2021年度基于PLC的风机控制系统设计设计

摘要

可编程控制器(PLC)是一个以微处理器为关键,综合了计算机技术、自动控制技术和网络通信技术通用工业控制装置。它含有使用方便、

维护轻易、可靠性好、
性能价格比高等特点,广泛应用于工业控制众多领域。

煤矿主通风机是煤矿生产关键设备,通风机能否正常工作,
直接影响煤矿生产活动。所以对主通风机实现在线监控有很关键意义。

本文针对通风机工作环境和运行特点,以PLC为主控设备,
介绍了可编程序控制器（PLC）在煤矿通风系统中应用;
探讨了通风机实现自动控制系统系统组成和设计;包含硬件设备选型和组态;编制了通风机实现自动控制梯形图;
并简明介绍了PLC和其它智能装置及个人计算机联网,组成控制系统。

本系统提升了主通风机设备自动化管理水平,有力地确保了主通风机设备经济、可靠运行,为设备管理和维修提供了可靠科学依据。

关键词:煤矿通风机; PLC; 在线控制

Designof Fan ControlSystem Basedon PLC

Abstract

Theprogrammable logic controller (PLC) is a microprocessor core, acombin ation of computer technology, automatic control technology andnetwork com munication technology, general industrial controldevices. It has easy to use,ea sy maintenance, reliability, high costperformance characteristics, widely used in many areas of industrialcontrol.The mine vertilator coal production equipm ent, the fan canwork a direct impact on coal production activities. Therefore, t

Inthis paper, the working environment and operational characteristicsof the ventilator, the PLC as the master device to introduce aprogrammable logiccont roller (PLC) in the mine ventilation system;explore composition and designof fan system to achieve automaticcontrol system; involved in equipmentselectio n and configuration ofhardware; the preparation of the ventilator to achieve au tomaticcontrol ladder; and briefly describes the PLC and otherintelligentdevic es and personal computers networked control system composed of.

Thissystem improves the ventilator equipment automation management level, toensure the main ventilator equipment, economic, reliableoperation, andpro

videsa reliable scientific basis for the management and maintenanceofequipm ent.

Keywords:Coal mine ventilator; PLC; Online monitoring

目录

引言..............................................................................................................................1第1章绪论............................................................................................................2

1.1课题研究意义.......................................................................................................21.2PLC及风机控制系统发展情况...........................................................................2第二章总体方案设计...................................................................................................52.1控制系统要求......................................................................................................52.2系统组成及工作原理..........................................................................................52.3变频调速节能分..................................................................................................52.4变频调速依据......................................................................................................62.5离心风机控制原理分析......................................................................................6第3章系统硬件设计...................................................................................................10

3.1温度传感器选择................................................................................................10 3.2PLC选择.............................................................................................................10 3.2.1FP0系列PLC特点.......................................................................................10 3.2.2PLC控制系统设计步骤.............................................................................10 3.3变频器选择........................................................................................................11第4章系统软件设计...................................................................................................15

4.1PLC程序设计.....................................................................................................15 4.1.1离心风机转换过程分析.............................................................................18 4.1.2系统工作状态.............................................................................................18 4.1.3状态转换过程实现方法.............................................................................19 4.2程序设计梯形图................................................................................................19第5章系统可靠性设计及调试...................................................................................235.1系统可靠性设计.....................................................................................................235.2系统调试................................................................................................................23

5.21软件系统调试..................................................................................................235.22硬件系统调试..................................................................................................235.23软硬件结合调试..............................................................................................23结论和展望..................................................................................................................25致谢.............................................................................................................................26参考文件......................................................................................................................27附录A一篇引用外文文件及其译文..........................................................................28附录B部分源程序......................................................................................................33附录C:关键参考文件题录及摘要.............................................................................36

插图清单

图2-1自动控制系统组成框图.........................................................................5图2-2变频调速在风机中节能分析..................................................................6图2-3变频器主电路原理图............................................................................7图2-4离心风机主电路图................................................................................8图2-5离心风机控制线路图............................................................................9图3-1KA-KM接线图....................................................................................10图3-2PLC控制系统设计步骤图....................................................................12图3-3PLC接线图..........................................................................................13图4-2变频器接线图......................................................................................17图4-3系统总控制步骤图..............................................................................21图4-4开启/停止程序....................................................................................21图4-5比较程序.............................................................................................22图4-6模拟量输出程序..................................................................................22

表格清单

表3-1I/O分配表...........................................................................................14表4-1主电路端子及功效表...........................................................................16表4-2控制电路端子及功效表.......................................................................17表4-3系统工作状态表..................................................................................18

引言

在工业生产中锅炉燃烧系统、烘干系统、冷却系统、通风系统等场所,风机设备被大量应用,但不管生产需求大小,风机全部要全速运转,而运行工况改变则使得能量以风门、挡板节流损失消耗掉了,在生产过程中,不仅造成大量能源浪费和设备损耗,而且控制精度受到,从而造成生产成本增加,设备使用寿命缩短,设备维护、维修费用高居不下。

多年来,出于节能迫切需要和对产品质量不停提升要求,加之采取PLC和变频器易操作、免维护、控制精度高,

采取基于PLC变频器驱动方案开始逐步替换风门、挡板、阀门控制方案,从而大大降低生产成本,降低能量损耗和对环境污染,为企业带来
观经济效益和社会效益。

风机控制系统是风机关键组成部分,它负担着风机监控、自动调整、实现最大风能捕捉和确保良好电网兼容性等关键任务,它关键由监控系统、主控系统、变桨控制系统和变频系统（变频器）几部分组成。

部分关键功效以下:
监控系统（SCADA）:监控系统实现对全风场风机情况监视和启、停操它包含大型监控软件及完善通讯网络。

主控系统:主控系统是风机控制系统主体,它实现自动开启、自动调向、自动调速、自动并网、自动解列、故障自动停机、

自动电缆解绕及自动统计和监控等关键控制、保护功效。

它和监控系统接口完成风机实时数据及统计数据交换,和变桨控制系统接口完成对叶片控制,实现最大风能捕捉和恒速运行,和变频系统（变频器）接口实现

有功率和无功功率自动调整。

变桨控制系统:和主控系统配合,经过对叶片节距角控制,实现最大风能捕捉和恒速运行,提升了风力发电机组运行灵活性。现在来看,变桨控制系统叶片驱动有液压和电气两种方法,电气驱动方法中又有采取交流电机和直流电机两种不一样方案。到底采取何种方法关键取决于制造厂家多年来形成技术路线及传统。

变频系统（变频）器:和主控制系统接口,和发电机、电网连接,

第1章 绪论

1.1课题研究意义

在工业生产、产品加工制造业中,风机设备关键用于锅炉燃烧系统、其它设备烘干系统、冷却系统、通风系统等场所,

温度等指标进行控制和调整以适应工艺要求和运行工况。而最常见控制手段则是调整风门、挡板开度大小来调整受控对象。这么,

而运行工况改变则使得能量以风门、挡板节流损失形式消耗掉了。

而且还造成大量能源浪费和设备损耗。从而造成生产成本增加,设备使用寿命缩短,设备维护、维修费用高居不下。为此,

以使系统多种性能达成合理要求。

多年来,出于节能迫切需要和对产品质量不停提升要求,加之采取PLC和变频器易操作、易维护、控制精度高,

采取基于PLC变频器驱动方案开始逐步替换风门、挡板、阀门控制方案。

从而大大降低生产成本,降低能量损耗和对环境污染,为企业带来观经济效益和社会效益。

伴随电子技术和微电子技术快速发展,PLC和变频器正成为通用、廉价和性能可靠控制和驱动设备,得到广泛应用。由PLC控制变频调速离心风机通风系统,含有较高可靠性和很好节能效果,易于组建成整体自控系统,很方便地实现多种控制切换和远程监控,

本文经过一个实例——基于离心风机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关键组成部分,煤矿矿井通风系统能否正常工作和矿井内工作环境条件、生产效率、安全生产亲密相关。伴随中国对各行各业安全生产监管力度不停加强,尤其对煤矿安全生产要求越来越高,对煤矿矿井通风系统进行技术改造,提升其运行稳定性、可靠性、节能降耗等势在必行。现在煤矿矿井通风系统中,大多仍采取继电、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缺点,且因工作通风机一直高速运行,备用通风停止,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和变频器有机地结合起来,

实现对电动机工作过程和运转速度有效控制使矿井中用离心通风机通风高

PLC控制系统含有对驱动风机电机过热保护、故障报警、

为煤矿矿井通风系统节能技术改造提供一条新途经。

1.2PLC及风机控制系统发展情况

经过几十年快速发展,PLC功效越来越强大,
应用范围也越来越广泛,其足迹已遍布国民经济各个领域,形成了能够满足多 种将需要PLC
应用系统。伴随市场需求不停提升PLC发展表现出以下趋势。

1.向小型化、微型化和大型化、多功效两个方向发展2.过程控制功效不停增强
3.大力开发智能型I/O模块

4.和个人计算机日益紧密结合
5.编程语言趋向标准化
6.通信和联网能力不停增强
多年来伴随科技飞速发展,PLC应用正在不停地走向深入,同时带动传统控制检测技术不停更新。PLC是采取大规模集成电路、微型计算机技术发展结果逐步形成含有多个优点和微型、小型、中型、

超大型等多种规格PLC系列产品应用于从继电器控制系统到监控计算机之间很多控制领域,它最适适用于以开关为主控制功效。经过模拟/数字,（A/D）转换器和数字/模拟（D/A）转换器也能够控制模拟量比如控制温度、压力、流量、成份等参数。

基于PLC多路抢答器控制系统能够依据PLC修改程序方便这一特点随意

假如对外部电路稍加修改或在系统程序中加入分支能够把八路抢答器变为更

多路抢答器。比如十位、十六位或二十位等。

假如将手动按钮变为触摸屏能够使抢答器更为简单方便。

假如去除系统中限时功效还能够把抢答器改为呼叫器能够在医院病房、

宾馆客房、写字楼办公室、工厂生产车间等多个地方使用。

风机控制系统研究现实状况:风机控制系统是风机关键组成部分,

实现最大风能捕捉和确保良好电网兼容性等关键任务,它关键由监控系统、主控系统、变桨控制系统和变频系（变频器）几部分组成。

各部分关键功效以下:
监控系统（SCADA）:监控系统实现对全风场风机情况监视和启、操作它包含大型监控软件及完善通讯网络。

主控系统:主控系统是风机控制系统主体,它实现自动开启、自动调向、自动调速、自动并网、自动解列、故障自动停机、

自动电缆解绕及自动统计和监控等关键控制、保护功效。

它和监控系统接口完成风机实时数据及统计数据交换,和变桨控制系统接口完成对叶片控制,实现最大风能捕捉和恒速运行,和变频系统（变频器）接口实现对有功功率和无功功率自动调整。

变桨控制系统:和主控系统配合,经过对叶片节距角控制,实现最大风能捕捉和恒速运行,提升了风力发电机组运行灵活性。现在来看,变桨控制系统叶片驱动有液压和电气两种方法,电气驱动方法中又有采取交流电机和直流电机两种不一样方案。

到底采取何种方法关键取决于制造厂家多年来形成技术路线及传统。

变频系统（变频）器:和主控制系统接口,和发电机、电网连接,直接负担着确保供电品质、提升功率原因,
满足电网兼容性标准等关键作用。风机控制系统发展趋势:
伴随中国企业所开发风机容量越来越大,
风机控制技术必需不停发展才能满足这一要求,如叶片驱动和控制技术、如更大容量变频器开发,全部是必需不停处理新课题,这里不进行具体叙述。

目前,因为风力发电机组在中国电网中所占百分比越来越大,
风力发电方法电网兼容性较差问题也逐步暴露出来,
同时用户对不一样风场、不一样型号风机之间联网要求也越来越高,这也对风机控制系统提出了

新任务。

（1）采取统一和开放协议以实现不一样风场、
不一样厂家和型号风机之间方便互联。现在,
风机投资用户和电网调度中心对广布于不一样地域风场之间联网要求越来越迫切,即使各个风机制造厂家全部提供了一定手段实现风机互连,
不过因为采取方案不一样,

不一样厂家风机进行互联时还是会有很多问题存在,实施起来难度较大。所以,现实不一样风机之间方便互联是一个亟待处理关键课题。

（2）需要深入提升低电压穿越运行能力（LVRT）。风力发电机组,尤其是双馈型风机,抵御电网电压跌落能力本身较差。当发生电网电压跌落时,以前做法是让风机从电网切出。当风机在电网中所占百分比较小时,这种做法对电网影响还能够忽略不计。不过,伴随在网运行风机数量越来越大,尤其是在风力发电集中地域,如国家计划建设六个千万千瓦风电基地,这种做法会对电网造成严重影响,甚至可能深入扩大事故。欧洲很多国家,如德国、西班牙、丹麦等国家,早就出台了相关标准,要求在这种情况下风机能保持在网运行以支撑电网。风机含有这种能力称为低电压穿越运行能力（LVRT）,有国家甚至要求当电网电压跌落至零时还能保持在网运行。中国也于今年8月由国家电网企业出台了《风电场接入电网技术要求》,

明确要求风电机组在并网点电压跌落至20%额定电压时能够保持并网运行625ms、当跌落发生3s内能够恢复到额定电压90%时,风电机组保持并网运行低电压穿越运行要求。应该说,这还只是一个初步、相对较低运行要求。在以后可能还会出台更为严格上网方法。这些要求实现,关键靠控制系统中变频器算法及结构改善,当然和主控和变桨系统也有亲密联络。

（3）实现在功率预估条件下风电场有功及无功功率自动控制。现在,风电机组全部是运行在不调整方法,也就是说,有多少风、发多少电,这在风电所占百分比较小情况下也没有多大问题。不过,伴随风电上网电量大幅度增加,在用电低谷段往往是风机出力最大时段,造成电网调峰异常困难,电网频率、电压均易出现较大波动。目前,电网对这一问题已相当重视,要求开展。

第二章总体方案设计

2.1控制系统要求

（1）高可靠性,以适应工业现场十分恶劣和复杂工作条件。

（2）含有实时响应处理能力,以满足工业生产过程实时控制要求。

（3）有丰富可和工业现场信号相连接工业接口,方便实现在线监控。

（4）控制系统结构应能组配灵活,易于扩展。

（5）有优异系统环境和应用软件便于开发。

（6）有自动/手动转换系统,确保在自动控制系统出现故障时,能够手动控制。

（7）有可靠报警系统,在风机电机过热,变频器出现故障时能及时发出报警信号。

2.2系统组成及工作原理

工业离心风机工作要求是指在特定工作环境中,风机输出风量要伴随外界条件改变,保持在设定参数值上。这么,既可满足工作要求,又不使电动机空转,而造成电能浪费。为实现上述目标,本系统采取闭环控制方法。工业现场温度由温度传感器检测,变换成模拟输入反馈信号,经A/D转换后和PLC中给定值比较,再经D/A转换变成模拟量输出信号,控制变频器调整风机转速,从而达成控制工厂车间温度目标系统组成简图图2-1所表示。

图2-1自动控制系统组成框图

2.3变频调速节能分

变频调速应用于风机系统电机自动控制中,其节能效果显著。由流体力学基础定律可知:风机、泵类设备均属平方转矩负载,其转速n和流量Q,压力H和轴功率P含有以下关系:Q∝n,H∝n2,P∝n3,即流量和转速成正比,压力和转速平方成正比,轴功率和转速立方成正比。图2给出了风机中风门调整和变频调速两种控制方法下风路压力-风量(H-Q)关系及功率-风量(P-Q)关系。其中,曲线1是风机在额定转速下H-Q曲线,曲线2是风机在某一较低速度下H-Q曲线,曲线3是风门开度最大时H-Q曲线,曲线4是风机在某一较小开度下H-Q曲线。能够看出,

假如在风机以额定转速运转条件下调整风门开度,

假如在风门开度最大条件下用变频器调整风机转速,则工况点沿曲线3由A点移到C点。显然,B点和C点风量相同,但C点压力要比B点压力小得多。所以,风机在变频调速运行方法下,风机转速可大大降低,节能效果显著。曲线5为变频控制方法下P-Q曲线,曲线6为风门调整方法下P-Q曲线。能够看出,在相同风量下,

变频控制方法比风门调整方法能耗更小,二者之差可由下述经验公式（2-l）表示:

P





0.4



0.6 Q Qe



( Q Qe

)

3



Pe

（2-1）

（l）其中Q为风机运行时实际风量。