基于PLC的离心风机变频调速控制系统方案设计书71153

河南工业职业技术学院毕业论文
Henan Polytechnic Institute
毕业设计（论文）
题目：基于PLC的风机变频调速控制
系统设计
班级：电气自动化技术1001
姓名：邢燕强
指导教师：胡应占
目录
摘要 0
1 绪论 (1)
2 系统结构和控制方案 (2)
2.1 系统的设计功能 (2)
2.2 系统结构和方案 (2)
3 系统硬件构成及各部分功能 (5)
3.1 PLC可编程控制器部分 (5)
3.1.1 PLC概述 (5)
3.1.2 PLC外部I/O 连接 (6)
3.1.3 I/O接线图 (7)
3.2 变频调速的基础知识 (9)
3.3 模数转换模块 (9)
3.4 离心风机 (9)
3.5 变频器的选型和容量的确定 (10)
4 系统硬件设计 (13)
4.1 硬件电路 (13)
4.2 系统控制电路设计 (14)
5 软件设计 (15)
5.1 瓦斯浓度控制部分 (15)
5.2 压力控制部分 (16)
5.3 温度控制部分 (18)
6 结束语 (20)
致谢 (21)
参考文献 (22)
附图总程序 (23)
摘要
在最近几年，PLC 以其诸多优异特点获得广泛的使用，在工业先进国家已成为工业控制的标准设备。

它专为工业控制而设计，集电气、仪表、控制三电于一体，是实现机电一体化的理想控制设备。

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，实现对离心风机工作过程和运转速度的有效控制，使矿井通风机通风高效、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径。

关键词：矿井，离心通风机，PLC，变频器
1 绪论
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，备用通风机停止，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径。

2 系统结构和控制方案
2.1 系统的设计功能
本控制系统具有离心通风机组的启动、互锁和过热保护等功能。

与常规继电器实施的通风系统相比，PLC系统具有故障率低、可靠性高、接线简单、维护方便等诸多优点，PLC的控制功能使通风系统的自动化程度大大提高，减轻了岗位人员的劳动强度。

PLC和变频器与空气压力变送器配合使用，使系统控制的安全性、可靠性大大提高，也使通风机运行的故障率大大降低，不仅节约了电能，而且还提高了设备的运转率。

为满足矿井通风系统自动控制的要求，系统的具体设计要求如下：
（1）本系统提供手动／自动两种工作模式，具有状态显示以及故障报警等功能。

（2）模拟量压力输入经PID运算，输出模拟量控制变频器。

（3）在自动方式下，当井下压力低于设定压力下限时，两组风机将同时投入工作运行，同时并发出指示和报警信号。

（4）模拟量瓦斯输入，当矿井瓦斯浓度大于设定报警上限时，发出指示和报警。

当瓦斯浓度大于设定断电上限时，PLC将切断工作面和风机组电源，防止瓦斯爆炸。

（5）运用温度传感器测定风机组定子温度或轴承温度，当定子温度或轴承温度超过设定报警上线时，发出指示和报警信号。

当定子温度或轴承温度超过设定风机组转换温度界线时，PLC将切断指示和报警信号并自动切断当前运行风机组，在自动方式下并能自动接入另一台风机组运行，若在手动方式下，工作人员手动切换[1]。

（6）为防止离心风机的疲劳运行，在任何状态下，风机在累计运行设定时间后都会自动切换至另一台风机组运行。

2.2 系统结构和方案
通风控制系统主要由2 台离心风机组成，每台离心风机有两台电机，每台电机驱动一组扇片，两组扇片是对旋的，一组用于吸风，一组为增加风速，对井下进行供风。

根据井下用风量的不同，采用不同型号的风机。

本设计以风机 2 ×45 kW 为例，选用一台S72200 PLC、空气压力传感器和变频器等组成一个完整的闭环控制系统。

其中还包括接触器、中间继电器、热继电器、矿用防爆型磁力启动器、断路器等系统保护电器，实现对电机和PLC的有效保护，以及对电机的切换控制。

图1 通风控制系统方案图
本PLC控制系统具有对通风机的电动机启动与运行，进行监控、联锁和过热保护等功能。

PLC与空气压力变送器配合使用，使系统控制的安全性、可靠性大大提高，也使通风机运行的故障率大大降低，提高了设备的运转率[2]。

为满足煤矿矿井通风系统自动控制的要求，设计如下的控制方案：本系统提供手动/自动两种工作模式，具有现场控制方式、状态显示以及故障报警等功能。

在手动方式下，通风机通过开关进行控制，不受矿井内气压的影响。

为防止通风机疲劳运行，在任何状态下风机在累计运行设定时间后要切换至另一台风机运行。

A组离心通风机与B 组离心通风机可由二位开关转换。

循环次数及定时时间可根据需要随机设定。

报警信号均为声光形式，声报警(电笛)可用按钮解除,报警指示在故障排除后自动消失。

在自动方式下，利用远传空气压力传感器检测矿井内的气压信号，用变送器将现场信号变换成统一的标准信号(如4～20 mA 直流电流信号、0 ～5 V直流电压信号等)，送入A /D 转换模块进行模数转换，然后送入PLC，PLC将检测到的气压值与设定的气压值进行比较和处理，输出信号控制通风机工作。

当矿井内的气压在一个大气压或在设定的某个大气压力数值以上，工作离心通风机与备用离心通风机循环工作；当出现突发事故，矿井内的气压低于设定的某个大气压力数值，工作离心通风机与备用离心通风机不再循环工作，并自动切换为同时工作，加大对矿井内的通风量，直至矿井内的气压升至设定的大气压力数值以上，工作通风机与备用离心通风机恢复循环工作[3]。

在有瓦斯的矿井供风系统中，矿井内的瓦斯浓度传感器检测瓦斯浓度，用变送器将现场信号变换成统一的标准信号，送入A /D 转换模块进行模数转换，然后送入PLC，同样PLC将检测到的数值与设定的数值进行比较，当瓦斯浓度大于设定数值后，PLC输出信号控制通风机停止工作，并输出信号自动切断井下的电源，满足风电联锁要求，以免电子火花点着瓦斯，
防止瓦斯爆炸事故发生。

3 系统硬件构成及各部分功能
3.1 PLC可编程控制器部分
3.1.1 PLC概述
PLC即可编程控制器（Programmable logic Controller，是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。

在1987年国际电工委员会（International Electrical Committee）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：
PLC英文全称Programmable Logic Controller，中文全称为可编程逻辑控制器，定义是：一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。

它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程，PLC是可编程逻辑电路，也是一种和硬件结合很紧密的语言，在半导体方面有很重要的应用，可以说有半导体的地方就有PLC。

PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。

它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。

PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。

（1）CPU的构成
CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每套PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程。

CPU主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。

内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。

CPU速度和内存容量是PLC的重要参数，它们决定着PLC的工作速度，I/O数量及软件容量等，因此限制着控制规模。

（2）I/O模块
PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）完成的。

I/O模块集成了PLC的I/O 电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。

输入模块将电信号变换
成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。

I/O分为开关量输入（DI），开关量输出（DO），模拟量输入（AI），模拟量输出（AO）等模块。

常用的I/O分类如下：
开关量：按电压水平分，有220V AC、110V AC、24VDC，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。

模拟量：按信号类型分，有电流型（4-20mA,0-20mA）、电压型（0-10V,0-5V,-10-10V）等，按精度分，有12bit，14bit，16bit等。

除了上述通用I/O外，还有特殊I/O模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。

按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少。

但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。

（3）电源模块：PLC电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源。

同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。

电源输入类型有：交流电源（220V AC或110V AC），直流电源（常用的为24VDC）[4]。

3.1.2 PLC外部I/O 连接
根据系统的要求，选取S72200 PLC CPU224作为控制核心，CPU224的I/O点数是14 /10;扩展了1个EM 231模拟量输入模块，它是A /D转换模块，具有4个模拟量输入，12位A /D，其采样速度25μs，空气压力传感器、瓦斯浓度传感器采集的信号经过变送器调理和放大处理后，成为0 ～5 V的标准信号，再经过EM231模块自动完成A /D转换；同时扩展了1个EM222数字量输出模块，它有8个数字量的输出点，作用是提供附加的输出点，这样完全可以满足系统的要求。

煤矿矿井通风控制系统的设计主要涉及10个数字量输入和2个模拟量输入，15个数字量输出。

设置6个操作键、4个开关量传感器和2个模拟量。

传感器作输入信号，如表1所示。

这6个操作键分别是自动方式开关、手动方式开关、停机按钮、消音按钮及2个在手动控制下控制通风机运行的按钮开关，4 个开关量传感器为拖动通风机的吸风电机和增风速电机发生堵转故障时热继电器的控制开关，其中扩充了1个EM231的模拟量输入模块，主要是用于转换气压信号和瓦斯浓度信号的。

表1 PLC I/O接口分配表
3.1.3 I/O接线图
图2 I/O接线图
3.2 变频调速的基础知识
异步电动机是电力、化工等生产企业最主要的动力设备。

作为高能耗设备，其输出功率不能随负荷按比例变化，大部分只能通过挡板或阀门的开度来调节，而电动机消耗的能量变化不大，从而造成很大的能量损耗。

近年来，随着变频器生产技术的成熟以及变频器应用范围的日益广泛，使用变频器对电动机电源进行技术改造成为各企业节能降耗、提高效率的重要手段。

n＝60 f(1－s)/p (1)
式中n———异步电动机的转速；
f———异步电动机的频率；
s———电动机转差率；
p———电动机极对数。

由式(1-1)可知，转速n与频率f成正比，只要改变频率f即可改变电动机的转速，当频率f在0～50Hz的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。

变频调速就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的。

变频器主要采用交—直—交方式，先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。

变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成。

整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为IGBT 三相桥式逆变器，且输出为PWM波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。

3.3 模数转换模块
模数转换模块分为A/D转换模块和D/A转换模块。

PLC模拟量处理功能主要通过模拟量输入输出模块及用户程序来完成。

模拟量输入模块接受各种传感器输出的标准电压信号或电流信号，并将其转换为数字信号存储到PLC中。

PLC根据生产实际要求，通过用户程序对转换后的信息进行处理并将处理结果通过模拟量输出模块转换为标准电压或电流信号去驱动执行元件。

3.4 离心风机
我国矿井使用的离心式通风机主要就是。

G4 —73系列离心式通风机，G4 —73系列离心式通风机最初是为锅炉通风(引风) 设计的，后来被引用到矿井通风中并拥有一定的市场占有量。

该系列离心式通风机的特点是特性曲线较平缓、无驼峰、运行噪声较小、效率高。

启动时关闭调节门(也叫前导器)，具有启动功率较小，启动容易的特点。

运行时调节门可在0°～70°范围内调节，用以改变运行工况，还可通过配置不同转速的电动机来改变其运行工况,适应性
较好。

G4 —73系列通风机的特性曲线较平缓，运行噪声较小，效率高，适用于通风阻力不是太大的中小型矿井。

我国地方煤矿的矿井中使用该系列通风机较多，由于机型小，配置电动机的容量也小,可配用380V或660V电压的电动机，特别适用于无高压(6000V)供电的矿井使用。

但对初、后期风压变化大的矿井，离心通风机的调节性能差。

离心风机的作用：离心风机是依靠输入的机械能，提高气体压力并排送气体的机械，它是一种从动的流体机械。

离心风机广泛用于工厂、矿井、隧道、冷却塔、车辆、船舶和建筑物的通风、排尘和冷却；锅炉和工业炉窑的通风和引风；空气调节设备和家用电器设备中的冷却和通风；谷物的烘干和选送；风洞风源和气垫船的充气和推进等。

离心风机的工作原理与透平压缩机基本相同，只是由于气体流速较低，压力变化不大，一般不需要考虑气体比容的变化，即把气体作为不可压缩流体处理。

离心风机可制成右旋和左旋两种型式。

从电动机一侧正视，叶轮顺时针旋转，称为右旋转风机，逆时针旋转，称为左旋。

一般的高压离心风机，其主要的动力设备是电动机，此外还包括用来控制风机风阀位置的电动或手动执行器、风机阀门限位开关等部件。

风机动力设备的传统控制方法是通过手动或继电器控制，存在可靠性和灵活性较差的问题，比如：由于电机的容量大，就存在启动时间长、启动电流大、运行安全可靠性差等问题，为了解决这些问题，需要采取在启动离心风机时减少启动负荷、通过星—三角降压启动来降低启动电流、进行安全互锁控制等措施。

离心通风机工作时，动力机(主要是电动机)驱动叶轮在蜗形机壳内旋转，空气经吸气口从叶轮中心处吸入。

由于叶片对气体的动力作用，气体压力和速度得以提高，并在离心力作用下沿着叶道甩向机壳，从排气口排出。

因气体在叶轮内的流动主要是在径向平面内。

风机的用途：一般用于高压强制通风，如冶炼、送料、矿井、隧道、地下室、铁路等，亦可输送空气及其它无腐蚀性、不含粘性物质、非易燃、易爆之气体，介质温度最高不超过八十度，介质中硬质颗粒物中大于150mg/m3。

3.5 变频器的选型和容量的确定
本系统选用的是西门子全新一代标准变频器MicroMaster440功能强大，应用广泛。

它采用高性能的矢量控制技术，提供低速高转矩输出和良好的动态特性，同时具备超强的过载能力，以满足广泛的应用场合。

在电机的容量确定并选定其型号后，接下来就要确定变频器的容量。

确定变频器容量的主要依据是输出电流，其原则为：变频器的输出额定电流应大于或等于电机的额定电流。

但在连续的变动负载或断续负载中，因电动机允许有短时间的过载，而且这种过载的时间经常超过变频器一般允许的一分钟。

故应考虑选择变频器的额定电流大于或等于电动机运行过程中的最大电流[5]。

电动机的型号确定后，其额定电流可以从制造商提供的样本中查到。

或者，也可从电机的
输出功率由下式计算
ϕη
3UI
P=(2)
cos
式中，P为额定输出功率（KW）；
U为额定电压（KV）；
I为额定电流（A）；
η为电机效率；
ϕ
cos为功率因数。

S7-200PLC 作为核心控制部件，它有总线访问权，可以读取或改写变频器的状态，控制软起动器的运行状态，从而达到控制和监视设备运行状态的目的。

系统采用总线式拓扑结构，两台变频器采用总线接插件连入总线。

S7-200 选用S7-222CPU，软件采用WIN3.2。

采用西门子Profibus 屏蔽电缆及9针D形网络连接头。

利用S7-222 的自由通信口功能，即RS485 通信口。

由用户程序实现USS协议与两台MM430变频器通信。

在硬件连接完毕后，需要对两台MM430变频器的通信参数进行设置，如表2所示。

表2 变频器参数的设定
4 系统硬件设计
4.1 硬件电路
（1）本系统的硬件电路如图3所示，它由4台电动机，一台智能型电控柜（包括西门子变频器、PLC、交流接触器、继电器等），一套压力传感器、断相相序保护装置以及供电主回路等构成。

该系统的核心是S7-200（CPU224）和MICROMASTER 430。

MICROMASTER 430
是泵和风机类专用变频器，扩展功能强．CPU224集成了14点输入10点输出，共有24点数字量I/0，其模拟量扩展模块具有较大的适应性和灵活性，且安装方便，满足设计需要。

（2）系统主电路
图3 系统主电路
如图3所示，该系统有4台电动机，分别拖动4台电动机。

合上空气开关后，当交流接触器KM1、KM3, KM5、KM7主触点闭合时，电动机为工频运行；当KM2、KM4、KM6、KM8主触点闭合时，电动机为变频运行。

4个热继电器KR1～KR4分别对4台电动机进行保护，避免电动机在过载时可能产生的过热损坏。

4.2 系统控制电路设计
（1）系统控制电路
如图4所示，Q0.0～Q0.7为PLC输出软继电器触点，其中Q0.0, Q0.2, Q0.4, Q0.6控制变频运行电路；Q0.1、Q0.3、Q0.5、Q0.7控制工频运行电路。

SA为转
图4 系统控制电路
换开关，实现手动、自动控制切换。

当SA切在手动位时，通过SB1～SB4按钮分别起动4台水泵工频运行,SB5～SB8按钮分别停止4台离心风机工频运行．当SA在自动位时，由PLC 控制水泵进行变频或工频状态的起动、切换、停止运行。

（2）PLC及变频器控制模块电路
PLC及变频器控制模块是本系统的核心，它包括时间控制电路、故障报警保护电路、断相相序保护电路。

5 软件设计
该系统除部分为顺序控制外，从总体上来看具有随机离散控制的特点。

控制系统软件结构的流程图如图2所示。

设定由瓦斯浓度传感器传送来的瓦斯浓度值为D，用户设定不能超过的瓦斯浓度值为D0，气压传感器传来的压力为F1，用户要求的矿井内气压值为F2。

由图5可知，按下启动键后，首先检测是否手动，如果是则手动控制操作，否则就自动正常运行;接着检测矿井内瓦斯浓度值和大气压力值，进行处理判断。

若D> D0，则通风机与矿井下供电电源联锁停止工作并报警，否则比较判断F1与F2的大小，若F1> F2，进入风机轮休控制子程序，启动A风机，A风机运行一定时间后，启动B组风机工作，A组风机停止。

否则两台通风机同时参与工作。

图5 系统总流程图
5.1 瓦斯浓度控制部分
瓦斯浓度控制部分和温度控制部分相似。

本设计用到的瓦斯浓度传感器为KGJ16B 型，其性能参数见硬件设计部分，瓦斯浓度传感器将连续变化的瓦斯浓度信号转换为4～20毫安的电流，然后经A/D转换模块EM235，通过其内部的采样、滤波，转换为PLC能识别的二进制信号存储到VD196中。

在离心风机运行过程中若矿井工作面的瓦斯浓度大于设定的报警瓦斯浓度上线时，M0.1闭合，Q1.1也闭合，系统将发出指示并报警。

以警示工作人员工作面瓦斯涌出量已有安全隐患，做好排放瓦斯的准备。

若井巷工作面瓦斯浓度继续增大，当VD196的存储值大于设定的断电瓦斯浓度上线时，M0.2闭合，PLC将发出切断电源的指令，将PLC所有输出和内部位复位，并切断风机电源各井巷工作面的电源，防止有明火引起与其爆炸。

同时并发出报警。

抽放瓦斯后，当瓦斯浓度VD196的存储值再次下降到小于断电瓦斯浓度上线时，风机组并不能重新运行工作。

只有当瓦斯浓VD196的存储值下降到小于瓦斯浓度报警上线时，PLC才恢复风机组再次启动并将风机组运行工作。

图6 瓦斯浓度控制程序
5.2 压力控制部分
压力是本控制系统的主控参数，在压力数据处理过程中运用到PID算法。

所谓的PID就是比例、积分、微分的总称。

其结构如图6所示。

PID运算中的积分作用可以消除系统的静态误差，提高精度，加强对系统参数变化的能力，而身分作用可以克服惯性滞后，提高抗干扰能力和系统的稳定性，可改善系统动态响应速度。

因此，对于速度、位置等快过程扩温度、化工合成等慢过程，PID控制都具有良好的实际效果。

压力是本控制系统的主控参数，在压力数据处理过程中运用到PID算法。

所谓的PID就是比例、积分、微分的总称。

其结构如图4所示。

PID运算中的积分作用可以消除系统的静态误差，提高精度，加强对系统参数变化的能力，而身分作用可以克服惯性滞后，提高抗干扰能力和系统的稳定性，可改善系统动态响应速度。

因此，对于速度、位置等快过程扩温度、化工合成等慢过程，PID控制都具有良好的实际效果。

在系统稳态运行时，PID控制器的作用就是通过调节其输出使偏差为零。

偏差由定量（SP，希望值）与过程变量（PV，实际值）之差来确定。

系统PID调节的微分方程式由比例项、积分项和微分项组成。

在自动方式下，利用远传空气压力传感器检测矿井内的气压信号，用变送器将现场的模拟压力信号变换成统一的1～10V直流电压信号，送人A／D转换模块进行模数转换，转变为PLC内部能识别的二进制信号。

压力参数的设置与矿井的深度、巷道的截面等诸多。