1、基于PLC的风机控制系统设计讲解可编程控制器(PLC)是一种以微处理器为核心,综合了计算机技术、自 动控制技术和网络通信技术的通用工业控制装置。它具有使用方便、维护 容易、可靠性好、性能价格比高等特点，广泛应用于工业控制的众多领域。 煤矿主通风机是煤矿生产的重要设备，通风机能否正常工作，直接影响煤 矿的生产活动。因此对主通风机实现在线监控有很重要的意义。本文针对通风机的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)在煤矿通风系统中的应用；探讨了通风机实现自 动控制系统的系统组成和设计；涉及硬件设备的选型与组态；编制了通风 机实现自动控制梯形图；并简要介绍了PLC与其他
2、智能装置及个人计算机 联网，组成的控制系统。本系统提高了主通风机设备的自动化管理水平，有力地保证了主通风 机设备的经济、可靠运行，为设备的管理和维修提供了可靠的科学依据。关键词：煤矿通风机；PLC；在线控制Design of Fan Control System Based on PLCAbstractThe piogiammable logic controller (PLC) is a micioprocessor core, a comb ination of computer technology, automatic control technology and network co
3、mmunication technology, general industnal contiol devices It has easy t o use,easy maintenance, reliability, high cost peiformance characteiistic s, widely used in many areas of industrial control.The mine veitilator coal pr oduction equipment, the fan can work a direct impact on coal production ac
4、tivities. Therefore, the main fan to achieve online monitoring of very impoita nt significance.In this papei the working environment and operational characteristics o f theventilator, the PLC as the master device to nitioduce a piogiammable lo giccontfoller (PLC) in the mine ventilation system; expl
5、ore composition an d designof fan system to achieve automatic control system; involved in equip mentselection and configuration of hardware; the pieparation of the ventilato i to achieve automatic contiol ladder; and briefly describes the PLC and oth enntelligent devices and personal computers netwo
6、rked control system com posed of.This system improves the ventilator equipment automation management le vel, toensure the main ventilator equipment, economic, reliable opeiation, and provides a reliable scientific basis for the management and maintenance of equipmen 匚Keywords: Coal mine ventilator;
7、PLC; Online monitoring引言 1第1章绪论 21.1课题的研究意义 21.2PLC及风机控制系统的发展状况 2第二章总体方案设计 52.1控制系统的要求 52.2系统构成及工作原理 52.3变频调速节能分 52.4变频调速的依据 62.5离心风机控制原理分析 6第3章系统硬件设计 103.1温度传感器的选择 103.2PLC的选择 103.2.1 FP0系列PLC的特点 10322 PLC控制系统设计流程 103.3变频器的选择 11第4章系统软件设计 154.1 PLC程序设计 154.1.1离心风机转换过程分析 184.1.2系统工作状态 184.1.3状态转换过程的实
8、现方法 194.2程序设计的梯形图 19第5章系统可靠性设计及调试 235.1系统的可靠性设计 235.2系统调试 235.21软件系统的调试 235.22硬件系统的调试 235.23软硬件结合调试 23结论与展望 25致谢 26参考文献 27附录A 篇引用的外文文献及其译文 28附录B部分源程序 33附录C:主要参考文献的题录及摘要 36插图清单图2-1自动控制系统组成框图 5图2-2变频调速在风机中的节能分析 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3-1 KA-KM接线图 10图3-2 PLC控制系统设计流程图 12图3-3 PLC接线
9、图 13图4-2变频器接线图 17图4-3系统总控制流程图 21图4-4启动/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3-1 I/O分配表 14表4-1主电路端子及功能表 16表4-2控制电路端子及功能表 17表4-3系统工作状态表 18在工业生产中的锅炉燃烧系统、烘干系统、冷却系统、通风系统等场合, 风机设备被大量应用，但不论生产的需求大小，风机都要全速运转，而运 行工况的变化则使得能量以风门、挡板的节流损失消耗掉了，在生产过程 中，不仅造成大量的能源浪费和设备损耗，而且控制精度受到限制，从而 导致生产成本增加，设备使用寿命缩短，设备维护、维修费用高居不下。
10、近年來，出于节能的迫切需要和对产品质量不断提高的要求，加之釆 用PLC和变频器易操作、免维护、控制精度高，并可以实现高功能化等特点, 釆用基于PLC的变频器驱动方案开始逐步取代风门、挡板、阀门的控制方案, 从而大大的降低生产成本，减少能量损耗和对环境的污染，为企业带來 观的经济效益和社会效益。风机的控制系统是风机的重要组成部分，它承担着风机监控、自动调 节、实现最大风能捕获以及保证良好的电网兼容性等重要任务，它主要由 监控系统、主控系统、变桨控制系统以及变频系统（变频器）几部分组成。 部分的主要功能如下：监控系统（SCADA）:监控系统实现对全风场风机状况的监视与启、停 操它包括大型监控软件及
11、完善的通讯网络。主控系统：主控系统是风机控制系统的主体，它实现自动启动、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 动记录与监控等重要控制、保护功能。它对外的三个主要接口系统就是监 控系统、变桨控制系统以及变频系统（变频器），它与监控系统接口完成 风机实时数据及统计数据的交换，与变桨控制系统接口完成对叶片的控制， 实现最大风能捕获以及恒速运行，与变频系统（变频器）接口实现 有功率以及无功功率的自动调节。变桨控制系统：与主控系统配合，通过对叶片节距角的控制，实现最 大风能捕获以及恒速运行，提高了风力发电机组的运行灵活性。目前来看， 变桨控制系统的叶片驱动有液压和电气
12、两种方式，电气驱动方式中乂有釆 用交流电机和直流电机两种不同方案。究竟釆用何种方式主要取决于制造 厂家多年來形成的技术路线及传统。变频系统（变频）器：与主控制系统接口，和发电机、电网连接，直 接承担着保证供电品质、提高功率因素，满足电网兼容性标准等重要作用。第1章绪论1.1课题的研究意义在工业生产、产品加工制造业中，风机设备主要用于锅炉的燃烧系统、 其他设备的烘干系统、冷却系统、通风系统等场合，根据生产需要对炉膛 压力、风速、风量、温度等指标进行控制和调节以适应工艺要求和运行工 况。而最常用的控制手段则是调节风门、挡板开度的大小来调整受控对象。 这样，不论生产的需求大小，风机都要全速运转，而运
13、行工况的变化则使 得能量以风门、挡板的节流损失的形式消耗掉了。在生产过程中，不仅控 制精度受到限制，而且还造成大量的能源浪费和设备损耗。从而导致生产 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，需 要采用多项措施实现对离心风机的自动控制，以使系统的各种性能达到合 理的要求。近年來，出于节能的迫切需要和对产品质量不断提高的要求，加之釆 用PLC和变频器易操作、易维护、控制精度高，并可以实现高功能化等特点, 釆用基于PLC的变频器驱动方案开始逐步取代风门、挡板、阀门的控制方案。 从而大大的降低生产成本，减少能量损耗和对环境的污染，为企业带來 观的经济效益和社会效益。随着电子技术和
14、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求越來越高， 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
15、矿矿井通风系统中，大多仍釆用继电、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，釆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经。1.2 PLC及风机控制系统的
16、发展状况经过几十年的迅速发展，PLC的功能越來越强大，应用范围也越來越广泛,其足迹己遍及国民经济的各个领域，形成了能够满足各种将需要的PLC应用系统。随着市场需求的不断提高PLC的发展体现出以下趋势。1向小型化、微型化和大型化、多功能两个方向发展2.过程控制功能不断增强3.大力开发智能型I/O模块4.与个人计算机日益紧密结合5.编程语言趋向标准化6通信与联网能力不断增强近年來随着科技的飞速发展，PLC的应用正在不断地走向深入，同时 带动传统的控制检测技术不断更新。PLC是采用大规模集成电路、微型计 算机技术的发展成果逐步形成具有多种优点和微型、小型、中型、大型、 超大型等各种规格的PLC系列产
17、品应用于从继电器控制系统到监控计算机 之间的许多控制领域，它最适用于以开关为主的控制功能。通过模拟/数 字，（A/D）转换器和数字/模拟（D/A）转换器也可以控制模拟量例如控制 温度、压力、流量、成分等参数。基于PLC的多路抢答器控制系统可以根据PLC修改程序方便这一特点 随意调整设置的时间或者控制系统的工作状态。如果对外部电路稍加修改 或者在系统程序中加入分支可以把八路抢答器变为更多路的抢答器。比如 十位、十六位或者二十位等。如果将手动按钮变为触摸屏可以使抢答器更 为简单方便。如果去除系统中的限时功能还可以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、工厂生产车间等多种地方使用
18、。风机控制系统的研究现状：风机的控制系统是风机的重要组成部分， 它承担着风机监控、自动调节、实现最大风能捕获以及保证良好的电网兼 容性等重要任务，它主要由监控系统、主控系统、变桨控制系统以及变频 系（变频器）几部分组成。各部分的主要功能如下：监控系统（SCADA）:监控系统实现对全风场风机状况的监视与启、 操作它包括大型监控软件及完善的通讯网络。主控系统：主控系统是风机控制系统的主体，它实现自动启动、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 自动记录与监控等重要控制、保护功能。它对外的三个主要接口系统就是 监控系统、变桨控制系统以及变频系统（变频器），它与监控系统
19、接口完 成风机实时数据及统计数据的交换，与变桨控制系统接口完成对叶片的控 制，实现最大风能捕获以及恒速运行，与变频系统（变频器）接口实现对 有功功率以及无功功率的自动调节。变桨控制系统：与主控系统配合，通过对叶片节距角的控制，实现最 大风能捕获以及恒速运行，提高了风力发电机组的运行灵活性。目前来看， 变桨控制系统的叶片驱动有液压和电气两种方式，电气驱动方式中乂有釆 用交流电机和直流电机两种不同方案。究竟釆用何种方式主要取决于制造 厂家多年來形成的技术路线及传统。变频系统（变频）器：与主控制系统接口，和发电机、电网连接，直 接承担着保证供电品质、提高功率因素，满足电网兼容性标准等重要作用。 风机
20、控制系统的发展趋势：随着国内企业所开发风机容量越來越大，风机 控制技术必须不断发展才能满足这一要求，如叶片的驱动和控制技术、如 更大容量的变频器开发，都是必须不断解决的新的课题，这里不进行详细 阐述。当前，由于风力发电机组在我国电网中所占比例越来越大，风力发 电方式的电网兼容性较差的问题也逐渐暴露出來，同时用户对不同风场、 不同型号风机之间的联网要求也越來越高，这也对风机控制系统提出了 新的任务。（1）釆用统一和开放的协议以实现不同风场、不同厂家和型号的风机 之间的方便互联。目前，风机投资用户和电网调度中心对广布于不同地域 的风场之间的联网要求越來越迫切，虽然各个风机制造厂家都提供了一定 的手
21、段实现风机互连，但是由于采用的方案不同，不同厂家的风机进行互 联时还是会有很多问题存在，实施起來难度较大。因此，现实不同风机之 间的方便互联是一个亟待解决的重要课题。（2）需要进一步提高低电压穿越运行能力（LVRT） o风力发电机组， 尤其是双馈型风机，抵抗电网电压跌落的能力本身较差。当发生电网电压 跌落时，从前的做法是让风机从电网切出。当风机在电网中所占比例较小 时，这种做法对电网的影响还可以忽略不计。但是，随着在网运行风机的 数量越來越大，尤其是在风力发电集中的地区，如国家规划建设的六个千 万千瓦风电基地，这种做法会对电网造成严重影响，其至可能进一步扩大 事故。欧洲很多国家，如徳国、西班牙
22、、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。风机具有的这种 能力称为低电压穿越运行能力（LVRT）,有的国家其至要求当电网电压跌 落至零时还能保持在网运行。我国也于今年8月由国家电网公司出台了风 电场接入电网技术规定，其中规定了我国自己的低电压穿越技术要求， 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的90%时，风电机组保持并网 运行的低电压穿越运行要求。应该说，这还只是一个初步的、相对较低的 运行要求。在今后可能还会出台更为严格的上网限制措施。这些要求的实 现，主要靠控制系统中变频器
23、算法及结构的改善，当然和主控和变桨系统 也有密切联系。（3）实现在功率预估条件下的风电场有功及无功功率自动控制。目前，风 电机组都是运行在不调节的方式，也就是说，有多少风、发多少电，这在 风电所占比例较小的情况下也没有多大问题。但是，随着风电上网电量的 大幅度增加，在用电低谷段往往是风机出力最大的时段，造成电网调峰异 常困难，电网频率、电压均易出现较大波动。当前，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控制系统的要求（1） 高可靠性，以适应工业现场十分恶劣和复杂的工作条件。（2） 具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） 有丰富的可与工业现场信号相连接
24、的工业接口，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） 有先进的系统环境和应用软件便于开发。（6） 有自动/手动转换系统，保证在自动控制系统出现故障时，可以 手动控制。（7） 有可靠的报警系统，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系统构成及工作原理工业离心风机的工作要求是指在特定的工作环境中，风机输出的风量 要随着外界条件的变化，保持在设定的参数值上。这样，既可满足工作要 求，乂不使电动机空转，而造成电能的浪费。为实现上述目标，本系统釆 用闭环控制的方式。工业现场的温度由温度传感器检测，变换成模拟输入 反馈信号，经A/D转换后与PLC中给定值
25、比较，再经D/A转换变成模拟量输 出信号，控制变频器调节风机转速，从而达到控制工厂车间温度的目的系 统组成简图如图21所示。通嗣u思管图2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的自动控制中，其节能效果明显。由流 体力学的基本定律可知：风机、泵类设备均属平方转矩负载，其转速n与流量Q,压力H以及轴功率P具有如下关系：Hn2, Pn3,即流量与 转速成正比，压力与转速的平方成正比，轴功率与转速的立方成正比。图2 给出了风机中风门调节和变频调速两种控制方式下风路的压力-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的H-Q曲线， 曲线2是风
26、机在某一较低速度下的H-Q曲线，曲线3是风门开度最大时的H-Q 曲线，曲线4是风机在某一较小开度下的H-Q曲线。可以看出，当实际工况 风量由Q1下降到Q2时，如果在风机以额定转速运转的条件下调节风门开度， 则工况点沿曲线1由A点移到B点；如果在风门开度最大的条件下用变频器调 节风机的转速，则工况点沿曲线3由A点移到C点。显然，B点与C点的风量 相同，但C点的压力要比B点压力小得多。因此，风机在变频调速运行方式 下，风机转速可大大降低，节能效果明显。曲线5为变频控制方式下的P-Q 曲线，曲线6为风门调节方式下的P-Q曲线。可以看出，在相同的风量下， 变频控制方式比风门调节方式能耗更小，二者之差可
27、由下述经验公式(2-1)表示：P = 0.4 + 0.6Q/Qe-(Q/Qef Pe (2-1)(1)其中Q为风机运行时实际风量。Qe为风门开度为最大，且电机运行在额定转速时的风量。Pe为风门开度为最大，且电机运行在额定转速时的功率。通过以上分析得出，采用转速进行调节风量，比起用挡板调节风量节 省能源，风量调节幅度越大，节电效果越高。对我国风机现有的运行状况 进行调查后得出，其中大多数风机处于大马拉小车的状态，用挡板进行运 行流量的调节，极大的浪费了电能，若釆用调速方式运行，则可以大量节 约电能，并能在1至2年内收回投资成本。图2-2变频调速在风机中的节能分析2.4变频调速的依据变频调速技术的
28、基本原理是根据电机转速与工作电源输入频率成正 比的关系，如公式(2-2)所示：(2-2)n = 60/(1-5)/ p其中n表示电机转速;f为电动机工作电源频率；S为电机转差率；P为电机磁极对数。通过改变电动机工作电源频率达到改变电机转速的目的。交流电动 机调速方法有三种，主要有：(1)变极对数调速，(2)变转差率调速，(3)变频调速，即改变电源的频率来改变电机的转速。这三种方法前 两种有一定的局限性，而变频调速具有其他调速方法无可比拟的优势，变 频调速的性能和经济指标己赶上直流调速系统。变频调速传动效率高，因 变频调速属于电气调速，无中间机械设备，也就没有附加的转差损耗，属 于低损耗的高效调
29、速，而且其调速范围广，反应速度快，精度高，装置安 全可靠，安装调试方便，容易实现闭环控制，能达到自动调节。另外，使 用变频调速还具有高效节能的效果。目前，变频调速控制器作为一种新型 的节能控制装置，己开始在各行各业逐渐得到推广和应用。变频系统的主 电路原理图如图2-3所示。图2-3变频器主电路原理图2.5离心风机控制原理分析三台大容量的离心风机(1#,2#, 3#)根据工作状态的不同，具有变频、工 频两种运行方式，因此每台离心风机均要求通过两个接触器分别与工频电 源和变频电源输出相联。QSI,QS2, QS3, QS4分别为主电路、变频器和各电 机的工频运行控制开关，KM1, KM2, KM3
30、为三台风机工频运行时的交流 接触器，KM4, KM5, KM6为三台风机变频运行时的交流接触器，FR1, FR2, FR3为工频和变频运行时的电机过载保护用热继电器，变频运行时由变频器 也可实现电机过载保护。变频器的主电路输出端子(U, V, W)经接触器接至 三相电动机上，当旋转方向与工频时电机转向不一致时，需要调换输出端 子(U,V,W)的相序，否则无法工作。主电路见图2-4所示。在控制电路的设计中，必须要考虑弱电和强电之间的隔离问题。为了 保护PLC设备，PLC输出端口并不是直接和交流接触器连接，而是在PLC输 出端口和交流接触器之间引入中间继电器，通过中间继电器控制接触器线圈的得电/失
31、电，进而控制电机或者阀门的动作。通过隔离，可延长系统的 使用寿命，增强系统工作的可靠性。控制电路之中还要考虑电路之间互锁的关系，这对于变频器安全运行 十分重要。变频器的输出端严禁和工频电源相连，也就是说不允许一台电 机同时接到工频电源和变频电源的情况出现。因此，在控制电路中，对各 风机电机的工频/变频运行接触器作了互锁设计；另外，变频器是按单台电 机容量配置，不允许同时带多台电机运行，为此对各电机的变频运行也作 了互锁设计。为提高互锁的可靠性，在PLC控制程序设计时，进一步通过PL C内部的软继电器来做互锁。出于可靠性及检修方面的考虑，设计了手动/自动转换控制电路。通 过转换开关及相应的电路來
32、实现。电气控制线路图见图2-5所示。图2-5中，SA为手动/自动转换开关，KA为手动/自动转换用中间继电器, 打在位置为手动状态，打在位置KA吸合，为自动状态。在手动状态， 通过按钮SB1-SB12控制各台风机的起停。在自动状态时，系统执行PLC的 控制程序，自动控制风机的起停。中间继电器KA的6个常闭触点串接在三台 风机的手动控制电路上，控制三台风机的手动运行。中间继电器KA的常开 触点接PLC的X0,控制自动变频运行程序的执行。在自动状态时，三台风 机在PLC的控制下能够有序而平稳地切换、运行。风机电机电源的通断，由 中间继电器KA1-KA6控制接触器KM 1-KM6的线圈來实现。HL0为自动运行 指示灯。FR1,FR2, FR3为三台风机的热继电器的常闭触点，对电机进行过 流保护。FfJt图24离心风机主电路图图25离心风机控制线路图
