基于PLC的煤矿通风机不间断电源的设计.pdf

l 0 6- 工业仪表与自动化装置 2 0 1 3年第 6期 基 于 P L C 的煤 矿 通风 机 不 间断 电源 的设 计 訾鸿， 宣丽萍 黑龙江科技 大学 电气与控制工程学院， 哈尔滨 1 5 0 0 2 2 摘要 为了提 高矿井供电的安全性与可靠性， 提 出了以 P L C为控制器的不间断 电源 系统的设 计方案， 并使 用 S T E P 7软件的 S 7一 P L C S I M仿真功能对控制 系统的程序进行 了调试。仿真结果表 明， 该系统可以实现在井下常规供 电故障时对煤矿风机持续供 电， 达到 了设计的预定 目标。 关键词 P L C； 煤矿 通风 机 ； 不间 断 电源 ； S T E P 7软件 中图分类号 T M4 4 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 0 0 6 8 2 2 0 1 3 0 6 0 1 0 6 0 3 De s i g n o n un i n t e r r up t a bl e po we r s up pl y f o r mi ne b l o we r b a s e d o n PLC ZI Ho ng，XUAN Li p i n g H e i l o n g fi a n g U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， C o l l e g e of E l e c t r i c a n d C o n t r o l E n g i n e e r i n g ， H a r b i n 1 5 0 0 2 2 ，C h i n a Ab s t r a c t I n o r d e r t o e n h a n c e s e c u r i t y a nd r e l i a b i l i t y o f mi n e p o we r s u p p l y， t h e d e s i g n p l a n a b o u t u n i n t e r r u p t a bl e p o we r s y s t e m ba s e d o n PLC i s p u t f o r wa r d． Th e p r o g r a ms o f t h e c o n t r o l s y s t e m a r e d e b u g g e d b y u s i n g S 7一P LC S I M s i mu l a t i o n f u n c t i o n o f S T EP 7 s o f t wa r e ． S i mu l a t i o n r e s u l t s h o w t ha t t h e s y s - t e rn c a n a c h i e v e s c h e du l e d g o a l s o f d e s i g n a n d s u p p l y a l o n g t i me p o we r wh e n t h e mi ne b l o we r h a s a p o w e r o u t a g e ． Ke y wo r d s PL C； mi n e b l o we r ； u n i n t e r r up t a b l e p o we r s u p p l y； S TEP 7 s o f t wa r e 0 引言 近几年来 ， 由于停电停风造成煤矿瓦斯浓度超 限而引起 的瓦斯爆 炸事故时有发生 ， 给 国家和人 民 造成了巨大的经济损失 。因此 ， 为通风机配备一 个可以持 续供 电的大 功 率不 间 断 电源是 至关 重 要 的 。 该文设计 的不 问断电源 U P S ， 是一种能在市 电故障时， 可以向负载持续提供优质和高效 的交流 电， 并且具有绿色环保型的备用电源， 用作煤矿风机 的应急备用电源能够进一步提高矿井供 电的安全性 与可靠性 1 不 间断电源系统 的组成 与工作原理 1 ． 1 不间断电源系统的组成 该文设计 的应急供电电源主要包括整流器 、 逆 变器 、 充电器和储能装置 蓄 电池 等 4个 部分， 其 系统结构框图如图 1所示。 收稿 日期 2 0 1 3 0 41 0 基金项 目 黑龙江省教育厅科学技术研究项 目 1 2 5 3 1 5 9 3 作者简 介 訾鸿 1 9 7 8 ， 女 ， 齐齐哈尔人 ， 讲师 ， 硕 士研 究生 ， 主 要从事电路 、 电子技术和 电工学的理论和实践教学工作 。 出 图 1 不问断 电源系统结构框图 不 问断电源的整流部分有 3种结构 一是采用 二极管不控整流加上 D CD C电路 ， 适用于功率比 较小的不问断电源； 二是采用晶闸管相控整流， 适用 于中大功率的不间断电源 ； 三是采用全控开关器件 的 P WM整 流器 ， 适 用于 中等容 量 的不 间断 电源 。 虽然相控式整流 电路结构简单 ， 控制技术成熟 ， 但交 流输入功率 因数低 ， 并 向电网注入大量的谐波电流， 不满足绿色用电的要求 ， 所 以该设计选择 了全控 开关器件的 P WM整流电路。整流器对输入的三相 交流电进行整流。 逆变器部 分是 整个不 问 断 电源系统 的核 心 ， U P S的技术性能 、 质量 主要取决于它。逆变 电路采 用 I G B T大功率模块 ， 该模块输入采用场效应管 ， 输 出采用三极管 。它能将整流器输出的直流电或者储 能装置输出的直流 电逆变成高质量的交流电供给负 载 ， 以保证负载的运行。 充 电电路是 由整流器和控制 电路两部分组成。 2 0 1 3年第 6期 工业仪表与自动化装置 1 O 7 它能够在市 电正常时， 为蓄电池组充电， 并且充电电 路必须具有恒压和恒流的功能， 而对充 电过程 的控 制是由控制 电路来完成的。该文研究的不间断电源 系统的控制 电路是 由 P L C来 实现的。P L C一方面 对市电故障进行检测 ， 以判断是否对储 能装置进行 充 电； 一方面在蓄电池组充电的过程中， 对传感器采 集的信号作 出分析和判断 ， 根据充电要求实 时调整 整流器的输 出， 以保证充 电过程平稳进行。 蓄电池是 U P S的储 能装置。U P S中的蓄 电池 应具有 良好 的大电流放电特性 ， 采用常用的免维护 密封式铅酸蓄电池。 1 ． 2 不间断电源系统的工作原理 不问断电源的工作原理如下 1 当市电供电正常时， 开关 S 、 S 闭合， 开关 S S 断开。市电提供的交流电一路经整流器 、 逆变器、 滤波 器给负载供电， 另一路经充电器为储能装置充电。 2 当市电发生故障时 ， 开关 S 、 s 断开， 将 主电 路与供电电网隔离 。开关 S 、 S 闭合 ， 将储能装置输 出的直流 电经逆变器变换成三相交流电， 通过变压 器为负载供电， 保证负载 的不问断运行 。当市电恢 复供电时， 不间断电源 自动切换到状态 1 。 3 当不间断电源发生故障或需要检修时， 开关 s 、 s 、 s 处于断开状态 ， 开关 S 闭合 ， 将不 间断电源 输出切换到旁路输 出。 2 不 间断电源系统的设计 2 ． 1 系统的硬件设计 S 73 0 0型 P L C采用模块式结构 ， 其模块分 为 C P U模块 、 I ／ O模块 、 接 口模块和 电源模块 等 。综 合分析所要 控制 的对 象及其 要 求 ， C P U模 块选 用 C P U 3 1 3 C 。C P U 3 1 3 C模块带 有集 成 的数 字量 和模 拟量的输入和输 出， 其 中数字量输入为 2 4点 ， 数字 量输 出为 1 6点 ， 模拟量输入为 5点 ， 模拟量输 出为 2点。P L C的 I ／ O接线图如图 2所示。 电压变送 电流变送 1 0 ． 0 O O ． 0 g BI KM， I O ．2 ； B 2 Q O ． 2 l O ．4 KM I------------一 M Q o ． 3 [二 ] _ 一 D C I ---o ～ o一 、 2 2 0VAC S 7 3 0 0 ／ 、 图 2 不间断 电源系统 的 I ／ O接线 图 P L C的输入信号需要 2 4 V直流供电， 1 0 ． 0接接 触器 K M 4的常开触点， 用来检测市电是否正常； 1 0 ． 2 接按钮 s B ， 用于启动蓄电池充电； 1 0 ． 4接按钮 s B ， 用于停止充电过程； P L C的输出信号需要 2 2 0 V交流 供电， Q O ． 0 、 Q O ． 2 、 Q O ． 3分 别与接 触器 K M 、 K M 、 K M， 的线圈相连接。 当市电故障时 ， 接触器 K M 线圈所对应 的主触 点断开 ， 使系统与 电网隔离； 接触器线 圈 K M 所对 应的触点闭合时， 负载接人系统， 断开时， 负载与系 统断开 ； 接触器线 圈 K M 所对应 的触点用于控制蓄 电池充电和蓄电池供 电； 接触器线圈 K M 用于检测 市 电是否正常。电压传感器 、 电流传感器用来采集 蓄电池充电过程 中的充电电压和充电电流并反馈给 P L C， P L C通过分析计算 ， 输 出电压信号到整流器 的 控制端以调节充电电压的大小 ， 使充 电过程按要求 平稳进行。 2 ． 2系统的软件设计 为了使程序结构明晰， 可读性强， 并能有效地提 高软件的运行速度 ， 采用结构化编程方式 5 J 。设计 程序可划分 为 以下几 个程 序块 数据 采集程 序块 F C 1 、 恒流充电程序块 F C 2 、 恒压充 电程序块 F C 3 、 结 束充 电程序块 F C 4 ， 并 由主循环组织块 O B 1统一进 行调 用 管理 。不 间断 电源 系统 程 序 结 构 如 图 3 所示 。 操作系统 图3 不间断电源系统程序结构 系统上电后 ， 先进行初始化 ， 之后进入主程序循 环 。然后进入恒流充 电段 ， 充 电电流上限和下限分 别设为 1 ． 2 A和 0 ． 9 A； 当蓄 电池组 的端 电压达到 充电阶段转换电压时进入恒压浮动充电阶段， 充电 电压上限和下限分别设为 1 4 V和 1 6 V； 当充 电电 流小于最小电流 这里设定 0 ． 0 1 A 时 ， 蓄 电池 电量 充满 ， 停止充电。 3系统程序的调试和监控 当控制程序设计完成后 ， 无需 P L C硬件支持 ， 用户可以利用 S 7一P L C S I M仿 真软件来模拟实际 P L C的运行 ， 通过视图对象来调试程序。