矿井主通风机变频节能系统设计.docx

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矿井主通风机变频节能系统设计

摘要

在整个煤矿的工业发展中，矿井下安全和有效的生产都离不开矿井通风系统，而在一个完整的通风系统中矿井主通风机显得尤为重要，因此对矿井主通风机的控制非常具有研究价值。

传统的通风机控制方法采用恒转速方式，通过改变通风管网风阻力来实现增加或者减小风量，这样做虽然可以实现通风量的改变，但是这种方式造成了很多不必要的电能的浪费，不利于工业的进一步发展。

本设计的方法是利用PLC控制技术和变频调速技术对矿井通风机进行实时的调速使其运行在矿井通风机特性曲线上的最优点附近从而实现电能的充分利用。

设计过程分为三个部分，第一个部分是通风机变频调速节能原理的说明以及变频调速系统的设计；第二个部分是PLC及变频器的硬件设计；第三个部分是系统的软件程序设计。

第一部分的设计中包括对通风机的运行原理及其运行曲线进行分析，着重阐述变频调速节能的原理。

第二部分的设计中包括对系统中所需的硬件进行选型和介绍，系统的电气原理图设计。

第三部分的设计中包括利用西门子STEP7-Micro/WIN4.0编程软件对系统所需的PLC程序进行编写，风量控制算法的介绍。

关键词：

主通风机；PLC;变频调速技术

Abstract

InthedevelopmentofthemineIndustry,safeandefficientmineproductionandmineventilationsystemisinseparable,andinafullmainminefanventilationsystem，themainfanisparticularlyimportant,therefore,themainminefancontrolsystemisveryworthyofstudy.Thetraditionalmethodofusingconstantspeedfancontrolmode,bychangingtheventilationpipenetworkresistancetoachievetheincreaseordecreasetheamountofwind,thiscanchangetheventilationrate,butthismeanstocausealotofunnecessaryenergywaste,notconducivetothefurtherdevelopmentoftheindustry.

ThemethodofthisdesignistheuseofPLCcontroltechnologyandfrequencycontroltechnology,nearreal-timeadjustmentofitsspeed.Itrunsinoptimummineventilatorcharacteristiccurve，inordertoachievefulluseofelectricity.Thedesignprocessisdividedintothreeparts,thefirstpartistodesignenergy-efficientfanfrequencycontrolprincipleexplanationandfrequencycontrolsystem;thesecondpartisthehardwaredesignofthePLCandinverter;andthethirdpartisthesystemsoftwareprogramming.

Thefirstpartofthedesign,includingtheprincipleofitsoperationrunningfancurveswereanalyzed,focusesontheprincipleofvariablefrequencyspeedcontrol.

Thesecondpartofthedesignofthesystemincludesthehardwarerequiredelectricalschematic’sdesignselectionandtheintroductionofthesystem.

ThethirdpartofthedesignincludetheuseofSiemensSTEP7-MICRO/WIN4.0PLCprogrammingsoftwaretowriteprograms,andairflowcontrolalgorithmisintroduced.

Keywords:

mainfan;PLC;Variablefrequencyspeedcontroltechnology

1绪论.............................................................................................................................................1

1.1课题的研究背景及其发展意义..........................................................................1

1.2可编程控制器控制技术在矿井通风机上的应用..............................................1

1.3变频调速技术的应用..........................................................................................3

1.4本论文研究的主要内容......................................................................................3

1.5本章小结..............................................................................................................4

2通风机相关原理及变频调速原理介绍....................................................................5

2.1矿井通风机相关原理...........................................................................................5

2.1.1矿井通风机初步介绍.........................................................................................................5

2.1.2主要矿井通风机运行的特性曲线说明.............................................................................5

2.2变频调速原理及变频器简介...............................................................................7

2.2.1交流异步电机调速原理简介.............................................................................................7

2.2.2变频调速简介.....................................................................................................................8

2.2.3变频器的简介.......................................................................................................9

2.3变频调速节能原理分析.......................................................................................9

2.4本章小结.............................................................................................................11

3矿井主通风机变频节能系统方案及硬件电路设计..............................................12

3.1系统的方案设计...............................................................................................................12

3.1.1矿井主通风机变频节能系统的要求...............................................................................12

3.1.2矿井主通风机变频节能系统方案选择与分析...............................................................12

3.2系统主要电气设备的选型及介绍...............................................................................13

3.2.1矿井主通风机的选型........................................................................................................13

3.2.2西门子S7-200PLC介绍及使用方法...............................................................................14

3.2.3西门子MM430变频器介绍及使用方法.........................................................................16

3.2.4负压传感器的选型及使用方法.......................................................................................18

3.3硬件电路设计...................................................................................................................19

3.3.1S7-200扩展模块EM235介绍及使用方法......................................................................19

3.3.2S7-200PLC与MM430变频器I/O口地址的分配..........................................................19

3.3.3PLC控制系统电气柜控制原理图绘制与说明...............................................................20

3.4本章小结.............................................................................................................................24

4矿井主通风机变频节能系统软件设计...........................................................................25

4.1PLC编程语言与编程环境介绍.....................................................................................25

4.1.1PLC编程语言与方法........................................................................................................25

4.1.2西门子PLC编程软件-STEP7-Micro/WIN......................................................................25

4.2PLC控制系统程序设计..................................................................................................26

4.2.1各功能模块的程序设计...................................................................................................26

4.2.2风量检测与控制算法.......................................................................................................29

4.2.3程序中部分梯形图与参数设置说明...............................................................................29

4.3本章小结...............................................................................................................31

5全文总结及展望......................................................................................................32

参考文献..................................................................................................................33附录................................................................................................................................................34

附录ⅠPLC程序STL语言.....................................................................................................34

附录ⅡPLC程序梯形图.........................................................................................................36

附录Ⅲ矿井主通风机变频节能系统PLC电气控制柜原理图....................................40

翻译部分......................................................................................................................41

英文原文..................................................................................................................41

中文译文..................................................................................................................45

致谢................................................................................................................................................53

1绪论

1.1课题研究的背景及其发展意义

煤炭是中国主要的工业生产原料和化工能源，对中国的经济发展起着极其重要的作用，在当今的工业发展中越来越离不开煤炭的支持。

在中国煤炭的发展历史上巨大的人员伤亡是其发展的代价，因此现在越来越重视煤炭的安全生产。

据统计大多数煤炭安全事故大多数诱因为矿井通风系统的不完善和不合理。

在整个煤矿的运作中以通风系统为核心，通风系统中最为重要的当属主通风机，因此使矿井主通风机合理并且安全高效的运行显得很必要。

矿井通风机按照气体的流动方向的不同可以分为离心式通风机和轴流式通风机，现在煤矿上使用较多的是轴流式通风机。

轴流式通风机具有结构简单，稳固可靠，噪声低，运行效率高的特点。

目前很多煤矿的矿井主通风机仍然采用传统继电器控制的方法，风机的启动和停止不能脱离工作人员的操作，自动化水平较为落后。

通风机采取直接启动会对电网有很大的冲击，而采取软启动的方法来对电机进行启动可以减小电网冲击而且减少电能的浪费，通过变频器可以实现对电机的软启动控制。

对于风量的控制，传统的方式是通过改变通风管网风阻力来进行通风量的调节。

例如要减少通风量需要增加管网风阻力，因此需要缩短通风橡胶管的直径，调节风门大小，以及通风机叶片的安装角度来增加管网风阻力，这样的做法虽然在一定程度上可以达到效果，但是风机恒速恒功率运行，会造成不必要的电能浪费，相关原理会在下面的内容解释说明，同时也不能够实时对风量进行调节，不具有实效性。

然而随着PLC在工业技术上的发展，以及变频控制技术的进一步成熟，为通风机风量的实时调节，节能方法提供了一定的技术支持。

通过压力传感器来实时传输通风管网的压力信号给PLC，通过一定的程序设计可以实现PLC控制变频器改变电源频率从而改变风机转速进而改变通风量是本论文设计的理念，从而达到通风机高效稳定的节能运行。

实现节能的运行，自动化运行，符合当今工业4.0的提议，有利于进一步发展我国的工业水平，因此对通风机的变频节能控制很有前景以及发展意义。

1.2可编程控制器控制技术在矿井通风机上的应用

可编程控制器（ProgrammableLogicalController）即简称PLC，是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境设计，它综合了计算机技术，计算机控制技术，半导体技术，数字和计算机网络通信技术。

PLC的定位本身就是应该直接应用于工业环境，因为它具有其它控制器所步具有的特点，主要包括：

减少外部干扰，可靠稳定

微电子技术被应用到PLC中，无触点的电子存储器件完成了大量的开关动作，因此PLC为核心的控制系统可靠稳定，在几万小时以上的工作时间内PLC一般无故障运行，这是其他的控制系统不具有的特性。

结构简单的控制系统，较强的通用性

绝大多数情况下，一个控制系统可以通过一个PLC主机就能组成。

扩展模块可以实现扩展，同一个PLC装置用于不同的控制对象是输入/输出组件和编程环境和组态软件有区别。

所以说PLC具有很强的通用性。

编程方便，易于实用

其编程语言采用与传统控制系统中电气原理图类似的梯形图语言，这种语言形象直观，容易被工作人员接受，不需要专业的编程语言知识，短时间内可以掌握并应用到工作中。

功能强大，成本低

现在所有工业控制功能需求基本能被PLC所满足。

PLC控制系统可以完成单机控制系统，批量控制系统，复杂的逻辑控制，模拟量控制，以及组成通信网络，进行数据处理和管理等任务。

如今的现场总线控制同样有PLC的身影。

同时PLC本身具有抗干扰设计，因此和其它系统相比，其成本较低。

设计、施工、调试的周期短

PLC的硬软件产品齐全，设计控制系统时仅需按性能、容量等选用组装，因此可大大缩短了设计周期，使得设计和施工可同时进行。

因为PLC是通过程序来工作的，在编程环境调试较为方便。

维护方便

PLC的输入/输出端子，可直接反映信号在工作现场的状态，工作人员可以在编程工具中观察控制系统的状态，很大程度上方便了维修人员查找故障，从而缩短系统维护时间。

PLC的以上特点使其在国内外广泛应用在各种钢铁、采矿、水泥、石油、化工、制药、电力、机械制造等领域。

一般来说PLC实现的控制功能包括以下几个方面：

顺序控制

过程控制

模拟量控制

数据处理

通信和网络连接

PLC在矿井通风系统上的应用也主要是以上的控制功能。

使用可编程控制器的顺序控制可以实现多台通风机的切换启动，以及风机切换工频运行和变频运行模式；使用PID控制可以对通风机的风压风量进行闭环调节使井下的空气符合安全生产的要求；使用模拟量控制可以实现通过传感器采集的风压信号经过相应A/D转换模块转换成数字量，在PLC中可以通过编程来对数字量进行逻辑运算，也可以采用相应的算法运算，对于运算出的数字量结果可以通过D/A转换模块转换成模拟量，通过输出的模拟量来控制外部设备，如变频器。

对于PLC的通信和网络连接功能，可以通过计算机网络技术实现工业以太网的通信，通过不同的协议，例如PPI协议、Profibus协议...可以实现PLC与计算机，PLC与变频器等智能设备的通讯，因此可以建立一个监测系统来试实监测通风机的运行状态。

目前可编程控制器控制技术在矿井通风机上已得到大力的发展和重视，随着工业4.0时代的到来，这方面的技术会更加成熟和完善。

1.3变频调速技术的应用

随着计算机控制技术和电力电子技术的发展，变频调速技术逐步应用到工业生产制造中