基于plc的风机控制系统设计学士学位论文.docx

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基于plc的风机控制系统设计学士学位论文

摘要

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

DesignofFanControlSystemBasedonPLC

Abstract

The programmable logic controller（PLC） is a microprocessor core, acombinationofcomputer technology, automaticcontroltechnology and networkcommunicationtechnology, generalindustrialcontroldevices. Ithas easytouse,easymaintenance,reliability,highcostperformance characteristics, widelyusedin many areas of industrialcontrol.The minevertilator coal production equipment, the fan canwork adirectimpacton coal productionactivities. Therefore, the main fan toachieve onlinemonitoring of veryimportant significance.

Inthispaper, the workingenvironment andoperationalcharacteristics of theventilator, the PLCasthe master device tointroduce a programmablelogiccontroller （PLC）in the mineventilation system; explore compositionand designof fan system to achieve automaticcontrolsystem; involvedin equipmentselection andconfiguration of hardware; thepreparationof the ventilator toachieve automaticcontrol ladder; andbrieflydescribes the PLCand otherintelligentdevices andpersonal computers networked controlsystemcomposedof.

Thissystem improvesthe ventilator equipment automation managementlevel, toensure the main ventilator equipment, economic, reliableoperation, andprovidesareliable scientificbasis for themanagementandmaintenance ofequipment.

Keywords:

Coalmineventilator;PLC;Onlinemonitoring

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表格清单

引言

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。

近年来，出于节能的迫切需要和对产品质量不断提高的要求，加之采用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，采用基于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，为企业带来

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两种方式，电气驱动方式中又有采用交流电机和直流电机两种不同方案。

究竟采用何种方式主要取决于制造厂家多年来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。

近年来，出于节能的迫切需要和对产品质量不断提高的要求，加之采用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，采用基于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，为企业带来

观的经济效益和社会效益。

随着电子技术和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来越高，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。

目前煤矿矿井通风系统中，大多仍采用继电、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，采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。

1.2PLC及风机控制系统的发展状况

经过几十年的迅速发展，PLC的功能越来越强大，应用范围也越来越广泛,其足迹已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

近年来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。

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，电气驱动方式中又有采用交流电机和直流电机两种不同方案。

究竟采用何种方式主要取决于制造厂家多年来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。

风机控制系统的发展趋势：

随着国内企业所开发风机容量越来越大，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来，同时用户对不同风场、不同型号风机之间的联网要求也越来越高，这也对风机控制系统提出了

新的任务。

（1）采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来越迫切，虽然各个风机制造厂家都提供了一定的手段实现风机互连，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，实施起来难度较大。

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）。

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来越大，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，甚至可能进一步扩大事故。

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。

风机具有的这种能力称为低电压穿越运行能力（LVRT），有的国家甚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，又不使电动机空转，而造成电能的浪费。

为实现上述目标，本系统采用闭环控制的方式。

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2-1所示。

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：

Q∝n，H∝n2，P∝n3，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，二者之差可由下述经验公式（2-l）表示：

（2-1）

（l）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，若采用调速方式运行，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）

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，已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。

QS1,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来实现。

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①位置为手动状态，打在②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KM1-KM6的线圈来实现。

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。

图2-4离心风机主电路图

图2-5离心风机控制线路图

第3章系统硬件设计

3.1温度传感器选择

本系统是将传感器安装在工厂车间中，通过实时检测车间内的温度，换算出与设定温度之间的调整值，通过变频器自动调节到合适的风机转速

，从而使车间内温度达到设定的温度值。

中间继电器KA1-KA6控制接触器KM1-KM6的接线图如图3-1所示。

图3-1KA-KM接线图

根据本系统的具体情况，经认真比较最后选定热电偶传感器，它是工业测量中应用最广泛的一种温度传感器，它与被测对象直接接触，不受中间介质的影响，具有较高的精确度；测量范围广，可从-50℃～1600℃进行连续测量，当工作端的被测介质温度发生变化时，热电势随之发生变化将热电势送入PLC进行处理，即可得到温度值。

3.2PLC的选择

对于主控设备PLC的选择，从收集的国内外各种PLC产品的资料来看，充分考虑了工业离心风机工作状况和本控制系统的特点以及现有条件，最终选择了日本松下电工FP0系列PLC产品。

3.2.1FP0系列PLC的特点

FP0系列PLC在小机壳内汇聚了先进的功能和优异的表现，包括脉冲捕捉，两路脉冲输出，PID，PWM，高速计数，网络通信，模拟量设定和时钟功能等。

主机单元是集成了CPU，电源（AC），输入输出单元的独立模块，可单独使用，也可以和扩展单元任意组合使用，最多可配置3个扩展模块。

I/O点可以从最少的10点扩展到最多的128点。

使用时可根据实际情况进行适当的组合。

主机和扩展单元都有专门的扩展接口，在扩展时可以直接连接，

不需要连接电缆。

本设计根据需要，主模块选用FP0C32，扩展模块选用FP0E16，A/D转换模块采用FP0-A80模块。

3.2.2PLC控制系统设计流程

PLC控制系统的设计步骤如图3-2所示，在本系统的设计中，使用了一个主模块，一个扩展模块，一个A/D转换模块，共使用19个输入口，12个输出口，在I/O口的使用上，充分考虑了系统在以后扩展的需要，对一些有特殊用途的端口如A/D转换模块的接口尽量不用或者少用。

为了提高系统的可靠性，在软件设计时除了编制正常工作下的自动控制程序外，还在PLC中编制了手动控制程序，这样做较之以往的控制系统有三个好处：

第一，可以在系统安装完成后，对各个设备进行单个调试，以检查设备是否工作正常；第二，可