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1、河 南 工 业 职 业 技 术 学 院Henan Polytechnic Institute毕业设计（论文） 题 目：基于PLC的风机变频调速控制 系统设计班 级：电气自动化技术1001目 录 摘 要11 绪论22 系统结构和控制方案32.1 系统的设计功能32.2 系统结构和方案33 系统硬件构成及各部分功能63.1 PLC可编程控制器部分63.1.1 PLC概述63.1.2 PLC外部 I/O 连接73.1.3 I/O接线图83.2 变频调速的基础知识103.3 模数转换模块103.4 离心风机113.5 变频器的选型和容量的确定124 系统硬件设计144.1 硬件电路144.2 系统控制
2、电路设计155 软件设计165.1 瓦斯浓度控制部分165.2 压力控制部分175.3 温度控制部分196 结束语21致 谢22参 考 文 献23附图 总程序24摘 要在最近几年，PLC 以其诸多优异特点获得广泛的使用，在工业先进国家已成为工业控制的标准设备。它专为工业控制而设计，集电气、仪表、控制三电于一体，是实现机电一体化的理想控制设备。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，实现对离心风机工作过程和运转速度的有效控制，使矿井通风机通风高效、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，
3、为煤矿矿井通风系统的节能技术改造提供一条新途径。关键词：矿井，离心通风机，PLC，变频器361 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
4、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
5、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
6、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
7、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 45 kW 为例，选用一台S72200 PLC、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。plc控制器气压给定瓦斯
8、浓度给定显示部分报警部分电控部分变频器1变频器2机组1机组2空气压力传感器瓦斯浓度传感器矿井图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。
9、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 420 mA 直流电流信号、0 5 V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
10、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3.1 PLC可编程
11、控制器部分3.1.1 PLC概述PLC即可编程控制器（Programmable logic Controller，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（International Electrical Committee）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：PLC英文全称Programmable Logic Controller，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
12、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
13、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
14、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
15、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。3.1.2 PLC外部 I/O 连接根据系统的要求，选取 S72200 PLC CPU224作为控制核心，CPU224的I/O点数是14 /10;扩展了1个EM 231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25s，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 5 V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
