基于PLC的矿井主通风机变频调速研究.pdf

工业控制计算机 2 0 1 2年第 2 5卷第 2期 1 0 1 基于 P L C的矿井主通风机变频调速研究 S t u d y o f F r e q u e n c y Sp e e d Sy s t e m o f Mi n e Ma i n V e n t i l a t o r b y P L C 曹吉花 宿州学院， 安徽 宿州 2 3 4 0 0 0 摘要 通风机是煤矿生产的主要设备之一 ， 采 用 P L c控制的 变频调速 方案 ， 使通风机的 转速及 时的跟 随风压 、 风量的变化 而 变化 ， 以实现 通风量的动 态调整。具有灵 活、 方便 、 节能、 无人值 守和运行 可靠等优点 ， 实现 了矿 井主通风机连 续可靠运行。 关键词 通风机 ， 变频调速 ， P L C， 节能 Ab s t r a c t Mi n e main v e n t i la t o r i s on e of t h e mai n equ i p me nt s ． T he p ape r pr opo s e s ba s e d on，f r equ en c y co n v eR er by PL C． Ex pe r i me n t in di c at e s t ha t t he v e n t i la t or s pe e d ch a n ges ac c or din g t o wi n d pr es s u r e a nd me t ha n e co n t r ol algor it h m． I t i n cr e as e s t he mi n e v e n t il a t or ef f i c i e n cy ， t his s y s t e m i s s a f et y r eli a ble an d l o w pr ice ， wh i c h mak e s an impo a n t r o l e on t h e s a f et y a n d h i gh e f f i c i e n t r un n i n g o f t h e main f a n s． Ke y wor d s main ve n t il a t or ，f r equ e n cy c on v e er ，PL C，en e r gy s a v i n g 煤矿主通风机是煤矿生产 的主要设备之一 ，矿井主通风机 的负荷是随着矿井 的开拓变化而变化的 ，通风机是按矿井生产 几年或十几 年甚 至几 十年后 的用风量来选择 的，采用变频调速 技术可使通 风机转速随矿井需风量 的多少而变化 ，从而使通风 机运行在最佳工况点 ， 从 而达到节能的 目的。 目前 ， 国内使用的 一 些通风机变频调 速系统 ， 多采用单片机控制 ， 控制 策略简单 ， 通风效率低。而采用 功能可靠 的 P L C控制可以提高系统 的稳定 性与可靠性 。 1 主通风机变频调速 系统 通风机 变频调速 系统利用触摸屏 、 P L C、 变频器 、 主通 风机 及传感器组成闭环控制系统[ | ] 。S 7 2 0 0 P L C通过变 频器对通 风机进行变频调速 ， 实现节 能 目的。系统采用 闭环控制方式 ， 控 制通风机的转速 。 在通风机的出风 口装有压力传感器 ， 根据压力 传感器的输 出信号判断煤矿巷道通风情况 ，当风压和风速不能 满足巷道通 风要求时调整风机的转速 ，以满足煤矿安全生产的 需要。系统框图如 图 1 所示 。 图 1 主通风机变频调速系统 1 ． 1系统功能 为了实现主通风机 的可靠运行 ， P L C控 制的变频调速 系统 应具有如下 功能 1 自动方式 此种工作方式不需要人的参与 ， 完全 由现场 的 P L C进 行智 能检测控制 ， 运行 过程 中一旦 出现 问题 ， 通风机能 自动的调节风 量并能切换 到另一 台备用通风机 ， 同时提示维护人员发生故障。 2 远程控制 应用监控 系统 的上位机进行控制 ，此时 ，自动控制方式失 效 ， 只能 由集控室的工作人 员进行相应 的控制 。此种方式下 ， 工 高等学校 省级优 秀青年人才基金项 目 2 0 1 1 S QR L 1 5 6 作人员必须按照正确的操作 规程 进行 控制 ， 为 了可靠实现 ， 在上 位机软件上应进行相应 的互 锁控 制 ， 如果操作 出错 ， 应进行相应 的警告或提示 。 3 手动控制 在此种运行方式下 ， 所有控制均在现场 的触摸屏上进行 ， 此 种控制优先级最高。 在此种方式下进行操作时 ， 因为触摸屏是直 接改写 P L C 的内部寄存器 ， 所 以要求操作人员严格按照操作规 程进行操作 。 4 自诊断功能 系统具有 自诊断功能 ， 在起动设备前 ， 依靠 系统 的检测装置 对设备 的运行条件进行 检测 ， 如果不满足运行条件 ， 则给出相应 的警告 ， 提示维护人员进行维修。 5 通风机运行控 制 1 通风机转速正反 向控制。 通风机正常运行是 正向旋转 的， 当井下发生火灾时 ， 需要进行反风运行 ， 要求 系统可提供两种模 式的反风运行 ， 一是 自动反风 ， 即在 P L C控制下 ， 通过通信方式 接收火灾系统的信号 ， 以便及时获得火灾信息 。二是手动反风 ， 即需要进行反风操作时 ，操 作人 员可通过触摸屏或 远程监控终 端进行有权限的发出反风指令 ， 系统会 自动转入反风运行状态 。 2 瓦斯联 动技术。为了更好的发挥通风机的作用 ， 通风机运 行系统与井下 的瓦斯检测系统应进行联动控制 ， 当井下的瓦斯含 量偏高时 ， 则 P L C能 自动 的发 出相应的指令 ， 提高变频器的输 出 频率 ， 以提高通风量 ， 缓解瓦斯的浓度 ， 达到安全生产的 目的。 3 通 风机变频运行。P L C能根据 压力传感器的测定信号改 变控制程序控制通风机的通风量 。 1 _ 2变频调速系统 的实现 电机 的转速与频率的关 系为[ n n 0 1 一 s 6 0 f 1 ／ p 1 一 s 。 n 电机 的转速 ， n o 电机的 同步转速 ， f 1 电源频率 ； P电机 的极对 数 ； S 电机的转差率 。 由上式可知 当改变电机的电源频率时 ， 就 可以改变 电机 的转速。 而且电源频率可 以大于也可以小于工频 ， 电机的转速可 以向上调 ，也可以向下调。而且 频率 可以连续 变 化 ， 电机的转速相应 的也可 以连续调节。 即电机 的转速可以实现 1 O 2 基于 P L C的矿井主通风机变频调速研究 无 级调速 。P L C控制的变频调速系统如图 2所示 。 图 2 P L C 控 制 的 变频 器 2 P L C控制系统 的硬件与软件 实现 2 ． 1 PL C 选 型 系统采用 S 7 2 0 0 P L C作为下位机 [3 ] ， S 7 2 0 0 P L C硬件 系统包含一 定数量 的输 入／ 输 出 I ／ O 点 ， 同时还 可 以扩展 I ／ O 模块和各种功能模块。根据控制系统 l／ O点数及地址分配可知 ， 系统共有 5个 开关量输入 ， 6个开 关量 输出 ， 1 个模拟量输入 ， 1 个模拟量输出。可以选用 CP U 2 2 4 P L C 1 4 DI／ 1 0 D O ， 再扩展一 个模拟量模块 E M2 3 5 4 A I ／ I A O 。 P L C与上位机采用自由IZ l 通信 方式 ， P L C工作于从站 ， P C工作于主站 ， P L C从站只响应来 自于 主站的申请。主站向 P L C发送指令格式 的报文， 读指令 O O向从 站 P L C 申请产生数据 ， 读取通风机 的风压 ， 频率 ， 工频台数等数 据 ； 写指令 O 1向 P L C传送产生于主站的数据 ， 包括风压设定值 和控制器 的输出值 。在 自由口通信模式下 ， 通信协议完全由用户 程序控制 。通过设定特殊存储字节 S MB 3 0 端 口0 或 S MB1 3 0 端 口 1 允许 自由口模 式 ， 用户程序可 以通过发送 中断 、 接收中 断 、 发送指令 X MT 和接收指令 R C V 对通信 口进行操作。 2 _ 2软件实现 根据控制功能要求 ， P L C控制系统 的软件包括电机加 速、 恒 速 、 减速三段梯形图。其 中恒速部分采用 P I D控制。 系统 软件主要包括上位 机监控软件 和下位机 P L C 的控制 软件 [4 ] 。上位 机利用组态 软件 进行组态 ， 实现运 行工况 动态显 示 、 实时数据获取及历史数据存储 与打印 、 故 障报警等功能 ， 即 实现整个系统的集 中监测和控制。上位 机与下位机之 间通过 以 太 网方式通信 ，共 同完成整个 控制系统 的现场流程控制和远程 监测管理控制功能 。 通风机恒速运行时 ， P L C使用 P I D控制 。系统工作过程 当 系统开始工作时 ， 首先接通变频器 ， 然后通过接触器把通风机接 入变频器输 出端 ， 实现电机 的软启动 。同时 ， 安装在通风机通风 口的压力 传感器 将风 压转换 成 4 - 2 0 mA 的电信 号送 到 P L C， P L C根 据给定值 与测量值 的偏差 ，按 照 P I D控制器 的控制策 略 ， 在压力允许的范围内， 由变频器调节电机 的转速达 到调节风 压 的 目的。在超出压力允许的范围内 ， 通过结构调整 ， 再结合变 频器达到调节压力的 目的。 当通风机 的风压 降低时 ，此时 P L C输 出相应控制信号 ， 使 变频器带动通风机电机升速 ， 把更多的风量送到井下。 P I D指令 的功能是利用 回路表中 的输入信 息和组态 软件 ， 进行 P I D调节。 指令格式为 P I D T B L ， L OOP 。 T B L是 回路表地 址 ， 是 V B所指定的字节型数据 ； L OOP是 回路号 ， 范 围是 0 7 。 用户程序 中， 最多可以有 8条 P I D回路 ， 不 同的回路不能用相 同 的回路号。 对主通风机转速进行控制 ，要求电动机的转速不超 过额度 转 速 的 2 0 ％ ，系统 采 用 P I D控 制 ，若 K c 0 ． 5 ， T s 0 ． 1 S ， T i 1 0 mi n ， T a 5 mi n 。在此控制 系统 中 ， 由于考虑 电动机 需要正 、 反 转 ， 所 以设定输出为双极性模拟量 。 P I D指令的控制如下 。该程序包括 一个 初始化程序和 P I D 回路表加载程序 以及 中断处理子程序和 P I D启 动子程序 ，此程 序包括 了 P I D控制 的主干内容 ， 但是只是一个模拟控制程序 ， 没 有考虑现场的许 多影响因素 ， 所 以在实 际应用时 ， 还应 该考 虑各 种保护及抗干扰 问题 。其程序的 S T L指令格式如下 MAl N L D S MO ． 1 ／ ／初始化脉冲 ， ON持续一个扫描周期 C AL L S BR 一 0 ／ ／ 调用 P I D装载子程序 P I D 回路表装载子程序 L D S MO ．0 ／ ／始终 为 ON MOV R 0 ． 2 ， V D3 0 4 ／ ／ 载人设定值 2 0 ％ MOV R 0 ． 5， V D3 1 2 ／ ／ 载入 回路增益 0 ．5 MOV R 0 ． 1 ， V D3 1 6 ／ ／ 载人采样时间 1 0 0 ms MO VR 1 O ． 0， V D 3 2 0 ／ ／载人积分时间 1 O min MOV R 5 ． 0， V D3 2 4 ／ ／ 载人微分时 间 5 min MOV B 1 0 0， S MB 3 4 ／ ／ 每 0 ． 1 S中断 A T CH I N T _ -O ， 1 0 ／ ／设定 时基 中断 中的定时中断 0 E NI ／ ／ 开中断 中断子程序 LD ● SM0． 0 IT D AIW0， VD 0 ／ ／ 采样通道 A1 0输入模拟信 号 ，并将整 数转化为双整数 DT R V D 0， VD 0 ／ ／将双整数转化为实数 ／ R 6 4 00 0． 0， VD0 R 0 ． 5 ， V D 0 ／ ／将 实数归一化处理 MOV R VD 0 ， V D3 0 0 ／ ／ 归一化后 的值放在 回路表地址中 L D I O．0 P l D VB 3 0 0， 0 ／ ／ 启动 P I D调节 L D SM0． O MOV R V D 3 0 8 ， A CO ／ ／将输出值存 于累加器 A CO中 一 R 0． 5， AC0 R 6 4 0 0 0 ． 0， AC 0 ／ ／将这个值转化成实数 R OUN D AC 0， AC O ／ ／把实数转化成双整数 D T I A CO ， A C0 ／ ／双整数转化成 整数 MOV W AC 0， A QW0 ／ ／整数输出到 AQO口 3结束 语 采取 P L C具有 的 P I D功能指令对通风机控制 ， 避免 了通风 系统数学模型难以建立的困难 ， 而且 P I D控制器的结构典型 ， 程 序设计 简单 ， 易于实现 ， 参数调整方便。 经实验证 明， 该 方法控制 简单 ， 可靠性高 ， 不 仅能满足矿井所需 的通风量 ， 而且 能根据瓦 斯浓度 自动调整通风机的通风 量 ，避免 了传统 手动操作时通风 机工作状态频繁切换的问题 。 ． 参考文献 [ 1 ] 付华 ， 单亚锋 ， 尹丽娜． 自调 整模 糊控制在矿井局部 通风机 中的应用 [ J ] ． 电力 电子技术 ， 2 0 0 7 ， 4 1 6 2 7 2 9 [ 2 ] 陈建 明． 电气控制与 P L C应用 [ M] ． 北京 电子工业 出版社 ， 2 0 0 9 [ 3 ] 袁国忠． 变频调速技术在 矿用对旋轴流式通风 机上的节能应用 与分 析 [ J ] ．煤矿开采 ， 2 0 0 9 ， 1 4 4 6 7 6 9 [ 4 ] 李小川 ， 王启立 ， 刘铁 星 ， 等 ．基 于智能模块 的主通风机性能监控 系统 设计 [ J ] ． 矿 山机械 ， 2 0 0 9 ， 3 7 1 2 5 - 2 7 [ 收稿 日期 2 0 1 1 ．9 ． 9 ] 欢迎订阅投稿 欢迎到当地 邮局订阅 2 0 1 2年我 刊 工业控制计算机 ， 订阅代号 2 8 6 0 ， 月刊 ， 定价 1 0 ． 0 0元／ 期 。 投稿可直接发往邮箱 i p c m, n j 1 6 3 ． c o m， 投稿详细要求请参见我刊网站 W W W． i p c m． c o m． c n “ 稿件征集” 频道。