、平安，到達(dá)了明顯的節(jié)能效果。PLC控制系統(tǒng)具有對驅(qū)動風(fēng)機(jī)的電機(jī)過熱保護(hù)、故障報(bào)警、機(jī)械故障報(bào)警和瓦斯?jié)舛葦嚯姷裙δ芴攸c(diǎn)，為煤礦礦井通風(fēng)系統(tǒng)的節(jié)能技術(shù)改造提供一條新途徑。關(guān)鍵詞：礦井，離心通風(fēng)機(jī)，PLC，變頻器PLCbasedonthecentrifugalfanVVVFControlSystemDesignAbstractInrecentyears,PLCalotofthecharacteristicsofitswideuse,intheindustriallyadvancedcountrieshavebecomethestandardindustrialcontrolequipment.Itisspecificallydesignedforindustrialcontrol,setelectrical,instrumentation,controlthree-inone,istoachievetheidealofmechanicalandelectricalintegrationofcontrolequipment.ThePLCandinvertersystemwillcombinetheuseofpneumaticpressuretominetheparametersforthemastertoachievetheprocessofcentrifugalfanspeedandoperationofeffectivecontrol,sothatefficientmineventilationfan,security,achieveasignificantenergy-savingeffect.PLCcontrolsystemwiththeelectricfantodriveover-temperatureprotection,faultalarm,mechanicalbreakdownandgasalarmfeatures,suchastheconcentrationofpower,coalmineventilationsystemforenergy-savingtechnologytoprovideanewway.Keywords:Mine；CentrifugalFan；PLC；Inverter目錄1緒論12系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制方案22.1系統(tǒng)的設(shè)計(jì)功能22.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和方案23系統(tǒng)硬件構(gòu)成及各局部功能43.1PLC可編程控制器局部43.1.1PLC概述43.1.2PLC外部I/O連接53.2變頻調(diào)速的根底知識73.3模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊83.4離心風(fēng)機(jī)83.5變頻器的選型和容量確實(shí)定94系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)104.1硬件電路104.2系統(tǒng)控制電路設(shè)計(jì)115軟件設(shè)計(jì)125.1瓦斯?jié)舛瓤刂凭植?35.2壓力控制局部145.3溫度控制局部166結(jié)束語17致謝18參考文獻(xiàn)18附圖總程序191緒論隨著電子技術(shù)和微電子技術(shù)的迅速開展，PLC和變頻器正成為通用、廉價(jià)和性能可靠的控制和驅(qū)動設(shè)備，得到廣泛的應(yīng)用。由PLC控制的變頻調(diào)速離心風(fēng)機(jī)的通風(fēng)系統(tǒng)，具有較高的可靠性和較好的節(jié)能效果，易于組建成整體的自控系統(tǒng)，很方便地實(shí)現(xiàn)各種控制切換和遠(yuǎn)程監(jiān)控，本文通過一個實(shí)例——基于離心風(fēng)機(jī)的礦井通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行分析。煤礦礦井通風(fēng)系統(tǒng)是煤礦礦井平安生產(chǎn)的重要組成局部，煤礦礦井通風(fēng)系統(tǒng)能否正常工作與礦井內(nèi)工作環(huán)境條件、生產(chǎn)效率、平安生產(chǎn)密切相關(guān)。隨著我國政府對各行各業(yè)平安生產(chǎn)監(jiān)管力度的不斷加強(qiáng)，尤其對煤礦平安生產(chǎn)的要求越來越高，對煤礦礦井通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造，提高其運(yùn)行穩(wěn)定性、可靠性、節(jié)能降耗等勢在必行。目前煤礦礦井通風(fēng)系統(tǒng)中，大多仍采用繼電、接觸器控制系統(tǒng)，但這種控制系統(tǒng)存在著體積大、機(jī)械觸點(diǎn)多、接線復(fù)雜、可靠性低、排除故障困難等很多的缺陷；且因工作通風(fēng)機(jī)一直高速運(yùn)行，備用通風(fēng)機(jī)停止，不能輪休工作，易使工作通風(fēng)機(jī)產(chǎn)生故障，降低使用壽命。針對這一系列問題，本系統(tǒng)將PLC與變頻器有機(jī)地結(jié)合起來，采用以礦井氣壓壓力為主控參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對電動機(jī)工作過程和運(yùn)轉(zhuǎn)速度的有效控制，使礦井中用的離心通風(fēng)機(jī)通風(fēng)高效、平安，到達(dá)了明顯的節(jié)能效果。PLC控制系統(tǒng)具有對驅(qū)動風(fēng)機(jī)的電機(jī)過熱保護(hù)、故障報(bào)警、機(jī)械故障報(bào)警和瓦斯?jié)舛葦嚯姷裙δ芴攸c(diǎn)，為煤礦礦井通風(fēng)系統(tǒng)的節(jié)能技術(shù)改造提供一條新途徑。2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制方案2.1系統(tǒng)的設(shè)計(jì)功能本控制系統(tǒng)具有離心通風(fēng)機(jī)組的啟動、互鎖和過熱保護(hù)等功能。與常規(guī)繼電器實(shí)施的通風(fēng)系統(tǒng)相比，PLC系統(tǒng)具有故障率低、可靠性高、接線簡單、維護(hù)方便等諸多優(yōu)點(diǎn)，PLC的控制功能使通風(fēng)系統(tǒng)的自動化程度大大提高，減輕了崗位人員的勞動強(qiáng)度。PLC和變頻器與空氣壓力變送器配合使用，使系統(tǒng)控制的平安性、可靠性大大提高，也使通風(fēng)機(jī)運(yùn)行的故障率大大降低，不僅節(jié)約了電能，而且還提高了設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)率。為滿足礦井通風(fēng)系統(tǒng)自動控制的要求，系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)要求如下：〔1〕本系統(tǒng)提供手動／自動兩種工作模式，具有狀態(tài)顯示以及故障報(bào)警等功能。〔2〕模擬量壓力輸入經(jīng)PID運(yùn)算，輸出模擬量控制變頻器?！?〕在自動方式下，當(dāng)井下壓力低于設(shè)定壓力下限時，兩組風(fēng)機(jī)將同時投入工作運(yùn)行，同時并發(fā)出指示和報(bào)警信號?！?〕模擬量瓦斯輸入，當(dāng)?shù)V井瓦斯?jié)舛却笥谠O(shè)定報(bào)警上限時，發(fā)出指示和報(bào)警。當(dāng)瓦斯?jié)舛却笥谠O(shè)定斷電上限時，PLC將切斷工作面和風(fēng)機(jī)組電源，防止瓦斯爆炸。〔5〕運(yùn)用溫度傳感器測定風(fēng)機(jī)組定子溫度或軸承溫度，當(dāng)定子溫度或軸承溫度超過設(shè)定報(bào)警上線時，發(fā)出指示和報(bào)警信號。當(dāng)定子溫度或軸承溫度超過設(shè)定風(fēng)機(jī)組轉(zhuǎn)換溫度界線時，PLC將切斷指示和報(bào)警信號并自動切斷當(dāng)前運(yùn)行風(fēng)機(jī)組，在自動方式下并能自動接入另一臺風(fēng)機(jī)組運(yùn)行，假設(shè)在手動方式下，工作人員手動切換[1]?！?〕為防止離心風(fēng)機(jī)的疲勞運(yùn)行，在任何狀態(tài)下，風(fēng)機(jī)在累計(jì)運(yùn)行設(shè)定時間后都會自動切換至另一臺風(fēng)機(jī)組運(yùn)行。2.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和方案通風(fēng)控制系統(tǒng)主要由2臺離心風(fēng)機(jī)組成，每臺離心風(fēng)機(jī)有兩臺電機(jī)，每臺電機(jī)驅(qū)動一組扇片，兩組扇片是對旋的，一組用于吸風(fēng)，一組為增加風(fēng)速，對井下進(jìn)行供風(fēng)。根據(jù)井下用風(fēng)量的不同，采用不同型號的風(fēng)機(jī)。本設(shè)計(jì)以風(fēng)機(jī)2×45kW為例，選用一臺S72200PLC、空氣壓力傳感器和變頻器等組成一個完整的閉環(huán)控制系統(tǒng)。其中還包括接觸器、中間繼電器、熱繼電器、礦用防爆型磁力啟動器、斷路器等系統(tǒng)保護(hù)電器，實(shí)現(xiàn)對電機(jī)和PLC的有效保護(hù)，以及對電機(jī)的切換控制。plcplc控制器氣壓給定瓦斯?jié)舛冉o定顯示局部報(bào)警局部電控局部變頻器1變頻器2機(jī)組1機(jī)組2空氣壓力傳感器瓦斯?jié)舛葌鞲衅鞯V井圖1通風(fēng)控制系統(tǒng)方案圖本PLC控制系統(tǒng)具有對通風(fēng)機(jī)的電動機(jī)啟動與運(yùn)行，進(jìn)行監(jiān)控、聯(lián)鎖和過熱保護(hù)等功能。PLC與空氣壓力變送器配合使用，使系統(tǒng)控制的平安性、可靠性大大提高，也使通風(fēng)機(jī)運(yùn)行的故障率大大降低，提高了設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)率[2]。為滿足煤礦礦井通風(fēng)系統(tǒng)自動控制的要求，設(shè)計(jì)如下的控制方案：本系統(tǒng)提供手動/自動兩種工作模式，具有現(xiàn)場控制方式、狀態(tài)顯示以及故障報(bào)警等功能。在手動方式下，通風(fēng)機(jī)通過開關(guān)進(jìn)行控制，不受礦井內(nèi)氣壓的影響。為防止通風(fēng)機(jī)疲勞運(yùn)行，在任何狀態(tài)下風(fēng)機(jī)在累計(jì)運(yùn)行設(shè)定時間后要切換至另一臺風(fēng)機(jī)運(yùn)行。A組離心通風(fēng)機(jī)與B組離心通風(fēng)機(jī)可由二位開關(guān)轉(zhuǎn)換。循環(huán)次數(shù)及定時時間可根據(jù)需要隨機(jī)設(shè)定。報(bào)警信號均為聲光形式，聲報(bào)警(電笛)可用按鈕解除,報(bào)警指示在故障排除后自動消失。在自動方式下，利用遠(yuǎn)傳空氣壓力傳感器檢測礦井內(nèi)的氣壓信號，用變送器將現(xiàn)場信號變換成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信號(如4～20mA直流電流信號、0～5V直流電壓信號等)，送入A/D轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后送入PLC，PLC將檢測到的氣壓值與設(shè)定的氣壓值進(jìn)行比擬和處理，輸出信號控制通風(fēng)機(jī)工作。當(dāng)?shù)V井內(nèi)的氣壓在一個大氣壓或在設(shè)定的某個大氣壓力數(shù)值以上，工作離心通風(fēng)機(jī)與備用離心通風(fēng)機(jī)循環(huán)工作；當(dāng)出現(xiàn)突發(fā)事故，礦井內(nèi)的氣壓低于設(shè)定的某個大氣壓力數(shù)值，工作離心通風(fēng)機(jī)與備用離心通風(fēng)機(jī)不再循環(huán)工作，并自動切換為同時工作，加大對礦井內(nèi)的通風(fēng)量，直至礦井內(nèi)的氣壓升至設(shè)定的大氣壓力數(shù)值以上，工作通風(fēng)機(jī)與備用離心通風(fēng)機(jī)恢復(fù)循環(huán)工作[3]。在有瓦斯的礦井供風(fēng)系統(tǒng)中，礦井內(nèi)的瓦斯?jié)舛葌鞲衅鳈z測瓦斯?jié)舛?，用變送器將現(xiàn)場信號變換成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信號，送入A/D轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后送入PLC，同樣PLC將檢測到的數(shù)值與設(shè)定的數(shù)值進(jìn)行比擬，當(dāng)瓦斯?jié)舛却笥谠O(shè)定數(shù)值后，PLC輸出信號控制通風(fēng)機(jī)停止工作，并輸出信號自動切斷井下的電源，滿足風(fēng)電聯(lián)鎖要求，以免電子火花點(diǎn)著瓦斯，防止瓦斯爆炸事故發(fā)生。3系統(tǒng)硬件構(gòu)成及各局部功能3.1PLC可編程控制器局部PLC概述PLC即可編程控制器〔ProgrammablelogicController，是指以計(jì)算機(jī)技術(shù)為根底的新型工業(yè)控制裝置。在1987年國際電工委員會〔InternationalElectricalCommittee〕公布的PLC標(biāo)準(zhǔn)草案中對PLC做了如下定義：PLC英文全稱ProgrammableLogicController，中文全稱為可編程邏輯控制器，定義是：一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。它采用一類可編程的存儲器，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(jì)數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程，PLC是可編程邏輯電路，也是一種和硬件結(jié)合很緊密的語言，在半導(dǎo)體方面有很重要的應(yīng)用，可以說有半導(dǎo)體的地方就有PLC。PLC是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、計(jì)時、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。PLC及其有關(guān)的外圍設(shè)備都應(yīng)該按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴(kuò)展其功能的原那么而設(shè)計(jì)?！?〕CPU的構(gòu)成CPU是PLC的核心，起神經(jīng)中樞的作用，每套PLC至少有一個CPU，它按PLC的系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存貯用戶程序和數(shù)據(jù)，用掃描的方式采集由現(xiàn)場輸入裝置送來的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并存入規(guī)定的存放器中，同時，診斷電源和PLC內(nèi)部電路的工作狀態(tài)和編程過程。CPU主要由運(yùn)算器、控制器、存放器及實(shí)現(xiàn)它們之間聯(lián)系的數(shù)據(jù)、控制及狀態(tài)總線構(gòu)成，CPU單元還包括外圍芯片、總線接口及有關(guān)電路。內(nèi)存主要用于存儲程序及數(shù)據(jù)，是PLC不可缺少的組成單元。CPU速度和內(nèi)存容量是PLC的重要參數(shù)，它們決定著PLC的工作速度，I/O數(shù)量及軟件容量等，因此限制著控制規(guī)模?！?〕I/O模塊PLC與電氣回路的接口，是通過輸入輸出局部〔I/O〕完成的。I/O模塊集成了PLC的I/O電路，其輸入暫存器反映輸入信號狀態(tài)，輸出點(diǎn)反映輸出鎖存器狀態(tài)。輸入模塊將電信號變換成數(shù)字信號進(jìn)入PLC系統(tǒng)，輸出模塊相反。I/O分為開關(guān)量輸入〔DI〕，開關(guān)量輸出〔DO〕，模擬量輸入〔AI〕，模擬量輸出〔AO〕等模塊。常用的I/O分類如下：開關(guān)量：按電壓水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔離方式分，有繼電器隔離和晶體管隔離。模擬量：按信號類型分，有電流型〔4-20mA,0-20mA〕、電壓型〔0-10V,0-5V,-10-10V〕等，按精度分，有12bit，14bit，16bit等。除了上述通用I/O外，還有特殊I/O模塊，如熱電阻、熱電偶、脈沖等模塊。按I/O點(diǎn)數(shù)確定模塊規(guī)格及數(shù)量，I/O模塊可多可少。但其最大數(shù)受CPU所能管理的根本配置的能力，即受最大的底板或機(jī)架槽數(shù)限制?！?〕電源模塊：PLC電源用于為PLC各模塊的集成電路提供工作電源。同時，有的還為輸入電路提供24V的工作電源。電源輸入類型有：交流電源〔220VAC或110VAC〕，直流電源〔常用的為24VDC〕[4]。PLC外部I/O連接根據(jù)系統(tǒng)的要求，選取S72200PLCCPU224作為控制核心，CPU224的I/O點(diǎn)數(shù)是14/10;擴(kuò)展了1個EM231模擬量輸入模塊，它是A/D轉(zhuǎn)換模塊，具有4個模擬量輸入，12位A/D，其采樣速度25μs，空氣壓力傳感器、瓦斯?jié)舛葌鞲衅鞑杉男盘柦?jīng)過變送器調(diào)理和放大處理后，成為0～5V的標(biāo)準(zhǔn)信號，再經(jīng)過EM231模塊自動完成A/D轉(zhuǎn)換；同時擴(kuò)展了1個EM222數(shù)字量輸出模塊，它有8個數(shù)字量的輸出點(diǎn)，作用是提供附加的輸出點(diǎn)，這樣完全可以滿足系統(tǒng)的要求。煤礦礦井通風(fēng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要涉及10個數(shù)字量輸入和2個模擬量輸入，15個數(shù)字量輸出。設(shè)置6個操作鍵、4個開關(guān)量傳感器和2個模擬量。傳感器作輸入信號，如表1所示。這6個操作鍵分別是自動方式開關(guān)、手動方式開關(guān)、停機(jī)按鈕、消音按鈕及2個在手動控制下控制通風(fēng)機(jī)運(yùn)行的按鈕開關(guān)，4個開關(guān)量傳感器為拖動通風(fēng)機(jī)的吸風(fēng)電機(jī)和增風(fēng)速電機(jī)發(fā)生堵轉(zhuǎn)故障時熱繼電器的控制開關(guān)，其中擴(kuò)充了1個EM231的模擬量輸入模塊，主要是用于轉(zhuǎn)換氣壓信號和瓦斯?jié)舛刃盘柕?。?PLCI/O接口分配表輸入輸出序號名稱地址序號名稱地址1A風(fēng)機(jī)1電機(jī)狀態(tài)I0.01故障顯示Q0.02A風(fēng)機(jī)2電機(jī)狀態(tài)I0.12中高氣壓顯示Q0.13B風(fēng)機(jī)1電機(jī)狀態(tài)I0.23低氣壓顯示Q0.24B風(fēng)機(jī)2電機(jī)狀態(tài)I0.34報(bào)警Q0.35A風(fēng)機(jī)控制開關(guān)I0.45繼電器KM1Q0.46B風(fēng)機(jī)控制開關(guān)I0.56繼電器KM2Q0.57消音開關(guān)I1.07繼電器KM3Q0.68自動開關(guān)I1.18繼電器KM4Q0.79手動開關(guān)I1.29A風(fēng)機(jī)1電機(jī)運(yùn)行顯示Q1.010停止按鈕I1.310A風(fēng)機(jī)2電機(jī)運(yùn)行顯示Q1.111氣壓信號I2.011B風(fēng)機(jī)1電機(jī)運(yùn)行顯示Q1.212瓦斯信號I2.112B風(fēng)機(jī)2電機(jī)運(yùn)行顯示Q2.013手動狀態(tài)顯示Q2.114自動狀態(tài)顯示Q2.215瓦斯?jié)舛戎礠2.33.1.3I/O接線圖3L3LQ1.6L10Q1.7L11Q1.2L6Q1.3L7Q1.4L8Q1.5L9Q1.1SpeakerKM1Q0.0KM2Q0.11LKM3Q0.21MI0.0SB1I0.1SB2I0.2SB3I0.3SB5I0.5SB7I0.6SB8I0.7SB9I1.0SB10I0.4SB6EM235模擬量輸入輸出模塊瓦斯?jié)舛葌鞲衅鱾鞲衅?壓力傳感器KM3QW0+QW0-AIN1+AIN-34M3～～220VQMM440圖2I/O接線圖3.2變頻調(diào)速的根底知識異步電動機(jī)是電力、化工等生產(chǎn)企業(yè)最主要的動力設(shè)備。作為高能耗設(shè)備，其輸出功率不能隨負(fù)荷按比例變化，大局部只能通過擋板或閥門的開度來調(diào)節(jié)，而電動機(jī)消耗的能量變化不大，從而造成很大的能量損耗。近年來，隨著變頻器生產(chǎn)技術(shù)的成熟以及變頻器應(yīng)用范圍的日益廣泛，使用變頻器對電動機(jī)電源進(jìn)行技術(shù)改造成為各企業(yè)節(jié)能降耗、提高效率的重要手段。

n＝60

f(1－s)/p(1)式中n———異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速；

f———異步電動機(jī)的頻率；

s———電動機(jī)轉(zhuǎn)差率；p———電動機(jī)極對數(shù)。

由式(1-1)可知，轉(zhuǎn)速n與頻率f成正比，只要改變頻率f即可改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，當(dāng)頻率f在0～50Hz的范圍內(nèi)變化時，電動機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍非常寬。變頻調(diào)速就是通過改變電動機(jī)電源頻率實(shí)現(xiàn)速度調(diào)節(jié)的。

變頻器主要采用交—直—交方式，先把工頻交流電源通過整流器轉(zhuǎn)換成直流電源，然后再把直流電源轉(zhuǎn)換成頻率、電壓均可控制的交流電源以供應(yīng)電動機(jī)。變頻器的電路一般由整流、中間直流環(huán)節(jié)、逆變和控制4個局部組成。整流局部為三相橋式不可控整流器，逆變局部為IGBT三相橋式逆變器，且輸出為PWM波形，中間直流環(huán)節(jié)為濾波、直流儲能和緩沖無功功率。3.3模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊分為A/D轉(zhuǎn)換模塊和D/A轉(zhuǎn)換模塊。PLC模擬量處理功能主要通過模擬量輸入輸出模塊及用戶程序來完成。模擬量輸入模塊接受各種傳感器輸出的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號或電流信號，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號存儲到PLC中。PLC根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際要求，通過用戶程序?qū)D(zhuǎn)換后的信息進(jìn)行處理并將處理結(jié)果通過模擬量輸出模塊轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電壓或電流信號去驅(qū)動執(zhí)行元件。3.4離心風(fēng)機(jī)我國礦井使用的離心式通風(fēng)機(jī)主要就是。G4—73系列離心式通風(fēng)機(jī)，G4—73系列離心式通風(fēng)機(jī)最初是為鍋爐通風(fēng)(引風(fēng))設(shè)計(jì)的，后來被引用到礦井通風(fēng)中并擁有一定的市場占有量。該系列離心式通風(fēng)機(jī)的特點(diǎn)是特性曲線較平緩、無駝峰、運(yùn)行噪聲較小、效率高。啟動時關(guān)閉調(diào)節(jié)門(也叫前導(dǎo)器)，具有啟動功率較小，啟動容易的特點(diǎn)。運(yùn)行時調(diào)節(jié)門可在0°～70°范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，用以改變運(yùn)行工況，還可通過配置不同轉(zhuǎn)速的電動機(jī)來改變其運(yùn)行工況,適應(yīng)性較好。G4—73系列通風(fēng)機(jī)的特性曲線較平緩，運(yùn)行噪聲較小，效率高，適用于通風(fēng)阻力不是太大的中小型礦井。我國地方煤礦的礦井中使用該系列通風(fēng)機(jī)較多，由于機(jī)型小，配置電動機(jī)的容量也小,可配用380V或660V電壓的電動機(jī)，特別適用于無高壓(6000V)供電的礦井使用。但對初、后期風(fēng)壓變化大的礦井，離心通風(fēng)機(jī)的調(diào)節(jié)性能差。離心風(fēng)機(jī)的作用：離心風(fēng)機(jī)是依靠輸入的機(jī)械能，提高氣體壓力并排送氣體的機(jī)械，它是一種從動的流體機(jī)械。離心風(fēng)機(jī)廣泛用于工廠、礦井、隧道、冷卻塔、車輛、船舶和建筑物的通風(fēng)、排塵和冷卻；鍋爐和工業(yè)爐窯的通風(fēng)和引風(fēng)；空氣調(diào)節(jié)設(shè)備和家用電器設(shè)備中的冷卻和通風(fēng)；谷物的烘干和選送；風(fēng)洞風(fēng)源和氣墊船的充氣和推進(jìn)等。離心風(fēng)機(jī)的工作原理與透平壓縮機(jī)根本相同，只是由于氣體流速較低，壓力變化不大，一般不需要考慮氣體比容的變化，即把氣體作為不可壓縮流體處理。離心風(fēng)機(jī)可制成右旋和左旋兩種型式。從電動機(jī)一側(cè)正視，葉輪順時針旋轉(zhuǎn)，稱為右旋轉(zhuǎn)風(fēng)機(jī)，逆時針旋轉(zhuǎn)，稱為左旋。一般的高壓離心風(fēng)機(jī)，其主要的動力設(shè)備是電動機(jī)，此外還包括用來控制風(fēng)機(jī)風(fēng)閥位置的電動或手動執(zhí)行器、風(fēng)機(jī)閥門限位開關(guān)等部件。風(fēng)機(jī)動力設(shè)備的傳統(tǒng)控制方法是通過手動或繼電器控制，存在可靠性和靈活性較差的問題，比方：由于電機(jī)的容量大，就存在啟動時間長、啟動電流大、運(yùn)行平安可靠性差等問題，為了解決這些問題，需要采取在啟動離心風(fēng)機(jī)時減少啟動負(fù)荷、通過星—三角降壓啟動來降低啟動電流、進(jìn)行平安互鎖控制等措施。離心通風(fēng)機(jī)工作時，動力機(jī)(主要是電動機(jī))驅(qū)動葉輪在蝸形機(jī)殼內(nèi)旋轉(zhuǎn)，空氣經(jīng)吸氣口從葉輪中心處吸入。由于葉片對氣體的動力作用，氣體壓力和速度得以提高，并在離心力作用下沿著葉道甩向機(jī)殼，從排氣口排出。因氣體在葉輪內(nèi)的流動主要是在徑向平面內(nèi)。風(fēng)機(jī)的用途：一般用于高壓強(qiáng)制通風(fēng)，如冶煉、送料、礦井、隧道、地下室、鐵路等，亦可輸送空氣及其它無腐蝕性、不含粘性物質(zhì)、非易燃、易爆之氣體，介質(zhì)溫度最高不超過八十度，介質(zhì)中硬質(zhì)顆粒物中大于150mg/m3。3.5變頻器的選型和容量確實(shí)定本系統(tǒng)選用的是西門子全新一代標(biāo)準(zhǔn)變頻器MicroMaster440功能強(qiáng)大，應(yīng)用廣泛。它采用高性能的矢量控制技術(shù)，提供低速高轉(zhuǎn)矩輸出和良好的動態(tài)特性，同時具備超強(qiáng)的過載能力，以滿足廣泛的應(yīng)用場合。在電機(jī)的容量確定并選定其型號后，接下來就要確定變頻器的容量。確定變頻器容量的主要依據(jù)是輸出電流，其原那么為：變頻器的輸出額定電流應(yīng)大于或等于電機(jī)的額定電流。但在連續(xù)的變動負(fù)載或斷續(xù)負(fù)載中，因電動機(jī)允許有短時間的過載，而且這種過載的時間經(jīng)常超過變頻器一般允許的一分鐘。故應(yīng)考慮選擇變頻器的額定電流大于或等于電動機(jī)運(yùn)行過程中的最大電流[5]。電動機(jī)的型號確定后，其額定電流可以從制造商提供的樣本中查到。或者，也可從電機(jī)的輸出功率由下式計(jì)算(2)式中，P為額定輸出功率〔KW〕；U為額定電壓〔KV〕；I為額定電流〔A〕；η為電機(jī)效率；為功率因數(shù)。S7-200PLC作為核心控制部件，它有總線訪問權(quán)，可以讀取或改寫變頻器的狀態(tài)，控制軟起動器的運(yùn)行狀態(tài)，從而到達(dá)控制和監(jiān)視設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的目的。系統(tǒng)采用總線式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，兩臺變頻器采用總線接插件連入總線。S7-200選用S7-222CPU，軟件采用WIN3.2。采用西門子Profibus屏蔽電纜及9針D形網(wǎng)絡(luò)連接頭。利用S7-222的自由通信口功能，即RS485通信口。由用戶程序?qū)崿F(xiàn)USS協(xié)議與兩臺MM430變頻器通信。在硬件連接完畢后，需要對兩臺MM430變頻器的通信參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，如表2所示。表2變頻器參數(shù)的設(shè)定參數(shù)號參數(shù)值說明Fr13固定頻率1P0110第一加速時間P0210第一加速時間P03FF頻率范圍(v/f方式)P0520DC提升水平P081變頻器起停正反轉(zhuǎn)控制方式P15200電動機(jī)運(yùn)行最大頻率P1650電動機(jī)運(yùn)行根本頻率P182多段速率加速連動運(yùn)行P32170固定頻率2P3310固定頻率3P3423固定頻率435130固定頻率5395第2加速時間設(shè)定405第二減速時間設(shè)定4系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)4.1硬件電路〔1〕本系統(tǒng)的硬件電路如圖3所示，它由4臺電動機(jī)，一臺智能型電控柜〔包括西門子變頻器、PLC、交流接觸器、繼電器等〕，一套壓力傳感器、斷相相序保護(hù)裝置以及供電主回路等構(gòu)成。該系統(tǒng)的核心是S7-200〔CPU224〕和MICROMASTER430。MICROMASTER430是泵和風(fēng)機(jī)類專用變頻器，擴(kuò)展功能強(qiáng)．CPU224集成了14點(diǎn)輸入10點(diǎn)輸出，共有24點(diǎn)數(shù)字量I/0，其模擬量擴(kuò)展模塊具有較大的適應(yīng)性和靈活性，且安裝方便，滿足設(shè)計(jì)需要?！?〕系統(tǒng)主電路圖3系統(tǒng)主電路如圖3所示，該系統(tǒng)有4臺電動機(jī)，分別拖動4臺電動機(jī)。合上空氣開關(guān)后，當(dāng)交流接觸器KM1、KM3,KM5、KM7主觸點(diǎn)閉合時，電動機(jī)為工頻運(yùn)行；當(dāng)KM2、KM4、KM6、KM8主觸點(diǎn)閉合時，電動機(jī)為變頻運(yùn)行。4個熱繼電器KR1～KR4分別對4臺電動機(jī)進(jìn)行保護(hù)，防止電動機(jī)在過載時可能產(chǎn)生的過熱損壞。4.2系統(tǒng)控制電路設(shè)計(jì)〔1〕系統(tǒng)控制電路如圖4所示，Q0.0～Q0.7為PLC輸出軟繼電器觸點(diǎn)，其中Q0.0,Q0.2,Q0.4,Q0.6控制變頻運(yùn)行電路；Q0.1、Q0.3、Q0.5、Q0.7控制工頻運(yùn)行電路。SA為轉(zhuǎn)圖4系統(tǒng)控制電路換開關(guān)，實(shí)現(xiàn)手動、自動控制切換。當(dāng)SA切在手動位時，通過SB1～SB4按鈕分別起動4臺水泵工頻運(yùn)行,SB5～SB8按鈕分別停止4臺離心風(fēng)機(jī)工頻運(yùn)行．當(dāng)SA在自動位時，由PLC控制水泵進(jìn)行變頻或工頻狀態(tài)的起動、切換、停止運(yùn)行。〔2〕PLC及變頻器控制模塊電路PLC及變頻器控制模塊是本系統(tǒng)的核心，它包括時間控制電路、故障報(bào)警保護(hù)電路、斷相相序保護(hù)電路。5軟件設(shè)計(jì)該系統(tǒng)除局部為順序控制外，從總體上來看具有隨機(jī)離散控制的特點(diǎn)?？刂葡到y(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)的流程圖如圖2所示。設(shè)定由瓦斯?jié)舛葌鞲衅鱾魉蛠淼耐咚節(jié)舛戎禐镈，用戶設(shè)定不能超過的瓦斯?jié)舛戎禐镈0，氣壓傳感器傳來的壓力為F1，用戶要求的礦井內(nèi)氣壓值為F2。由圖5可知，按下啟動鍵后，首先檢測是否手動，如果是那么手動控制操作，否那么就自動正常運(yùn)行;接著檢測礦井內(nèi)瓦斯?jié)舛戎岛痛髿鈮毫χ?，進(jìn)行處理判斷。假設(shè)D>D0，那么通風(fēng)機(jī)與礦井下供電電源聯(lián)鎖停止工作并報(bào)警，否那么比擬判斷F1與F2的大小，假設(shè)F1>F2，進(jìn)入風(fēng)機(jī)輪休控制子程序，啟動A風(fēng)機(jī)，A風(fēng)機(jī)運(yùn)行一定時間后，啟動B組風(fēng)機(jī)工作，A組風(fēng)機(jī)停止。否那么兩臺通風(fēng)機(jī)同時參與工作。開始開始數(shù)據(jù)采集子程序D>D0?F1>F2?風(fēng)機(jī)輪休控制子程序是否手動轉(zhuǎn)手動控制風(fēng)機(jī)連鎖停止并報(bào)警兩組風(fēng)機(jī)同時運(yùn)行結(jié)束F1>F2?YNYNNYYN圖5系統(tǒng)總流程圖5.1瓦斯?jié)舛瓤刂凭植客咚節(jié)舛瓤刂凭植亢蜏囟瓤刂凭植肯嗨啤１驹O(shè)計(jì)用到的瓦斯?jié)舛葌鞲衅鳛镵GJ16B型，其性能參數(shù)見硬件設(shè)計(jì)局部，瓦斯?jié)舛葌鞲衅鲗⑦B續(xù)變化的瓦斯?jié)舛刃盘栟D(zhuǎn)換為4～20毫安的電流，然后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換模塊EM235，通過其內(nèi)部的采樣、濾波，轉(zhuǎn)換為PLC能識別的二進(jìn)制信號存儲到VD196中。在離心風(fēng)機(jī)運(yùn)行過程中假設(shè)礦井工作面的瓦斯?jié)舛却笥谠O(shè)定的報(bào)警瓦斯?jié)舛壬暇€時，M0.1閉合，Q1.1也閉合，系統(tǒng)將發(fā)出指示并報(bào)警。以警示工作人員工作面瓦斯涌出量已有平安隱患，做好排放瓦斯的準(zhǔn)備。假設(shè)井巷工作面瓦斯?jié)舛壤^續(xù)增大，當(dāng)VD196的存儲值大于設(shè)定的斷電瓦斯?jié)舛壬暇€時，M0.2閉合，PLC將發(fā)出切斷電源的指令，將PLC所有輸出和內(nèi)部位復(fù)位，并切斷風(fēng)機(jī)電源各井巷工作面的電源，防止有明火引起與其爆炸。同時并發(fā)出報(bào)警。抽放瓦斯后，當(dāng)瓦斯?jié)舛萔D196的存儲值再次下降到小于斷電瓦斯?jié)舛壬暇€時，風(fēng)機(jī)組并不能重新運(yùn)行工作。只有當(dāng)瓦斯?jié)釼D196的存儲值下降到小于瓦斯?jié)舛葓?bào)警上線時，PLC才恢復(fù)風(fēng)機(jī)組再次啟動并將風(fēng)機(jī)組運(yùn)行工作。圖6瓦斯?jié)舛瓤刂瞥绦?.2壓力控制局部壓力是本控制系統(tǒng)的主控參數(shù)，在壓力數(shù)據(jù)處理過程中運(yùn)用到PID算法。所謂的PID就是比例、積分、微分的總稱。其結(jié)構(gòu)如圖6所示。PID運(yùn)算中的積分作用可以消除系統(tǒng)的靜態(tài)誤差，提高精度，加強(qiáng)對系統(tǒng)參數(shù)變化的能力，而身分作用可以克服慣性滯后，提高抗干擾能力和系統(tǒng)的穩(wěn)定性，可改善系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)速度。因此，對于速度、位置等快過程擴(kuò)溫度、化工合成等慢過程，PID控制都具有良好的實(shí)際效果。壓力是本控制系統(tǒng)的主控參數(shù)，在壓力數(shù)據(jù)處理過程中運(yùn)用到PID算法。所謂的PID就是比例、積分、微分的總稱。其結(jié)構(gòu)如圖4所示。PID運(yùn)算中的積分作用可以消除系統(tǒng)的靜態(tài)誤差，提高精度，加強(qiáng)對系統(tǒng)參數(shù)變化的能力，而身分作用可以克服慣性滯后，提高抗干擾能力和系統(tǒng)的穩(wěn)定性，可改善系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)速度。因此，對于速度、位置等快過程擴(kuò)溫度、化工合成等慢過程，PID控制都具有良好的實(shí)際效果。在系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時，PID控制器的作用就是通過調(diào)節(jié)其輸出使偏差為零。偏差由定量〔SP，希望值〕與過程變量〔PV，實(shí)際值〕之差來確定。系統(tǒng)PID調(diào)節(jié)的微分方程式由比例項(xiàng)、積分項(xiàng)和微分項(xiàng)組成。在自動方式下，利用遠(yuǎn)傳空氣壓力傳感器檢測礦井內(nèi)的氣壓信號，用變送器將現(xiàn)場的模擬壓力信號變換成統(tǒng)一的1～10V直流電壓信號，送人A／D轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)變?yōu)镻LC內(nèi)部能識別的二進(jìn)制信號。壓力參數(shù)的設(shè)置與礦井的深度、巷道的截面等諸多因素有關(guān)，所以本設(shè)計(jì)利用觸摸屏進(jìn)行PID參數(shù)設(shè)置。圖7PID參數(shù)設(shè)置其設(shè)置調(diào)用了壓力子程序見附圖。PID參數(shù)設(shè)置好后要分別對壓力設(shè)定值、增益值、采樣值、積分時間和微分時間進(jìn)行填表。程序圖如圖8所示。圖8壓力中斷子程序本系統(tǒng)的壓力控制是用SMB34定時設(shè)定的時間周期進(jìn)行中斷處理的，利用SMB34固定的時間間隔作為采樣周期，對模擬量AIW0輸入進(jìn)行采樣，然后通過A/D轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。中斷子程序如圖8所示。壓力中斷程序分兩局部進(jìn)行處理數(shù)據(jù)，一局部將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)存儲到VD128中與設(shè)定的壓力值進(jìn)行比擬處理。假設(shè)礦井內(nèi)的氣壓在一個大氣壓或在設(shè)定的某個大氣壓力數(shù)值以上，PLC通過控制變頻器，工作通風(fēng)機(jī)與備用通風(fēng)機(jī)循環(huán)工作，由礦井的氣壓參數(shù)通過PLC運(yùn)算去控制變頻器來到達(dá)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速的控制；當(dāng)出現(xiàn)突發(fā)事故，或礦井內(nèi)的氣壓低于設(shè)定的某個氣壓參數(shù)時，VD128的壓力值與工頻壓力值VD136進(jìn)行比擬，假設(shè)VD128小于或等于VD136的值，那么當(dāng)前運(yùn)行通風(fēng)機(jī)將由變頻轉(zhuǎn)到工頻運(yùn)行，此時如果仍滿足不了通風(fēng)的需要時，工作通風(fēng)機(jī)與備用通風(fēng)機(jī)不再循環(huán)工作，并自動切換為同時工作，另外，接入的備用通風(fēng)機(jī)根據(jù)礦井的氣壓參數(shù)進(jìn)行變頻運(yùn)行，加大對礦井內(nèi)的通風(fēng)量，直至礦井內(nèi)的氣壓生至設(shè)定的大氣壓力數(shù)值以上，工作通風(fēng)機(jī)與備用通風(fēng)機(jī)恢復(fù)循環(huán)工作。壓力中斷程序如圖9所示。圖9壓力中斷程序5.3溫度控制局部本設(shè)計(jì)的風(fēng)機(jī)組設(shè)有軸承溫度和定子溫度過熱保護(hù)。綜合所選用的風(fēng)機(jī)組自身特性和國家規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)置了風(fēng)機(jī)組軸承溫度和定子溫度報(bào)警溫度和跳閘溫度。軸承溫度保護(hù)設(shè)置85℃為報(bào)警溫度，90℃為跳閘溫度。定子溫度保護(hù)設(shè)置120℃為報(bào)警溫度，125℃為跳閘溫度。由于PLC所能識別的是數(shù)字量信號，所以要對傳感器采集的電壓或電流信號的輸入信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換。假設(shè)輸入電壓范圍為0～10V的模擬量信號，那么對應(yīng)的數(shù)字量結(jié)果應(yīng)為0～32000或需要的數(shù)字。假設(shè)數(shù)據(jù)格式為單極性，模擬量信號的類型為電壓信號，滿量程為0～10V，那么根據(jù)公式1可得軸承溫度和定子溫度報(bào)警溫度和跳閘溫度所對應(yīng)的數(shù)量和電壓的關(guān)系如表3所示。表3工程值與數(shù)字量對應(yīng)關(guān)系溫度值〔℃〕數(shù)字量電壓值〔V〕12023652.27.3912524347.87.618518782.65.879019478.36.09模擬量和數(shù)字量的轉(zhuǎn)換公式為：(y-AL)/(AH-AL)=(X-0)/(