基于PLC的通风机智能变频调速系统.pdf

1 1 0 煤矿机电 2 0 1 2年第5期 基于 P L C的通风机智能变频调速 系统 周博 ， 王 浩 1 ． 上海大屯能源股份有限公司 ， 江苏 沛县 2 2 1 6 1 1 ； 2 ． 中国矿业大学 信息与 电气工程学院 ， 江苏 徐州 2 2 1 1 1 6 摘要 以煤矿提升机的主电动机通风机控制为设计背景， 针对其变频器未能自动根据现场温度 调节通风机速度的缺点， 采用模糊控制 S u g e n o型推理系统。通过温度传感器对主电动机 的电枢补 偿绕组 、 励磁绕组、 前轴承、 后轴承温度信号的采集， 通过模拟量输入模块传送到 P L C内， C P U再对 采集到的数据加 以模糊化处理， 经过模糊推理后再确定输 出的控制量 ， 最后 P L C把最终的输 出传 送给变频器 ， 用变频器来控制主 电动机的通风机的运转速度 ， 以达到节约 电能、 保护主电动机的 目 的。该 系统还设有超温报警装置 、 超温安全 回路掉电功能。 关键词 智能控制；模糊控制； S u g e n o型推理系统 ；变频器 ； 可编程控制器 P L C 中图分类号 T P 2 7 3 ． 4 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 1 0 8 7 4 2 0 1 2 0 5 0 l 1 0 0 3 I n t e l l i g e n t Va r i a b le F r e q u e n c y Co n t r o l o f Ai r - c o n d it i o n e r Mo t o r S y s t e m B a s e d o n PL C ZHOU Bo ，WANG Ha o 1 ．S h a n g h a i Da t u n E n e r g y Re s o u r c e s C o ．，L t d ． ，S h a n g h a i 2 2 1 6 1 1，C h i n a ； 2 ．S c h o o l o f I n f o r m a t i o n a n d E l e c t r i c E n g i n e e r i n g ，C h i n a U n i v e r s i t y o f Mi n i n g a n d T e c h n o l o g y ， X u z h o u 2 2 1 1 1 6 ，C h i n a Ab s t r a c t T a k e s t h e ma i n c o a l mi n e h o i s t mo t o r f a n c o n t r o l a s t h e d e s i g n b a c k g r o u n d，t h e d i s a d v a n t a g e s t h a t t h e f r e q u e n c y c o n v e r t e r c a n n o t a u t o m a t i c a l l y a d j u s t f a n s p e e d a c c o r d i n g t o s p o t t e m p e r a t u r e a d j u s t ．T h e f u z z y c o n t r o l S u g e no t y pe r e a s o n i n g s y s t e m i s a d o p t e d．Th e ma i n mo t o r a r ma t u r e b o o s t e d s y s t e m ，fie l d c o pp e r，f o r e be a r i n g a n d ba c k be a r i n g’ S t e mp e r a t u r e s i g n a l a r e c o l l e c t e d t h r o u g h t e mpe r a t u r e s e n s o r ．Al l t h e c o l l e c t e d d a t a a r e t r a ns mi t t e d t o P LC b y s i mu l a t i o n o u t p u t mo d u l e ． Th e n t h e d a t a a r e f u z z y p r o c e s s e d，d e t e r mi n i n e d t h e c o n t r o l l e d q u a n t i t y， fin a l l y t r a ns mi t t e d t o f r e q u e n c y c o n v e t e r b y PLC．T he fan’s p e e d i s c o n t r o l l e d b y ma i n mo t o r ，wh i c h a c h i e v e s t h e a i m o f s a v e e n e r g y a n d p r o t e c t ma i n CPU． Th i s s y s t e m a r e a l s o e q u i p p e d wi t h o v e r t e mp r a t u r e a l a r m d e v i c e a n d s a f e l o o p p o we rf a i l f u n c t i o n． K e y wo r d s i n t e l l i g e n t c o n t r o l ；f u z z y c o n t r o l ；S u g e n o i n f e r e n c e s y s t e m ；f r e q u e n c y c o n v e r t e r ；P L C 0 引言 煤矿的安全生产。 针对某煤矿原提升机的主 电动机通风机 ， 采用 手动调节变频器频率来控制通风机速度 ， 既造成一 定的能源浪费， 又不能根据温度变化实时改变频率 ， 实时性差 。对此采用 S o g e n o型推理系统 ， 改进后的 系统则可以根据现场温度变化 ， 实时地控制风机的 转速 ， 不会因温度过高而损坏主电动机 ， 也不会 因为 温度低时通风机仍然高速运转 ， 浪费电能 ， 同时还加 设超温报警装置和软安全 回路掉电功能 ， 不仅提高 了系统的实时性和可靠性 ， 而且节约了资源 ， 确保 了 1 系统的硬件配置及实现方法 1 ． 1 系统的硬件配置 系统所用的器件主轴 4个温度传感器 P T 1 0 0 ， 1 个模拟量输入模块 A I 8 X 1 2 b i t ， 1 个数字输 出模块 D O 1 6 2 4 V ／ 0 ． 5 A， 1个 C P U 3 1 5 - 2 D P， 1个 P S 3 0 7电 源 ， 1 个三菱变频器 ， 以及 1个蜂 鸣器。其变频器接 线控制图如图 1所示。 1 ． 2 实现方法 由图 1所示 ， 当用 1 个数字输出 Q 2 ． 0通道接人 2 0 1 2 年第5期 煤矿机 电 正 反 变频器 a 外部接线 ； 电动机 时间 b 变频器工作 图 图 1 变频器 接线控制图 S T F， 然后再用 3个数字输 出通道 Q 2 ． 1 、 Q 2 ． 2 、 Q 2 ． 3 分别接人 R H、 R M、 R L端 口。当 Q 2 ． 1为 1时， 电动 机 1 速 ； 当Q 2 ． 2 为1 时 ， 电动机 为2 速 ； 当Q2 ． 3 为 1时， 电动机为 3速 ； 当 Q 2 ． 2 、 Q 2 ． 3都为 1时， 电动 机为 4速 ； 当 Q 2 ． 1 、 Q 2 ． 3都为 1时 ， 电动机为 5速 ； 当 Q 2 ． 1 、 Q 2 ． 2都为 1时 ， 电动机为 6速 ； 当 Q 2 ． 1 、 Q 2 ． 2 、 Q 2 ． 3都为 1 时 ， 电动机为 7速 7段速度的前 提为 Q 2 ． o为 1 。 图 2为模拟量输入模块接线图。通过温度传感 器将采集 到的 4个温度信号传给 P L C ， 取其平均值 后传给模糊控制器 ， 模糊控制器再将其模糊化 ， 从而 根据模糊控制规则决定通风机启用是 哪段速度 ， 当 温度超限时， 通过蜂鸣器进行报警 。 2模糊控制器的设计 2 ． 1 模糊控制器 模糊控制器原理框图如图 3所示 。其设计步骤 如 下 1 确定模糊控制器的输入 、 输出变量 。系统 中 输入为温度误差 E， 即实际温度值 和定温度值之差 ， 输出 U为 Q 2 ． 1 、 Q 2 ． 2 、 Q 2 ． 3的组合 。 误差 E和输出 的论域取为 { 一 6 ， 一 5 ， 一 4 ， 一 3 ， 一 2 ， 一 1 ， 0 ， 1 ， 2 , 3， 4 , 5 ， 6 } ， 模糊语言集为{ P B， P M ， P s ， z E ， N S ， N M， N B} ， 语言变量描述为 { 正大 ， 正 中， 正小， 无偏差 ， 负小， 负 中， 负大 } 。量化因子为 K o 2 4 VD C电枢补偿绕组温度 l 励磁绕组温度 I I 前轴承温度 f 后轴承温度 一 2 4 VD C O l 0 2『0 3 0 4 J 0 5 0 6『 0 7 0 8 l 0 9 1 2 l 1 3 1 4 I 1 5 1 6 l 1 7 1 8 l 1 9 2 0 I W 8 2 I W 8 4 I W 8 8 I W 9 0 1 5 6 5 l 1 5 6 7 l 5 6 9 l 1 5 7 1 1 5 7 3 l l 5 7 5 1 5 7 7 l 1 5 7 9 1 5 8 l l 1 5 8 3 1 5 8 5 I 1 5 8 7 1 5 8 9 I 1 5 9 1 1 5 9 3 I 1 5 9 5 I l ，2x奇 鼢 一 2 4V DC 图 2 模 拟量输入模块 的接 线图 图 3 模糊控 制器原理框 图 王 ＼ 丑 1 1 2 煤矿机电 2 0 1 2年第5 期 2 确定模糊控制规则。根据经验 ， 模糊控制规 算 。 则可用如下语言表述 1 若温度高于 5 0 。 C， 则通风机高速运转 ， 高 的越多 ， 转得越快。 2 如果温度等于 5 0 。 C， 则通风机 中速运转。 3 如温度低于 5 0 。 C， 则通风机低速运转 ， 低 得越多 ， 转得越慢。 若 e 正大， 则 u正大 ； 若 e 正 中， 则 u正 中； 若 e 正小 ， 则 正小 ； 若 e为零 ， 则 u为零 ； 若 e 负小 ， 则 u 负小 ； 若 e负中， 则 u负中； 若 e 负大 ， 则 u负大。而 的正大 、 正中 、 正小 、 零 、 负小、 负中、 负大分别为 7 速 、 6速 、 5速 、 ⋯⋯ 、 1速 。 2 ． 2 S u g e n o 型推理系统 S u g e n o型系统和 Ma md a n i 型系统是模糊推 理 系统的两个重要的推理系统 ， 它们分别采用不 同的 推理方法 ， 各具优点 ， 在模糊推理 的前两个步骤是相 同的， 即输入变量模糊化 和模 糊集合 的合成运算 。 两大系统最大不 同之处在 于 S u g e n o型模糊推理系 统 ， 推理规则后项结论 中的输 出变量的隶属度 函数 只能是关于输人 的线性或是常值 函数 。对于输出变 量隶属度函数为线性的 ， 称为一阶系统； 输出变量隶 属度为常数的， 称为零 阶系统。本系统采用零 阶系 统 ， 其模糊规则形式如下 如果 输入 1 为 4且输入 2为 ， 那么输出就为 Z 。Ma md a n i 系统相 比， S u g e n o型系统更加 紧凑和 易于计算 ， 计算效率高， 非 常适合本系统， 主要优点 如下 2 可以与已有的线性系统理论很好地结合 ， 可 以与优化和 自适应技术很好地结合运用 。 3 保证 了输出曲面的连续性 ， 非常适合于数学 分析。 3 结语 本系统解决了煤矿提升机通风机不能实时性地 自动调速的缺点 ， 既解决了主电动机的散热问题 ， 又 节约了电能 ， 避免了不必要 的浪费。该系统还增加 了超温报警装置 ， 使得主电动机不会在变频器或通 风机故障情况下无人 知晓， 同时软安全 回路掉 电也 使得主电动机不能继续运转 ， 从而实现对 主电动机 的多重保护 ， 确保矿井提升系统的正常运转。该系 统由于实时性强 、 可靠性高 、 稳定性好 ， 使得 主电动 机不 因超温工作而缩短服务年限。 参考文献 [ 1 ] 冯冬青 ， 谢宋和 ， 等 ．模糊智 能控制 [ M] ．北京 化学工业出版 社 ， 2 0 0 0 ． [ 2 ] 张浩 ， 李振璧 ， 姜媛媛． 基于 P L C的瓦斯移动抽排 模糊控制 系 统 [ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 0 7 5 ． [ 3 ] 韩力 群． 智能控 制理论及应用 [ M] ．北京 机 械工业 出版 社 ， 2 0 0 8 ． [ 4] M A T L A B辅 助模糊 系统设计 [ M] ． 西安 西安电子科技大 学出 版社 ， 2 0 0 2 ． 作者简介 周博 1 9 7 1 一 ， 男， 工程师。2 0 0 4年毕业于中国矿业大 学， 现在上海大屯能源股份公 司物资供应处从事技术工作 。 收稿 日期 2 0 1 11 1 2 4； 责任 编辑 姚克 1 计算效率高 线性 函数 和常值 函数易于计 ，’ ’ ’’’’’’’’’’’’’’’ ’ ’’’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’’’ ’ ’ ’’’ ’’、 V ； 欢迎订阅x C ．- la ． 电 杂志 ； 本 刊 邮 发 代 号 4 7 8 3 。 地 址 上 海 天 钥 桥 路1 号 煤 科 大 厦1 8 楼 ， 邮 编 2 0 0 0 3 0 ； 电 话 0 2 1 6 4 3 8 8 7 6 4 、 6 4 3 8 8 7 3 9 t ‘ I‘ ‘ I ‘‘ t t tI I ‘ I ‘ II I I II ‘ I‘ ‘ ‘ I‘ ‘ ‘ l I‘ t t t I‘ I I It I I I ‘ II ‘ I I‘ I I II I ‘ I I I‘ I ‘ I‘ I ‘ ‘ II ‘ ‘ ‘ I‘ I I I‘ ‘ I I‘ I ‘