基于PLC的离心风机变频调速控制系统设计最终论文Word文档格式.docx
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5软件设计12
5.1瓦斯浓度控制部分13
5.2压力控制部分14
5.3温度控制部分16
6结束语17
致谢18
参考文献18
附图总程序19
1绪论
随着电子技术和微电子技术的迅速发展，PLC和变频器正成为通用、廉价和性能可靠的控制和驱动设备，得到广泛的应用。
由PLC控制的变频调速离心风机的通风系统，具有较高的可靠性和较好的节能效果，易于组建成整体的自控系统，很方便地实现各种控制切换和远程监控，本文通过一个实例——基于离心风机的矿井通风系统进行分析。
煤矿矿井通风系统是煤矿矿井安全生产的重要组成部分，煤矿矿井通风系统能否正常工作与矿井内工作环境条件、生产效率、安全生产密切相关。
随着我国政府对各行各业安全生产监管力度的不断加强，尤其对煤矿安全生产的要求越来越高，对煤矿矿井通风系统进行技术改造，提高其运行稳定性、可靠性、节能降耗等势在必行。
目前煤矿矿井通风系统中，大多仍采用继电、接触器控制系统，但这种控制系统存在着体积大、机械触点多、接线复杂、可靠性低、排除故障困难等很多的缺陷；
且因工作通风机一直高速运行，备用通风机停止，不能轮休工作，易使工作通风机产生故障，降低使用寿命。
针对这一系列问题，本系统将PLC与变频器有机地结合起来，采用以矿井气压压力为主控参数，实现对电动机工作过程和运转速度的有效控制，使矿井中用的离心通风机通风高效、安全，达到了明显的节能效果。
PLC控制系统具有对驱动风机的电机过热保护、故障报警、机械故障报警和瓦斯浓度断电等功能特点，为煤矿矿井通风系统的节能技术改造提供一条新途径。
2系统结构和控制方案
2.1系统的设计功能
本控制系统具有离心通风机组的启动、互锁和过热保护等功能。
与常规继电器实施的通风系统相比，PLC系统具有故障率低、可靠性高、接线简单、维护方便等诸多优点，PLC的控制功能使通风系统的自动化程度大大提高，减轻了岗位人员的劳动强度。
PLC和变频器与空气压力变送器配合使用，使系统控制的安全性、可靠性大大提高，也使通风机运行的故障率大大降低，不仅节约了电能，而且还提高了设备的运转率。
为满足矿井通风系统自动控制的要求，系统的具体设计要求如下：
（1）本系统提供手动／自动两种工作模式，具有状态显示以及故障报警等功能。
（2）模拟量压力输入经PID运算，输出模拟量控制变频器。
（3）在自动方式下，当井下压力低于设定压力下限时，两组风机将同时投入工作运行，同时并发出指示和报警信号。
（4）模拟量瓦斯输入，当矿井瓦斯浓度大于设定报警上限时，发出指示和报警。
当瓦斯浓度大于设定断电上限时，PLC将切断工作面和风机组电源，防止瓦斯爆炸。
（5）运用温度传感器测定风机组定子温度或轴承温度，当定子温度或轴承温度超过设定报警上线时，发出指示和报警信号。
当定子温度或轴承温度超过设定风机组转换温度界线时，PLC将切断指示和报警信号并自动切断当前运行风机组，在自动方式下并能自动接入另一台风机组运行，若在手动方式下，工作人员手动切换[1]。
（6）为防止离心风机的疲劳运行，在任何状态下，风机在累计运行设定时间后都会自动切换至另一台风机组运行。
2.2系统结构和方案
通风控制系统主要由2台离心风机组成，每台离心风机有两台电机，每台电机驱动一组扇片，两组扇片是对旋的，一组用于吸风，一组为增加风速，对井下进行供风。
根据井下用风量的不同，采用不同型号的风机。
本设计以风机2×
45kW为例，选用一台S72200PLC、空气压力传感器和变频器等组成一个完整的闭环控制系统。
其中还包括接触器、中间继电器、热继电器、矿用防爆型磁力启动器、断路器等系统保护电器，实现对电机和PLC的有效保护，以及对电机的切换控制。
图1通风控制系统方案图
本PLC控制系统具有对通风机的电动机启动与运行，进行监控、联锁和过热保护等功能。
PLC与空气压力变送器配合使用，使系统控制的安全性、可靠性大大提高，也使通风机运行的故障率大大降低，提高了设备的运转率[2]。
为满足煤矿矿井通风系统自动控制的要求，设计如下的控制方案：
本系统提供手动/自动两种工作模式，具有现场控制方式、状态显示以及故障报警等功能。
在手动方式下，通风机通过开关进行控制，不受矿井内气压的影响。
为防止通风机疲劳运行，在任何状态下风机在累计运行设定时间后要切换至另一台风机运行。
A组离心通风机与B组离心通风机可由二位开关转换。
循环次数及定时时间可根据需要随机设定。
报警信号均为声光形式，声报警（电笛）可用按钮解除,报警指示在故障排除后自动消失。
在自动方式下，利用远传空气压力传感器检测矿井内的气压信号，用变送器将现场信号变换成统一的标准信号（如4～20mA直流电流信号、0～5V直流电压信号等），送入A/D转换模块进行模数转换，然后送入PLC，PLC将检测到的气压值与设定的气压值进行比较和处理，输出信号控制通风机工作。
当矿井内的气压在一个大气压或在设定的某个大气压力数值以上，工作离心通风机与备用离心通风机循环工作；
当出现突发事故，矿井内的气压低于设定的某个大气压力数值，工作离心通风机与备用离心通风机不再循环工作，并自动切换为同时工作，加大对矿井内的通风量，直至矿井内的气压升至设定的大气压力数值以上，工作通风机与备用离心通风机恢复循环工作[3]。
在有瓦斯的矿井供风系统中，矿井内的瓦斯浓度传感器检测瓦斯浓度，用变送器将现场信号变换成统一的标准信号，送入A/D转换模块进行模数转换，然后送入PLC，同样PLC将检测到的数值与设定的数值进行比较，当瓦斯浓度大于设定数值后，PLC输出信号控制通风机停止工作，并输出信号自动切断井下的电源，满足风电联锁要求，以免电子火花点着瓦斯，防止瓦斯爆炸事故发生。
3系统硬件构成及各部分功能
3.1PLC可编程控制器部分
3.1.1PLC概述
PLC即可编程控制器（ProgrammablelogicController，是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。
在1987年国际电工委员会（InternationalElectricalCommittee）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：
PLC英文全称ProgrammableLogicController，中文全称为可编程逻辑控制器，定义是：
一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。
它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程，PLC是可编程逻辑电路，也是一种和硬件结合很紧密的语言，在半导体方面有很重要的应用，可以说有半导体的地方就有PLC。
PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。
它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。
（1）CPU的构成
CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每套PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程。
CPU主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。
内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。
CPU速度和内存容量是PLC的重要参数，它们决定着PLC的工作速度，I/O数量及软件容量等，因此限制着控制规模。
（2）I/O模块
PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）完成的。
I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。
输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。
I/O分为开关量输入（DI），开关量输出（DO），模拟量输入（AI），模拟量输出（AO）等模块。
常用的I/O分类如下：
开关量：
按电压水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。
模拟量：
按信号类型分，有电流型（4-20mA,0-20mA）、电压型（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，还有特殊I/O模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。
按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少。
但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。
（3）电源模块：
PLC电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源。
同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。
电源输入类型有：
交流电源（220VAC或110VAC），直流电源（常用的为24VDC）[4]。
3.1.2PLC外部I/O连接
根据系统的要求，选取S72200PLCCPU224作为控制核心，CPU224的I/O点数是14/10;
扩展了1个EM231模拟量输入模块，它是A/D转换模块，具有4个模拟量输入，12位A/D，其采样速度25μs，空气压力传感器、瓦斯浓度传感器采集的信号经过变送器调理和放大处理后，成为0～5V的标准信号，再经过EM231模块自动完成A/D转换；
同时扩展了1个EM222数字量输出模块，它有8个数字量的输出点，作用是提供附加的输出点，这样完全可以满足系统的要求。
煤矿矿井通风控制系统的设计主要涉及10个数字量输入和2个模拟量输入，15个数字量输出。
设置6个操作键、4个开关量传感器和2个模拟量。
传感器作输入信号，如表1所示。
这6个操作键分别是自动方式开关、手动方式开关、停机按钮、消音按钮及2个在手动控制下控制通风机运行的按钮开关，4个开关量传感器为拖动通风机的吸风电机和增风速电机发生堵转故障时热继电器的控制开关，其中扩充了1个EM231的模拟量输入模块，主要是用于转换气压信号和瓦斯浓度信号的。
表1PLCI/O接口分配表
输入
输出
序号
名称
地址
1
A风机1电机状态
I0.0
故障显示
Q0.0
2
A风机2电机状态
I0.1
中高气压显示
Q0.1
3
B风机1电机状态
I0.2
低气压显示
Q0.2
4
B风机2电机状态
I0.3
报警
Q0.3
5
A风机控制开关
I0.4
继电器KM1
Q0.4
6
B风机控制开关
I0.5
继电器KM2
Q0.5
7
消音开关
I1.0
继电器KM3
Q0.6
8
自动开关
I1.1
继电器KM4
Q0.7
9
手动开关
I1.2
A风机1电机运行显示
Q1.0
10
停止按钮
I1.3
A风机2电机运行显示
Q1.1
11
气压信号
I2.0
B风机1
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