PLC大型鼓风机监控系统设计.docx

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PLC大型鼓风机监控系统设计

摘　　要

矿井升降机是煤矿安全生产的关键设备之一，它被广泛的用于提升煤炭、矸石，升降人员和下放物料等，在整个煤矿生产中过程中的地位十分重要。

传统的矿井升降机控制系统的控制方式主要是用继电器-接触器来控制，并且通常在电动机转子回路中串接附加电阻进行启动和调速。

这种控制系统存在许多缺点，如：

可靠性差、操作复杂、故障率高、能源浪费量大、效率偏低等缺点。

基于这种情况，采用PLC技术与变频器结合，以改良原有的控制系统，从而提高了系统的可靠性、控制精度和整个电控系统的调速性能。

所以说，升降机提升控制系统的研究很具有现实意义，也是国内外专家和学者着重研究的课题

本文针对传统升降机控制系统中存在的上述问题，把PLC可编程序控制器和变频器应用于升降机控制系统上，并在可行性方面进行了较深入的研究。

事实表明：

采用PLC和变频器结合来控制系统，可使升降机工作起来更可靠，更方便，节能效果也更明显。

关键词：

变频器；PLC；矿井升降机

Abstract

Theshafthoististheforemostequipmentofmines，itiswidelyusedtotransportthematerials，staffandequipment.

Thetraditionalshafthoistcontrolsystemisalwayscontrolledbytherelay-contactor，andadoptsthemethodsofconnectseriesadditionalresistantinrotorswindinglooptostartandadjustspeed.Thesystemhasmanydisadvantagessuchasbadreliability，complicatedoperation，highfaultrate，largeenergy–wastingandlowefficiency.Accordingtothiskindofcondition,weadoptPLCandTransducertoreformfororiginalcontrolsystem,soastoraisethesafety,reliability,controlprecisionandspeedregulationperformanceofthewholeelectriccontrolledsystem.So，carryingontheresearchontheshafthoistcontrolsystemhasrealisticmeanings，anditisasubjectforresearchbyrelevantexpertsandscholars，bothathomeandabroad.

Tothesequestionsexistingintheshafthoistcontro1system，thepaperappliedPLC（ProgrammableLogicController）andfrequencyconvertertothesystemandcarriedondeeperresearchinfeasibility.Thefactindicates，adoptingcontrolsystem，theshafthoistworksreliably，easytouse，energy-savingwell，andhavedynamicalshownfunction.

KeyWords：

Frequencyconversion；PLC；minehoist

目　　录

引　　言

随着我国经济的快速发展，以微处理器为核心的微电子技术、计算机技术和自动控制技术也得到了迅速的发展。

可编程控制器PLC作为工业控制的一种新方法，在工业领域得到了快速的发展，使得可编程控制器PLC应用越来越广泛。

而随着中国经济建设中环保、节能战略的推进，可持续发展战略的实施，高炉大型化成为冶炼行业的发展方向，这就对大型鼓风机高效化提出了紧迫要求,　同时中国的发展也面临着日益严峻的环保形势，为此国家出台了一系列节能减排的强制性措施，其中最主要的就是高炉的大修扩容，而大型鼓风机作为高炉的主要设备，这样就提高了鼓风机对风量以及压力的需求。

同时我们知道大型鼓风机在各种行业生产中是非常重要的复杂设备，具有永久性、隐蔽性、及不可修复性等特点，这决定了鼓风机工程必须质量优良、经久耐用。

在鼓风机控制技术方面，继电器控制系统由于故障率高，控制方式不灵活及功率消耗大等缺点，目前已逐渐被淘汰。

而可编程逻辑控制器PLC控制系统由于运行可靠、使用维修方便、开发周期短、抗干扰性强等优越性，逐渐成为目前鼓风机控制系统中使用最多的控制方式，成为目前鼓风机控制系统的发展方向。

本课题研究的主要内容是基于PLC大型鼓风机监控系统设计，并采用触摸屏对鼓风机控制系统进行上位机的监控。

论文首先对鼓风机控制系统的基础知识进行了简单的介绍，经过对鼓风机控制系统运行情况分析，对设计所用的PLC和变频器做出了合理的选型，并详细的介绍了PLC、触摸屏、变频器之间的通信设置，完成了基于PLC大型鼓风机监控系统设计。

1绪论

1.1鼓风机的简介及其发展情况

1.1.1鼓风机的定义

高炉鼓风机定义：

它是能将一部分大气汇集起来，并通过加压提高空气压力形成具有一定压力和流量的高炉鼓风，再根据高炉炉况的需要进行风压、风量调节后将其输送至高炉的一种动力机械。

从能量的观点来看，高炉鼓风机是把原动机的能量转变为气体能量的一种机械。

鼓风机的作用：

向高炉送风，以保证高炉中燃烧的焦炭和喷吹的燃料所需的氧气。

另外，还要有一定的风压克服送风系统和料柱的阻损，并使高炉保持一定的炉顶压力。

高炉鼓风设备是为冶炼高炉提供足够的含氧空气，它是高炉生产的重要组成部分。

由于高炉冶炼的连续性，要求鼓风机均匀地供给一定量的空气，另外还应有一定的风压，以克服送风系统和料柱阻力，并使高炉保持一定的炉顶压力，在整个冶炼过程中，由于原料、燃料、操作等条件的变化，引起炉况经常改变，也相应地要求供风参数变化，所以高炉风机需要具有一定的稳定调节范围和可靠的安全控制系统。

1.1.2离心式鼓风机的工作原理

离心式鼓风机主要由静止部分和转动部分组成。

静止部分由机壳、进风管、轴承、密封装置、扩叶器、回流器和出风管组成。

转动部分由转子和装在转子主轴上的叶轮、推力盘、平衡轮等组成。

离心式鼓风机的工作原理为鼓风机在原动机带动下高速旋转，它利用旋转时产生的离心力，使流体获得能量，使流体通过叶轮后的压能和动能都能得到升高，从而能够将流体输送到高处或远处。

1.1.3鼓风机的由来与发展

顾名思义风机也就是造风、送风的机械。

风有自然风和机造风之别。

前者的能量和威力很大很大，而后者则是我们所需要的鼓风机。

我国古代是风机鼻祖的发源地，但由于长期的封建统治，人们的智慧受到抑制，工农业受到阻滞。

工业生产的落后带来的是科学技术的落后，鼓风机械也就由盛而衰了。

18世纪，欧洲发生工业革命，蒸汽机车的出现、钢铁工业、煤炭工业的突飞猛进使得通风机、鼓风机、压缩机也就随波逐流地发展起来。

有的国家的风机产品随着钢铁产量的起落而起落，而有的国家的风机产品则又随着石油、石油化工产品的产量的升降而升降。

1862年，英国T·圭贝尔发明了离心通风机，其叶轮、机壳为同心圆型，机壳用砖制，木制叶轮采用后向直叶片，效率为40％左右，主要用于矿山通风。

1880年，人们设计出用于矿井排送风的蜗形机壳和后向弯曲叶片的离心通风机，结构比较完善。

1898年，爱尔兰人设计出前向叶片的西罗柯式离心通风机，并为各国广泛采用。

19世纪，轴流通风机已应用于矿井通风和冶金工业的鼓风，但压力仅为100～300Pa，效率仅为15%～25％。

这种通风机，直到20世纪40年代以后才得到较快的发展。

1935年，德国首先采用轴流等压通风机作为锅炉通风机和引风机。

1948年，丹麦制成运行中动叶可调的轴流通风机，同时对旋轴流通风机、子午加速轴流通风机、斜流通风机和横流通风机也都获得发展。

离心式压缩机是在离心通风机的基础上发展起来的，20世纪出现了压力比为4.5的离心式压缩机。

50年代开始，离心压缩机制造业在欧美的工业发达国家得到发展。

1963年，美国生产出第一台合成氨厂用的14.7MPa高压离心压缩机，采用筒型机壳代替水平剖分型机壳，又称筒型压缩机，它能承受10MPa以上的压力。

70年代，美国、意大利和德国先后制成60～70MPa高压筒型压缩机，筒体壁厚280mm。

80年代初排气压力已达80MPa。

离心压缩机的转速一般为每分钟几千转以上，有的已达到25000转以上，所需功率可达几万千瓦，流量已达

/min。

离心压缩机的常规叶轮是以一维流动理论为基础设计的，60年代开始应用三维流动理论设计空间扭曲叶片，以改善叶轮级的性能。

轴流压缩机也是在欧洲首先出现的。

19世纪末，英国人C·A·帕森斯让多级反动式汽轮机反向旋转，作为试验用轴流压缩，但由于效率很低而不能使用。

20世纪初，英国制造出第一台轴流压缩机，效率仍不高。

一直到30年代，由于航空事业的发展，开展了对轴流压缩机气体动力学理论研究和试验研究，效率才有显著提高。

亚音速级（气流速度低于声速）中压力比不大，一般不超过1.3。

为了提高风机的压力比，同时增大风机的流量，人们开始研究跨声速和超声速压缩机，并已广泛应用于喷气发动机。

1.1.4鼓风机的国内外发展情况

随着鼓风机制造行业竞争的不断加剧，大型鼓风机制造企业间并购整合与资本运作日趋频繁，国内优秀的鼓风机制造企业愈来愈重视对行业市场的研究，特别是由于对产业发展环境和产品购买者的深入研究，一大批国内优秀的风机品牌迅速崛起，逐渐成为风机制造行业中的翘楚。

国内一些有代表性的企业已在透平压缩机和大型鼓风机科技制造中，普遍采用三元流动设计和计算机辅助设计及辅助制造。

“九五”将重点发展大型电站、矿井风机、40万吨/年乙烯用“裂解三机”、30万吨/年合成氨和52万吨/年尿素装置用五大透平压缩机组，提高电厂锅炉引风机动叶片的耐磨性能、延长寿命。

对于量大面广的高压鼓风机，以高效节能和低噪声为发展方向，改进风机设计和采用措施扩大调节范围，提高变负荷条件下鼓风机效率即运行效率。

在国内工业生产和产品加工制造业中，鼓风机设备应用广泛。

八十年代初发展起来的变频调速技术，正是顺应了工业生产自动化发展要求，使得鼓风机类机器的控制改变了以前多采用继电器-接触器的控制的状况，克服了故障率高，可靠性低的缺点。

近年来随着控制技术的不断发展，利用PLC代替继电器-接触器则大大的改善了鼓风机监控系统的性能，目前PLC系统已朝向人机界面更加友好，网络通讯能力大大加强，开放性和操作性大大发展，处理功能进一步增强，与以太网融合的方向发展。

在国外，为满足工程装置大型、连续化要求，在鼓风机机上普遍采用了三元流动理论，使产品实现高效率。

采用旋转气体密封、气体轴承、磁力轴承等技术，以提高转速，减小结构尺寸，日本神户制钢所、美国英格索兰公司已成功地研制出这种产品。

由于鼓风机的大型化和高速化使噪声问题更为突出，国外正加紧致力于降低噪声的研究。

近年来采用主动声源控制法降低通风机旋转噪声已获成功。

为适应多变市场，一些公司正致力于实现CIMS，这一技术的应用，有力的推动鼓风机向高效、大容量方向发展。

此外，一些先进的制造工艺逐步在鼓风机制造中采用。

1.2可编程控制器

1.2.1可编程控制器的产生

20世纪60年代，由于小型计算机的出现和大规模生产及多机群控的发展，人们曾试图用小型计算机来实现工业控制，代替传统的继电接触器控制。

但采用小型计算机实现工业控制价格昂贵，输入、输出电路不匹配，编程技术复杂，因而没能得到推广和应用。

20世纪60年代末期，美国汽车制造工业竞争激烈，为了适应生产工艺不断更新的需要，在1968年美国通用汽车公司首先公开招标，对控制系统提出的具体要求基本为：

①它的继电控制系统设计周期短、更改容易、接线简单、成本低；②它能把计算机的功能和继电器控制系统结合起来，但编程又比计算机简单易学、操作方便；③系统通用性强。

1969年美国数字设备公司根据上述要求，研制出世界上第一台可编程序控制器，并在通用公司汽车生产线上首次应用成功，实现了生产的自动控制。

其后日本、德国等相继引入，可编程序控制器迅速发展起来。

但这一时期它主要用于顺序控制，虽然也采用了计算机的设计思想，但当时只能进行逻辑运算，故称为可编程序逻辑控制器，简称PLC（ProgrammablcLogicController）。

20世纪70年代后期，随着微电子技术和计算机技术的迅猛发展，可编程逻辑控制器更多地具有计算机功能，不仅用逻辑编程取代硬接线逻辑，还增加了运算、数据传送和处理等功能，真正成为一种电子计算机工业控制装置，而且做到了小型化和超小型化。

这种采用微电脑技术的工业控制装置的功能远远超出逻辑控制、顺序控制的范围，故称为可编程序控制器，简称PC（ProgrammablcController）。

但由于PC容易和个人计算机（PersonalComputer）混淆，故人们仍习惯地用PLC作为可编程序控制器的缩写。

1.2.2PLC的定义及工作原理

可编程控制器简称PLC（ProgrammableLogicalController），以微处理器为核心，综合微机技术、电子应用技术、自动控制技术及通信技术而发展起来的工业自动化控制装置。

国际电工委员会（IEC）于1987年颁布了其标准及定义：

“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计，它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的命令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。

可编程控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统连成一个整体，易于扩充功能的原则而设计。

”

PLC是基于电子计算机，且适用于工业现场工作的电控制器。

通过运行存储于PLC内存中的程序，进行入出信息交换实现控制。

入出信息交换、可靠物理实现是PLC实现控制的两个基本要点。

入出信息交换靠运行存储于内存中的程序实现的。

程序包含PLC生产厂家提供系统程序和用户根据需要自行开发的应用程序。

系统程序提供了运转平台，同时还为PLC用户程序的可靠运行及信号与信息转换进行必要的公共处理。

可靠物理实现主要输入（INPUT）及输出（OUTPUT）电路。

PLC的输入电路要对输入信号进行滤波处理，去掉高频干扰，在内部与计算机电路进行光电隔离，靠光耦原件或继电器建立连接。

输出电路需进行功率的放大，以带动一般地工业控制元器件，如电磁阀、接触器等。

PLC的工作过程：

图1.1可编程控制器的工作过程

PLC实现控制的方式是以扫描方式为主，中断方式为辅的控制方式。

大量控制都是用扫描方式，个别急需的处理，可通过中断这个扫描运行的程序的方式来执行。

1.2.3PLC的功能与特点

1、PLC的功能

随着自动化技术、计算机技术及网络通信技术的迅速发展，PLC的功能日益增多。

它不仅能实现单机控制，而且能实现多机群控制，不仅能实现逻辑控制，还能实现过程控制、运动控制和数据处理等，其主要功能如下：

（1）开关量逻辑控制

这是PLC的最基本的功能。

PLC具有强大的逻辑运算能力，它提供了与、或、非等各种逻辑指令，可实现继电器触点的串联、并联和串并联等各种连接的开关控制，常用于取代传统的继电器控制系统。

使用PLC提供的定时、计数指令，可实现定时、计数功能，其定时值和计数值可由用户在编程时设定，也可用数字拨码开关来设定，其值可进行在线修改，操作十分灵活方便。

（2）模拟量控制

在工业生产过程中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。

PLC提供了各种智能模块，如模拟量输入模块、模拟量输出模块、模拟量输入输出模块、热电阻用模拟量输入模块、热电阻用模拟量输出模块等，通过使用这些模块，把现场输入的模拟量经A/D转换后送CPU处理；而CPU处理的数字结果，经D/A转换成模拟量去控制被控设备，以完成对连续量的控制。

（3）闭环过程控制

使用PLC不仅可以对模拟量进行开环控制，而且还可以进行闭环控制。

配置PID控制单元或模块，对控制过程中某一变量（如速度、温度、电流、电压等）进行PID控制。

（4）定时、定位、计数控制

PLC具有定时控制的功能，它为用户提供了若干个定时器，定时器的时间可以由用户在编写程序时设定，也可以用拨盘开关在外部设定，实现定时或延时控制。

定位控制是PLC不可缺少的控制功能之一。

PLC提供了定位模块、脉冲输出模块等智能模块，以实现各种需求的定位控制。

PLC具有计数控制的功能，它为用户提供了若干个计数器或高速计数模块。

计数器的计数值可以由用户在编写程序时设定，也可以用拨盘开关在外部设定，实现计数控制。

（5）顺序（步进）控制

在工业控制中，选用PLC实现顺序控制，可以采用IEC规定的用于顺序控制的标准化语言——顺序功能图进行设计，可以用移位寄存器和顺序控制指令编写程序。

（6）网络通信

现代PLC具有网络通信的功能，它既可以对远程I/O进行控制，又能实现PLC与计算机之间的通信，从而构成“集中管理，分散控制”的分布式控制系统，实现工厂自动化。

PLC通过RS232接口可与各种RS232设备进行通信。

PLC还可与其它智能控制设备（如变频器、数控装置）实现通信。

PLC与变频器组成联合控制系统，可提高交流电动机的自动化控制水平。

（7）数据处理

现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。

这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。

2、PLC的特点

（1）通用性强、灵活性好、功能齐全

PLC是专为在工业环境下应用而设计的，具有面向工业控制的鲜明特点。

通过选配相应的控制模块便可适用于各种不同的工业控制系统。

同时，由于PLC采用存储逻辑，其控制逻辑以程序方式存储在内存中，当生产工艺改变或生产设备更新时，不必改变PLC的硬件，只需改变程序，改变控制逻辑，其连线少，体积小，加之PLC中每只软继电器的触点数理论上无限制，因此，灵活性和扩展性都很好。

（2）可靠性高、抗干扰能力强

为了确保PLC在恶劣的工业环境下能可靠的工作。

在设计中强化了PLC的抗干扰能力，使之能抗诸如电噪声、电源波动、振动、电磁干扰等的干扰。

PLC能承受电网电压的变化，可直接由交流市电供电，直接取自电控箱电源。

即使在电源瞬间断电的情况下，仍可正常工作。

PLC在设计、生产过程中除了对元器件严格筛选外，硬件和软件还采用屏蔽、滤波。

光电隔离和故障诊断、自动恢复等措施，有的PLC还采用了冗余技术等，进一步增强了PLC的可靠性。

（3）编程简单、使用方便

PLC在基本控制方面采用梯形图语言进行编程，这种梯形图是与继电器控制电路图相呼应的，形式简单、直观性强，广大电气人员容易接受。

用梯形图编程出错率比汇编语言低得多。

梯形图、流程图、语句表之间可以有条件的相互转换，使用极其方便。

（4）模块化结构、安装简单、调试方便

PLC的各个部件，包括CPU、电源、I/O等均采用模块化结构设计，由机架和电缆将各模块连接起来，由于配置灵活，使扩展、维护更加方便。

另外，PLC的接线十分方便，只需将输入信号的设备（如按钮、开关等）与PLC的输入端子相连，将接受控制的执行元件（接触器、电磁阀等）与输出端子相连即可。

调试工作大部分是室内调试，用模拟开关模拟输入信号，其输入状态和输出状态可以观察PLC上相应的发光二极管，可以根据它进行测试、排错和修改。

1.2.4PLC的发展历史、现状及其趋势

1、发展历史

虽然PLC问世时间不长，但是随着微处理器的出现，大规模、超大规模集成电路技术的迅速发展和数据通讯技术的不断进步，PLC迅速发展，其发展大致可分为三个阶段。

（1）早期的PLC（20世纪60年代末-70年代中期）一般称为可编程逻辑控制器。

这时PLC多少有点继电器控制装置替代物的含义，其主要功能一般适用于单一的工序的自动控制。

它在硬件上以准计算机的形式出现，在I/O接口电路上做了改进以适应工业现场控制的要求。

早期的PLC装置中主要采用分立元件和中小规模集成电路，初期采用磁芯存储区存储；另外还采用了一些措施，以提高其抗干扰能力。

在软件编程上，采用广大电气工程技术人员所熟悉的继电器控制线路的方式-梯形图。

因此，早期的PLC的性能要优于继电器控制装置，其优点包括简单易懂，便于安装，体积小，功耗低，有故障指示，能重复使用等。

（2）中期的PLC（20实际70年代中期-80年代中后期）在微处理器的出现使PLC发生了巨大的变化。

美国、日本、德国等一些厂家先后开始采用微处理器作为PLC的中央处理单元（CPU）。

这样使PLC功能大大增加。

在软件方面，除了保持原有的逻辑运算、计时、计数等功能以外，还增加了算术运算、数据处理和传送、通讯、自诊断等功能。

在硬件方面，除了保持其原有的开关模块外，还增加了模拟量模块、远程I/O模块以及各种特殊功能模块，并扩大了存储器容量，使各种逻辑线圈的数量增加，还提供了一定数量的数据存储器，使PLC应用范围得以扩大。

（3）近期的PLC（20世纪80年代中后期至今）由于超大规模集成电路的应用并迅速发展，微处理器的市场价格大幅度下跌，各种类型的PLC所采用的微处理器的档次普遍提高，而且为了进一步提高PLC的处理速度，各制造厂还纷纷研发了专用逻辑处理芯片，这使得PLC软硬件功能发生了巨大变化，跨入21世纪后，就整体而言，不论是硬件还是系统软件，以至于联网通信，PLC正在向标准化方向发展。

PLC自问世以来，经过40多年的发展，在美、德、日等工业发达国家已成为重要的产业之一。

世界总销售额不断上升，生产厂家不断涌现、品种不断翻新。

产量产值大幅度上升而价格则不断下降。

作为离散控制的首选产品，PLC在我国的应用已有30年的历史。

PLC自20世纪70年代后期进入中国以来，应用增长十分迅速。

PLC进入中国时最初是从成套设备引进应用，由于PLC价格昂贵，引进的PLC主要用于冶金、电力、自动化生产线等大的设备和系统。

在引进国外PLC产品的过程中，我国也曾组织了相关单位消化、吸收PLC的关键技术，试图对PLC进行国产化。

到80年代在上海、北京、西安、广州、长春等地的20多家科研单位、大专院校和工厂研制和生产PLC产品，具体的单位有：

北京机械工业自动化研究所、上海工业自动化仪表研究所、大连组合机床研究所、成都机床电器研究所、中科院北京计算机所及自动化所、长春一汽、上海起重电器厂、上海香岛机电公司、上海自力电子设备厂等单位。

但终因缺乏资金和后续研究力量、生产技术相对落后，都没有成功实现产业化。

PLC产品运作是否成功不是由简单的一两种因素决定的。

近10年来，随着PLC价格的不断降低和用户需求的不断扩大，越来越多的中小设备开始采用PLC进行控制。

2、现状及趋势

PLC被公认为现代工业自动化三大支柱（PLC、机器人、CAD/CAM）之一，从世界范围来看，PLC的产量、销量都非常的高，在我国也呈直线上升，几乎在国民经济的所有部门得到了迅速的普及与推广。

全世界PLC及其系统的研究与制造达200多家公司，生产着100多个系列的产品。

但若按其发展的历史渊源和所受的地域影响来划分，大体可分为三个流