基于plc的风机监控系统

河南理工大学成人教育学院毕业设计（论文）说明书 变频器是变频调速技术高度发展的结果。近几年来，随着电力电子技术和计算机控制技术的迅速发展，变频器的价格不断下降，可选择的类型不断增多，其可靠性和功能性得到了不断提高和完善，使其在水泵、风机、电梯、空调等设备上得到了广泛的应用。目前国内耗电量最大的电机，几乎一半为风机、泵类负载，因此变频器在它们上的应用和推广，有利于能源的节约利用。通风机在煤矿上的使用占有很大的份量，是煤矿生产中最大的耗电设备。采用传统的方法调节风量，使得大量能量从节流中损失掉了。据统计，使用传统的方法调节风机的风量，运行效率通常为40%~60%，只有少数能达到70%，有的仅是30%，甚至更低，因此变频器在矿井通风机上的应用很有必要。一般地来讲，将变频器应用在矿井通风机上，具有以下的功能和优点： 1、可以实现风机的无级平滑调速，及时满足矿井生产的风量需求，提高风机的运行效率，节省大量的电能损耗。

2、限制风机的启动电流，减少启动时的峰值功率损耗，消除电机起动和停止时，对机械和电气元件的冲击，延长其使用寿命。

3、PLC控制技术和变频器结合使用，可以使通风系统具有完善的监控功能和高可靠性，减少通风机的检修和维护的工作量，节约设备的费用。

4、变频器自身的保护功能齐全，有欠电压保护、过电压保护、过电流保护、短路保护、风机轴承过热保护等，使风机安全运行的可靠性得到大大提高。 基于以上的优点，国内有许多研究所和高校都在致力于变频调速技术在矿井通风机上的应用和研究。如变频调速技术结合模糊控制在矿井局部通风机上应用，以及重庆煤研所设计的KXJT型矿用通风机自动调速装置，在煤矿的安全生产中都具有比较好的节能、自动化控制效果。变频调速技术在矿井通风机上的应用，不仅节省了大量的资金和电能，还大大提高了煤矿安全生产的自动化、机械化水平。

1.3PLC控制技术在矿井通风机上的应用

可编程控制器(Programmable Logical controller简称PLC)是以微处理器为基础，综合了计算机技术、半导体技术、自动控制技术、数字技术和网络通信技术发展起来的一种通用工业自动控制装置。它具有其它控制器所无法相比的特点，简单的概括起来主要有以下的特点：

1、可靠性高，抗干扰能力强

PLC控制系统中，大量的开关动作是由无触点的半导体电路来完成的，加上PLC充分考虑了工业生产环境的电磁、粉尘、温度、噪声等各种干扰，在硬件和软件上采取了一系列抗干扰措施，使PLC具有极高的可靠性。 2、通用性强，配置方便

由于PLC产品已经系列化和模块化，用户可以根据应用控制系统的要求，进行灵活选用不同的模块配置，不需要制作硬件装置，只要设计不同的程序，就可以满足不同的控制功能要求。

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河南理工大学成人教育学院毕业设计（论文）说明书 3、编程语言简单，方便

PLC的编程语言主要使用是梯形图语言，它与传统的继电器、接触器控制电路极为相似，直观易学，易于掌握。 4、功能齐全，扩展能力强

PLC的输入输出系统功能完善，性能可靠，除了能进行大量开关量的逻辑控制外，还能进行多路模拟量的运算与控制。它可以很方便地与各种类型的输入、输出量接口，实现D/A、A/D转换及PID运算。另外，通过PLC的通信联网功能，还可以对控制对象实现远程监控和远程诊断。

5、系统设计、安装、调试周期短 进行PLC控制系统的设计只是进行模块的适当配置，不用自己去设计具体的硬件装置，因此大大缩短了设计的周期。用软件编程代替大量的继电器和接触器硬接线，可以使PLC控制系统中的接线工作大大减少，只要把设备与PLC相应的FO端口相连即可。由于PLC软件的设计和调试大多可以在实验室进行，调试好以后，再进行现场连机调试，这样可以节省大量的时间。 6、体积小，维护操作方便

PLC的体积小，重量轻，使用和安装起来非常方便。另外，PLC内部具有完善的自诊断和故障显示功能，一旦发生故障，我们可以根据报警信息，迅速查明原因，及时排除故障，维护和操作起来非常方便。由于PLC具有以上一系列的优点，使得其在冶金、能源、化工、交通、电力等领域中得到了广泛的应用。

PLC在矿井通风机上的应用，主要使用的是PLC的逻辑控制、过程控制、模拟量控制、数据处理和通讯联网的功能。使用PLC的逻辑控制，可以实现风机变频和工频的切换以及风机有故障时的调换等；使用PLC的过程控制，可以实现对风机风量、风压等的PID调节，使其实时的满足井下的作业要求；使用PLC的模拟量控制，可以把风机运行时的压力、流量、温度等模拟量信号采集到A/D转换模块，然后转换成PLC可以处理的数字量。这些数字量可以在PLC内部进行逻辑比较或数据运算，也可以根据一定的控制算法或拟合关系，对数字量进行运算处理，并把处理的结果经过D/A转换成模拟量，输出控制外部智能设备；使用PLC的数据处理功能，主要是在控制过程中，对一些设定参数进行转换、传送、比较、运算等处理，实现对矿井通风机某些参数的实时监控、修改以及与各种外部设备之间的通讯等功能；使用PLC通讯联网功能，可以使用不同的协议，如PPI协议、MPI协议、Profibus协议、自用通讯协议，USS协议，实现PLC与计算机、PLC与PLC、以及PLC与各种外部智能设备如变频器、智能仪表等的通讯连接。

总之，PLC控制技术以其独特的特点和功能，可以大大提高矿井通风机的自动化控制程度，特别是PLC和变频器的结合使用，可以使矿井通风机取得明显的高效、安全、节能的运行效果。

1.4本论文研究的主要内容

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河南理工大学成人教育学院毕业设计（论文）说明书 本论文以矿井轴流式主通风机为控制对象，用PLC控制变频器去驱动通风机变频运行，以满足井下安全生产所需的风量。同时，还利用PLC和组态软件实现通风机运行的在线监控，以及实现风机、变频器的在线控制和故障报警功能。具体地来说，本论文的主要研究内容如下：

1、了解轴流式通风机的性能特点及变频调速的基本原理 2、矿井主通风机PLC控制变频调速系统的设计

该控制系统包括变频器接入的主电路和PLC接入的控制电路两部分。要求能实现手动和自动的切换，使风机处于工频或变频运行。无论风机处于变频或工频运行，都能在需要时顺利实现反风。在变频运行时，该系统能根据上位机给定的风量值，自动调整风机的转速，满足安全生产所需的风量。当变频器出现故障时，系统能自动甩掉变频器，实现工频运行。两台风机自动切换运行，当一台运行时，另一台作为备用。还要实现变频器和风机运行的实时在线监控，以及出现故障及时报警，及时处理的功能。

3、可编程控制器和变频器硬件部分的设计

根据系统的功能要求，完成其硬件电路的设计。系统电路设计好以后，首先要根据系统的要求进行PLC、变频器、传感器及其它电气元件的选型，然后根据系统的整体要求，确定PLC控制变频器的方式。最后，完成系统硬件部分的接线工作。 4、可编程控制器和变频器软件部分的设计 整个控制系统的硬件部分设计好以后，要进行系统软件部分的设计，包括系统主程序的设计，静压差、温度以及振动等模拟量采集处理，以及风机自动切换运行程序的设计。

5、上位机的监控功能及主界面设计

结合PLC和组态王软件，在上位机(PC)上完成主通风机在线监控系统的主界面的设计。

1.5本章小结

本章详细地介绍了课题的选题背景和选题意义，阐述了变频调速技术在矿井通风机上应用的必要性和其所能起到的作用和优点，同时，还介绍了PLC控制技术的特点和应用功能，以及其在矿井通风机上的应用现状。最后，在此基础上，提出了本课题主要的研究内容和任务。

第二章 轴流式通风机的运行特性和理论

2.1轴流式通风机的工作特点

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河南理工大学成人教育学院毕业设计（论文）说明书 轴流风机主要用作矿井主通风机，用来往井下输送新鲜空气。主要由集流器、流线罩、前导流器(P)、叶轮(R)、后导流器(s)、机壳和扩散器组成，其中前导流器(P)、叶轮(R)、后导流器(S)组成轴流风机一个完整的级。

轴流式通风机叶轮上的叶片做成螺旋面，叶轮旋转时，气体从轴向吸入，在叶片的作用下又沿着轴向吸入和排出，获得动能及压力势能。轴流式通风机的转速较高，气流沿轴向吸入和排出，转折较小；而且根据气体动力学的计算，可使叶轮叶片有最佳的翼型，故在流量较大的情况下，仍有较高的效率。因此，轴流式通风机的效率比离心式风机的高，结构上也比较紧凑。宜在要求风量大，风压低的情况下使用。

2.2轴流式通风机的性能曲线

轴流式风机在设计工况下，基本上能消除气流的径向流动，但当流量大于设计值时，叶轮下游侧气流将由内向外朝直径较大处偏斜；反之，气流将朝较小处偏转，情况严重时，会发生二次回流现象。轴流式风机的性能曲线特点如下： 1、Q-H线大都属于陡降型曲线

流量偏小时，气流将部分地发生二次回流现象，回流的液体被叶轮二次加压，是流量较小的情况下，压头上升的缘故。 2、Q-N曲线在流量为零时最大

当流量增大时，H下降很快，轴功率也有所下降，这样往往使轴流式风机在零流量下启动时的轴功率为最大。因此与离心式风机相比，轴流式风机应当在管路畅通下开动，尽管如此当启动与停车时，总是会经过最低流量的，所以轴流式风机所配用电机要有足够的裕量。

3、Q-?曲线在最高效率点附近迅速下降 流量不在设计工况下的气流情况迅速变坏，以至效率下降很快，所以轴流式风机的最佳工作范围较窄，一般都没有调节阀门来调节流量。因此，Q-H曲线和Q-N曲线都是在流量从小到大增加时先下降，再上升，然后再下降，有两个拐点，正常工作工况点应选在Q-H曲线的二次下降段，也就是驼峰点的右侧，它可近似用三次方程来拟合，但在整个趋势中它和Q-H曲线的拟合方法一样，选用有两个拐点的三次方程，能很好的反映风机工作情况的性能。Q-?曲线在整个流量变化过程中轴流式通风机运行特性和理论是先增大后减少，为此可用二次方程来拟合它的形状。一般工作的工况点选在效率大于60%的曲线段。

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