基于PLC的矿井通风机系统设计及组态监控

本科毕业论文（设计）

基于PLC的矿井通风机系统设计及其

论文题目 ：

组态监控

姓学班年专学

名 ： 号 ： 级 ： 级 ： 业 ： 院 ：

骆师星 133001010305 1303班 13级

电气工程及其自动化 信息工程学院 刘静（副教授）

2017.4.2

指导教师 ： 完成时间 ：

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作者声明

本毕业论文（设计）是在导师的指导下由本人独立撰写完成的，没有剽窃、抄袭、造假等违反道德、学术规范和其他侵权行为。对本论文（设计）的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。因本毕业论文（设计）引起的法律结果完全由本人承担。毕业论文（设计）成果归武昌工学院所有。

特此声明。

作者专业：电气工程自动化 作者学号：133001010305

作者签名：

2017年4月2日

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基于PLC的矿井通风机系统设计及组态监

控 The Design of Mine Ventilator System And Configuration Monitoring Based on PLC

2017年4 月2日

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摘 要

煤矿的安全生产中，矿井通风系统起着极其重要的作用，它是煤矿安全生产的关键环节。而矿井通风机又是矿井通风系统的主要设备之一，因此对其进行PLC控制的变频调速系统的设计和研究，不仅可以大大提高煤矿生产的机械化、自动化水平，还能节省大量的电能，具有较高的经济效益。

煤矿主通风机监控系统主要包括风机性能检测和风机风量调节控制两部分。本文以一台矿用对旋轴流风机为控制对象，结合PLC控制技术、变频调速技术和组态监控技术，对矿井通风机进行了PLC控制的状态监测和变频调速的设计和研究。

监控系统采用上位机加下位机的设计模式。下位机采用可靠性高的可编程逻辑控制器，通过各种传感器和电量采集单元实时监测通风机的性能参数和状态参数、电机的电气参数并能实现远程通讯。上位机应用北京亚控科技公司开发的KINGVIEW6.52组态软件编写人机界面，将风机工作流程以直观的画面显示出来，实现数据采集和显示、关键数据的记录和报警、生产数据的存储和报表输出、为操作员提供良好的操作界面，完成了风机房的无人值守自动化监控和管理的设计和改造。

在变风量系统中，主要比较了风门调节与变频调节，显示出了变频调节系统不仅能使风机工作在高效区，并且其节能效果要优于其它调节方法，具有很重要的应用前景。风机调节控制由PLC+变频器控制电机转速实现风量控制。同时本文还研究了风量调节的算法。

关键词：PLC控制；变频调速技术；矿井通风机

1

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Abstract

In the process of coal mine safety production.The mine ventilator is one of the main equipment of mine ventilation system, thus to variable frequency speed control system of PLC control design and research, not only can greatly improve the level of mechanization and automation of production in coal mine, still can save a lot of electricity, has high economic benefit.

Mainly include the monitoring and control system for coal mine main ventilator performance test fan and fan air volume adjustment control two parts.In this paper, a mine for screw axial flow fan as control object, and combining with PLC control technology and frequency conversion speed regulation technology and configuration monitoring technology, PLC control for mine fan design and research of condition monitoring and frequency control of motor speed.

Monitoring system consists of upper machine and lower machine design patterns.Under a machine adopts high reliability of the programmable logic controller, through a variety of sensors and power acquisition unit for real-time monitoring the ventilator's performance parameters and status parameters and electrical parameters of the motor and can realize remote communication.PC application of Beijing and control technology development KINGVIEW6.52 configuration software to write the man-machine interface, the fan working process in the form of intuitive screen display, data acquisition and display, key data record and alarm, data storage and report output production, to provide good interface to the operator, completed the wind room unattended automation monitoring and management of the design and transformation.

In a variable air volume system, mainly compares the damper adjustment and frequency conversion adjustment, show that the inverter control system can not only make the fan work in high efficient area, and its energy saving effect is better than other adjustment methods, has the very important application prospect.Fan regulation control motor speed is controlled by PLC + inverter air volume control.At the same time, this paper also studied the air volume adjustment algorithm..

Keywords:PLC control;Frequency Control of Motor Speed Technology; Mine

Ventilator

II

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目 录

摘要 ....................................................................................................................... I Abstract ................................................................................................................ II 1 引论.................................................................................................................... 4 2 系统构成及各部分功能.................................................................................... 5

2.1矿井主扇风机.......................................................................................... 5 2.2 PLC概述 ................................................................................................. 7 3通信网络的实现................................................................................................. 8

3.1风机自动化监控系统的整体结构.......................................................... 8 3.2基于现场总线和工业以太网的控制系统.............................................. 9 3.2.2现场总线与以太网的互连................................................................... 9 4系统的硬件设计............................................................................................... 11

4.1系统硬件连接........................................................................................ 11 4.2主电路.................................................................................................... 11 4.3控制电路的设计.................................................................................... 11 4.4 器件的选型........................................................................................... 14 4.5变频器与PLC的连接 .......................................................................... 15 4.6风量的控制算法.................................................................................... 16 5主通风机监控系统的软件设计....................................................................... 19

5.1 PLC软件设计 ....................................................................................... 19 5.2组态软件设计........................................................................................ 23 5.2.3 PLC控制变频器调速系统主界面 .................................................... 25 结语...................................................................................................................... 26 致 谢................................................................................................................. 27 主要参考文献...................................................................................................... 28 附录...................................................................................................................... 29

III

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1 引 论

通风机是煤矿的四大固定设备之一，它担负着向井下输送新鲜空气、排出粉尘和污浊气流的重任，具有“矿井肺腑”之称。由于井下工作环境恶劣，主通风机工作电压较高，电流较大，出现故障的概率也较大。一旦发生故障，将会对整个矿区的生产和安全造成重大影响。因此，有必要建立一套功能完善的自动监控系统，实现矿井主通风机性能及状态的在线实时监测，以便在生产过程中及时掌握主通风机的运行参数和状态，这也是主通风机控制系统的发展方向。据统计，煤矿事故70%以上是由于通风设备故障、通风管理不善等所造成。随着煤矿生产规模的扩大、生产效率的提高，井下通风系统对通风设备的监测监控也必须提出了更高的要求。利用设备在线监测监控等相关技术，实时调节风机运行状态，及早发现故障隐患十分必要。高压变频技术、智能控制技术、传感器技术、现场总线技术以及工业以太网技术的迅速发展，为满足煤矿生产的上述要求提供了可能。本监控系统就是在此背景下提出的。

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2系统构成及各部分功能

本论文设计的矿井主扇风机的监控包括风机运行状态的监测和风机风量的调节两部分。本系统中风机运行状态的监测以工控领域的可编程控制器(PLC)和组态软件为核心，以标准控制柜作为信号采集和控制输出装置,辅以传感器、中间继电器和其它辅助设备构建整个监控系统。通过的煤矿主通风机的计算机监控管理系统,实现了通风机的计算机实时监控以及通风机房与工业以太网和煤矿安全监控网络系统的信息共享。

风机风量的调节中引入变频器对风机风速的调节，据所需风量和风压大小通过变频器来调节风机的转速在节能和提高风机效率方面具有无与伦比的优点，还能实现风机的软启动和保护等要求。 2.1矿井主扇风机 2.1.1矿井主扇风机概述

矿井通风机按结构来分，有离心通风机和轴流通风机，目前矿上使用最多的是轴流通风机。轴流通风机是气体沿轴向进入旋转叶片通道，由叶片与气体的相互作用，使气体被压缩并沿轴向排出的通风机。在两级的轴流通风机中，有一种性能比较好的轴流通风机—对旋式轴流通风机，它的一个叶轮装在另一个叶轮的后面，同时两个叶轮的旋转方向彼此相反。它具有结构尺寸短，效率高，反风性能好的特点。目前矿井中主扇风机大部分采用对旋式轴流风机。

本论文中采用某实验风机，其技术参数如下表2.1所示：

表2.1 技术参数 风机基本性能参数 转速（r/min） 2900 型号 Y112M2 1.风量

单位时间内通风机吸入的气体的体积称为通风机的风量，以Q表示，单位为m/

风量（/h） 全压（Pa） 1200-2400 配用电机基本参数 转速（r/min） 2900 功率（Kw） 4×2 额定电压（V） 额定电流（A） 380 8.5 效率（%） 85.5 直径（mm） 400 5400-9000 2.1.2风机主要技术指标

2.风压

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在通风中所称的风压是指单位体积的空气所具有的能量，按其类型可分为静压、动压和全压，其单位为Pa。

1)静压

通风网络中单位体积流体所具有的压力能量，即为气体的静压力，以

表

示，在实际的通风网路中，通风截面一般不是很大，可以忽略同一截面上任意两地之间气体的位能之差，因此在缓变流条件下，同一过流截面上个点的静压值可以认为相等。

2)全压

气流中某一点的滞止压力，亦是该点静压和动压的代数和，以=3功率

通风机的功率分为轴功率和有效功率。轴功率是指原动机传递给通风机轴上的功率，有功功率是指风机在单位时间内对气体做的有用功，通风机的全压有效功率用下式计算:

=

表示：

——通风机全压有效功率，kW； ——通风机的全压，Pa； ——通风机的风量，m/

。

若通风机的风压用静压表示，则通风机静压有效功率可用下式计算: =式中:

——通风机静压有效功率，kW。 4效率

效率是全压有效功率或静压有效功率与轴功率的比值，前者称为全压效率，后者称为静压效率，计算公式如下：

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式中

,——通风机的全压效率和静压效率； N——通风机的轴功率，kW。 5转速

转速是指通风机在单位时间内的实际转数，以n表示，单位为r/min。 2.2 PLC概述

国际电工委员会(IEC)对PLC的定义是：可编程逻辑控制器是一种数字运算操作的电子系统，是用来取代电机控制的顺序继电器电路的一种器件，专为在工业环境下应用而设计。它采用一种可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数和算术操作等面向用户的指令，并通过数字式或模拟式输入输出来控制各种类型的机械或生产过程。

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3通信网络的实现

3.1风机自动化监控系统的整体结构

系统共分三层：设备层，控制层，监控层

设备层即现场测量层主要实现风机变量参数的测量和风机的控制，由各种传感器，电量监测设备，变频器等组成，完成对设备运行的自动控制和监控设备本身的运行工况参数的采集。

中央控制层由带有以太网接口的PLC组成，PLC作为总站，就地站以及远程输入站作为从站，采用PROFIBUS-DP现场总线实现现场设备的互连，节省了大量的A/D等传输和转换模块。通过以太网交换机与上层监控管理层的工控机联网，向工控机传送风机系统的运行状态(运行、停止、正转、反转等)，同时接收工控机的控制命令，采集风机系统的工况参数(如风压、风量、风机轴承温度、电机定子绕组温度、电压、电流、功率因数、功率和开关状态等)，其采集的数据经过转换后远传给上层监控管理层的工控机。

远程监控管理层直接接入矿调度室，由上位工控机、打印机、不间断电源等设备组成，提供集中监控管理功能，可以实现监控风机系统运行工况、故障报警与分析、数据统计分析、报表生成打印、历史数据记录管理等操作。

图3.1网络结构

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3.2基于现场总线和工业以太网的控制系统 3.2.1现场总线控制系统和以太网技术

对于矿井通风机监控系统而言，为保证通风机的安全可靠运行，其功能必须涵盖通风机电动机启停控制、风门的开合、风量调节、各项运行参数监测以及上下位机通信等多个方面。大型煤矿生产企业所应用的生产设备往往多而分散，对于传统的基于PC、PLC等产品的监控系统来说，如不采用现场总线技术将各生产设备的监控系统有机地连为一体，则难以及时有效地对各设备的状态进行协调管理，在很大程度上不利于生产效率和安全性的提升。工业以太网是基于以太网技术和TCP/IP技术开发出来的一种工业通信网络。工业以太网广泛应用于工厂的控制级通信，以实现PLC与PLC之间，PLC与PC机之间的通信。

3.2.2现场总线与以太网的互连

为了解决现场总线面临着标准繁多、难以与企业管理网络集成等诸多问题，于是就出现了把自动控制与计算机管理系统结合起来，集管理和控制为一体的系统。互连模型如图3.2所示：

图3.2 现场总线与以太网互联

3.2.3网络的具体实现方法

本系统现场总线采用PROFIBUS-DP总线。PROFIBUS-DP一般用于车间设备级的高速数据通信，主站（PLC或IPC等）通过标准的PROFIBUS-DP专用电缆与分散的现场设备（远程I/O，驱动器，阀门，智能传感器等）进行通信，对整个DP网络进行管理和控制。DP采用双绞线或光缆作为传输介质，传输速率从9.6kbit/s到12Mbit/s。S7-200 PLC可以通过EM277 PROFIBUS-DP通信模块

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连接到PROFIBUS-DP网络中。

同时本系统中采用CP243-1 以太网通信模块将S7-200 PLC连接到工业以太网中。借助于CP243-1，S7-200可以用于远程组态，编程和诊断。

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4系统的硬件设计

4.1系统硬件连接

系统的硬件连接见附录1。 4.2主电路

主电路中MA1，MA2为对旋式轴流风机的两台电机，交流接触器QA4、QA6分别控制MA1、MA2的工频运行；交流接触器QA3、QA5分别控制MA1、MA2的变频运行；QA1为主电路电源的隔离开关；FA为主电路的熔断器；BB1、BB2为电机MA1、MA2的热继电器。

图4.1 主电路图

4.3控制电路的设计

在风机控制系统硬件电路的控制电路部分，利用PLC进行控制，可以大大提高系统的可靠性、节省大量的继电器、实现较复杂的逻辑控制以及进行模拟量控制等功能。控制系统采用Siemens S7-200系列CPU226，同时外部扩展EM235和EM231模块。本控制系统接线图如下图9所示。

该PLC控制系统可以实现风机手动工频、自动变频和手动变频运行的切换，

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其中手动变频是指使用变频器控制面板手动控制风机的变频运行。在风机自动变频运行时，是利用采集到的风压信号进行通风机的变频调速控制。其中按钮SF0控制风机的自动变频运行；按钮SB1控制风机的手动变频运行；按钮SF2控制风机的工频运行；按钮SF3控制风机的停止；按钮SF4为报警灯铃的调试按钮；SF5为消铃按钮；PG1、PG3分别为MA1、MA2变频运行指示灯；PG2、PG4分别为MA1、MA2工频运行的指示灯；PG5为变频器故障报警指示灯；PG6为1#电机振动异常指示灯；PG7为2#电机振动异常指示灯；PG8为井巷压力下限指示灯；PG9为1#电机温度上限指示灯；PG10为2#电机温度上限指示灯；PB为报警电铃。

图4.2 控制电路

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系统的I/O地址分配如下表所示：

表4.1 I/O 地址分配

名称 输入信号 自动变频按钮 手动变频按钮 工频运行切换按钮 停止运行按钮 变频器1故障输入 变频器2故障输入 试灯铃按钮 消铃按钮 振动变送器输入 负压传感器输入 压力传感器输入 SF0 SF1 SF2 SF3 1RL1 2RL1 SF4 SF5 TF BP1 BP2 I0.0 I0.1 I0.2 I0.3 I0.4 I0.5 I1.0 I1.1 AIW0 AIW2 AIW4 AIW6 AIW8 AIW10 AIW12 地址编码 代码 地址编码 1#电机定子温度输入 BT1 1#电机轴承温度输入 BT2 2#电机定子温度输入 BT3 2#电机轴承温度输入 BT4

名称 输出信号 1#风机变频运行接触器 QA4，PG1 指示灯 1#风机工频运行接触器 QA3，PG2 指示灯 2#风机变频运行接触器 QA6，PG3 指示灯 2#风机工频运行接触器 QA5，PG4 指示灯 变频器1启动 变频器1故障复位

代码 Q0.0 Q0.1 Q0.2 Q0.3 Q0.4 Q0.5 1DIN1 1DIN3 13

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变频器2启动 2DIN1 Q0.6 Q0.7 Q1.0 Q1.1 Q1.2 Q1.3 Q1.4 Q1.5 Q1.6 AQW0 变频器2故障故障复位 2DIN3 变频器故障信号灯 PG5 1#电机振动异常指示灯 PG6 2#电机振动异常指示灯 PG8 井巷压力下限指示灯 PG8 1#电机温度上限指示灯 PG9 2#电机温度上限指示灯 PG10 报警电铃 风压模拟量输出 PB --- 4.4 器件的选型

4.4.1PLC的选型

在进行PLC型号的选择时，要考虑控制系统实现的功能，选择低档机、中档机还是高档机。另外，还要考虑IO点数的要求，一般在确定控制系统的IO点数后，还要留有15%一20%备选IO点数。同时，还要考虑PLC的存储容量，还要留有30%一50%的裕量。最后还要根据系统的功能要求，考虑是否要选择模拟量输入/输出模块和特殊功能模块。

CPU226具有24输入/16输出，共40个数字量IO点；有2个RS485通信/编程接口；有PID控制器，具有PID自整定的功能；也有PPI/MPI和自由方式通信的能力。更大的存储空间，更强的扩展能力及更快的运行速度和强大的内部集成特殊功能，使其可以满足复杂的中小型控制系统的要求。

在本设计中共有8输入/11输出，7点模拟量输入和1点模拟量输出。综合上述条件，本系统选用Siemens公司S7-200系列CPU226的PLC。另外选用EM235模块和EM231模块。EM235模块有4点模拟量输入，1点模拟量输出。EM231有4点模拟量输入。同时由于本系统要求100～230V AC电源， DC24V输入，继电器输出，选择CPU226中ES7 216-2BD23-0XB0型号。CPU系统配置具体如下：

表4.2 CPU单元选型

功能 主控单元 模拟量扩展 通讯模块扩展 型号 CPU226 AC/DC/RELAY EM235 4AI/1DO EM231 4AI 以太网CP243-1 EM227

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数量 1 1 1 1 1 武昌工学院本科毕业论文（设计）专用稿纸

4.4.2变频器的选型

1.变频器的容量选择

风机在某一转速下运行时,其阻转矩一般不会发生变化,只要转速不超过额定值,电动机也不会过载,一般变频器在出厂标注的额定容量都具有一定的余量安全系数,所以选择变频器容量与所驱动的电动机容量相同即可。若考虑更大的余量,也可以选择比电动机容量大一个级别的变频器,但价格要高出不少

2.变频器的运行控制方式选择

风机采用变频调速控制后,操作人员可以通过调节安装在工作台上的按钮或电位器调节风机的转速,操作十分简易方便。变频器的运行控制方式选择，可依据风机在低速运行时，阻转矩很小，不存在低频时带不动负载的问题，故采用V/F（恒压频比）控制方式即可。并且，从节能的角度考虑，V/F控制方式是最低的。

风机、泵类负载在一定的速度范围内运转时，空气或液体所产生的阻力大致与转速n的平方成正比，转矩按转速平方的变化而变化，这类负载称为平方转矩负载。根据变频器的选择原则，该系统中选用的是两台型号为Siemens MM430风机和泵类变转矩负载专用变频器。使用V/F控制方式的变频器来控制风机的转速。MicroMaster430是全新一代标准变频器中的风机和泵类变转矩负载专家，功率范围7.5kW至250kW。它按照专用要求设计，并使用内部功能互联（BiCo）技术，具有高度可靠性和灵活性。控制软件可以实现专用功能：多泵切换、手动/自动切换、旁路功能、断带及缺水检测、节能运行方式等。

本系统中实验风机的功率为2×4Kw，因此可以选择同样功率的变频器。 4.5变频器与PLC的连接

图4.3 变频器与PLC的连接

图4.3中变频器的故障信号输出接PLC的I0.4端口，PLC的输出端口Q0.4

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与Q0.5接变频器的数字输入端DIN1和DIN3，用于变频器启动和停止控制。压力传感器采集的信号经PLC处理后，由EM235模块的3口和5口输出，连接MM430变频器的AIN+和AIN-端口，进而控制两台电机的运行。 4.6风量的控制算法 4.6.1变频器输入值计算

上面提到：当通风机稳定运行时，风机的风量、风压、功率与转速有以下比例关系：

==

=

式中：

、—通风机调节前后的转速，r/min； 、—通风机转速调节前后的风压，Pa； 、—通风机转速调节前后的功率，W。

风机工频运行时，在稳定工作区的出气静压为88.2一2296.0Pa，风机管道的出气风量为1.50-2.66

/s假设某煤矿一井下掘进工作面需要19人工作，根据

《煤炭安全规程》规定每人每分钟需要的风量应不少于4m3/s，如设定为5m3/min，可计算出要求风机管道的出气风量为 Q=1.6m3/s。令=50Hz，

=2900r/min，=2.66m3/s，

=1.60m3/s，根据风机的比例定律，可求出掘进巷道开始掘进时，风

=(

/

)

=1744r/min。再根据风机转速与输入电源

机变频调速的起始速度

频率的线性关系，可估算出=(

/)

=30Hz。

=1.60m3/s时，变频器输出给风机的电源电压频率

当巷道中的管网阻力增加时，风机的风量随之减小，为了满足所需风量的要求，要调节风机的转速控制风机的风量。为了实现这一目的，本系统采用根据风机出气风压的变化进行风量的控制。首先，用压力传感器采集风机的出气风压。然后，根据风机的比例定律，把风压转换到风机额定转速下的压力。接着，根据风机额定转速下的压力一流量特性曲线方程，求出此风压下对应的风量大小。最后，再根据风机的比例定律，求出风量达到设定的1.6m3/s时，风机需要调整的

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转速大小。由于变频器0-10V的模拟输入电压对应 0-50Hz的输出电压频率，而0~50Hz的电压频率又对应风机0-2900r/min的转速。根据此线性关系，可以求出风机达到需要调整的转速时，变频器需要的模拟输入电压值。其具体的理论算法如下图4.4所示。

图4.4 风机及管网风量-风压特性曲线

风机在刚开始启动时，风机的管网阻力最小为

，输入电源电压频率为

30Hz(变频器设定)，其工作的工况点为0。由实验数据，可知此工况点的风量=1.60m3/s，风压

=33.8Pa，风机转速

=1744r/min。根据变频器的输出频率与

其输入模拟电压的线性关系，可知=30HZ时，对应变频器的模拟输入电压=30/50量由

10=6.0V。当风机的管网阻力由减小到

增加到

，时，工况点由0到1，风，可由下面风机的比例关

。此时，压力传感器采集的压力为

系式求出工况点3的压力值。

(4-1)

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式中：

，—工况点1、3时出气风压，Pa； ，—工况点1、3时风机转速，r/min；

，—工况点1、3时变频器输出电压频率，HZ； ，—工况点1、3时变频器输入模拟电压，V。

(4-2)

其中，工况点3为风机工频运行是的工况点，=10V，并且

=

，=，

=

，

=2900r/min，=50HZ，

是由压力传感器测得的。

代入，可求得此压

。

根据风机工频的P-Q特性曲线方程把由式(4-2)求得的力对应的风量

到设定的1.60

/s时，需要给变频器的模拟输入电压

最后，把由(4-2)式求得的模拟输入电压值输出给变频器的模拟量控制端，便可使风机的转速调节到

，使风机的风量达到设定的1.60m3/s。同理，当风机的

管网阻力再变化时，根据采集的风压大小，依据此算法即可及时地调节风机的转速，控制风机的风量。 4.6.2 U-P和Q-P曲线的拟合

在PLC程序中，变频器模拟输入电压值是根据其与采集出气风压(U一P)的拟合函数方程求得的。该拟合方程是根据以上所述算法，理论计算出不同出气风压对应的变频器模拟输入电压值，然后对这些理论数据进行拟合求得的。工频风量的求解则是由工频风量与采集压力(Q一P)的拟合方程求得的。其拟合方程是把采集的不同出气风压转换到工频风压，然后根据风机工频的压力流量特性曲线方程求出所对应的风量值，对理论计算数据进行拟合求得的。

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5主通风机监控系统的软件设计

主通风机监控系统的软件设计包括PLC软件设计和组态软件设计两部分。 5.1 PLC软件设计

PLC软件部分用STEP7-Micro/WIN编程。

程序包括主控制程序、参数初始化子程序0、模拟量模块检查子程序1、电机轴承，定子温度采样求平均值子程序2、振动传感器采样求平均值子程序3、风压采样及模拟输入电压和风量计算子程序4、变频器模拟输入电压中断程序0以及报警中断程序。

主控制程序用来控制风机的自动变频、手动变频和工频运行、子程序的调用和中断时间的设置，以及实现电机温度超限报警、变频器和风机故障报警、变频器故障复位等功能。主控制程序的程序流程如图12所示。PLC主控制程序在执行时，先判断风机是否自动变频运行。若是，则调用参数初始化子程序0和模块连接检查子程序1，如果EM235和EM231模块连接有错误，则程序结束；如果检查EM235和EM231模块连接无错误，则调用子程序2、3、4采集电机定子轴承温度，振动参数和风机的管网压力大小。然后根据设置的定时中断时间，定时连接变频器的模拟输入电压中断程序0，再判断变频器是否有故障，电机温度是否超限以及电机是否振动异常。若都不，则把根据采集风压计算的模拟电压值输出给变频器，进行风机的变频调速控制；当风机不进行自动变频运行时，判断其是否手动变频运行。若是，则程序开始执行判断频器是否有故障；若不是，则风机进行工频运行。

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5.1.1主控制程序流程

开始N风机自动变频运行？YSM0.1调用子程序0初始化SM0.0调用子程序1，检查EM235和EM231YEM235有错？NYEM231有错？N调用子程序2,3,4Y风机手动变频运行？N风机工频运行设定中断时间连接中断子程序Y变频器有故障？NY风机电机过热？NY电机振动异常？N风机运行输出控制结束

图5.1 主程序流程图

5.1.2子程序0和1程序流程

子程序0的作用是寄存器中有关参数的初始化，包括温度采样平均值初始化、风压采样平均值初始化、模拟电压及风量计算系数初始化、振动参数采样初始化等。当主控制程序在开始执行时，若风机处于自动变频运行状态，该程序即被调用一次。在调用子程序进行信号采集前，要调用子程序1检查该扩展模块EM235和EM231模块是否存在，用户电源是否有错。若有错，则控制系统的主程序立即结束；若无错，则进行子程序2、3和4的调用。子程序0和子程序1的程序流程如图5.2所示。

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子程序0开始子程序1开始温度采样平均值初始化SMB8检查EM235，EM231连接Y SMB8检查EM235，EM231电源YN风压采样平均值初始化N振动参数采样平均值初始化模拟输出电压及工频风量计算系数初始化子程序1结束子程序0结束

图5.2 子程序0与子程序1流程图

5.1.3子程序2和3程序流程

子程序2和3的程序流程如图5.3所示。 子程序2用于采集电机定子和轴承温度，然后把采集的数值进行累加求平均值，作为一次采集值。本流程图中以1#电机定子温度采集为例，其它温度采集与之类似。而子程序3则是用来采集轴承的振动参数，然后把采集的数值累加求平均值，作为一次采集值。最后由PLC对数据进行分析，包括定子和轴承的温度是否超标，轴承振动是否异常，进而判断是否报警或进行断电处理。

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开始开始从AIW6中采集1#电机定子温度并存入VW10中NVW10>=0?Y采样值转换成双整数并存入VD20中从AIW0中采集轴承振动参数并存入VW40中NVW40>=0?Y采样值转换成双整数并存入VD50中采样值累加同时采样次数加1N采样次数VW12>=1000?Y求温度采样平均值采样值累加同时采样次数加1采样次数VW42>=1000?Y求采样平均值结束结束

图5.3 子程序2与子程序3流程图

5.1.4子程序4程序流程

子程序4用来从压力传感器中采集风压信号，并把每次采集的数值进行累加，次数达到1000次时，求其平均数值，作为一次采集的出气压力值。由于PLC采集的电压值为0-32000之间的数字量，需要根据传感器采集的压力值与输出电压的线性关系，把PLC采集的数值转换成实际的风压值。然后，根据风量达到1.6/s时变频器需要的模拟输入电压值与出气风压的拟合方程，求出此风压对应的模拟输入电压值。同时，根据采集风压转换到工频风压所对应的风量与采集风压的拟合方程，求出此风压对应的风量。其程序的流程如图5.4所示。

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子程序4开始从AIW4中采集风机压力并存入VW10中VW70>=0?YN由风压实际值与数字量的线性关系，把风压平均值（数字量）转换成风压实际值采样值转换成双整数并存入VD120中根据风机模拟输入电压和压力（U-P）的理论拟合方程，计算变频器的模拟输入电压值采样值累加同时采样次数加1采样次数VW72>=1000?Y求风机风压平均值N根据风机工频流量和风压（Q-P）的拟合方程计算风机工频时的流量值子程序4结束 图5.4 子程序4流程图

5.1.5中断子程序

满足风量要求的模拟输入电压值为子程序4中计算的模拟电压值，把计算所得的模拟电压值转换成0-32000之间的数字量，送给PLC模拟量模块的输出端AIWO，输出给变频器的模拟量控制端子，对风机进行变频调速控制。中断子程序流程图略。 5.2组态软件设计

组态软件选用北京亚控公司的KINGVIEW 6.52。组态王6.52是一个具有丰富功能HMI/SCADA软件，可用于工业自动化的过程控制和管理监控。组态王6.52为系统工程师提供了集成、灵活、易用的开发环境和广泛的功能，能够快速

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建立、测试和部署自动化应用，来连接、传递和记录实时信息。 5.2.1KINGVIEW 6.52操作界面

组态王软件开始需要新建工程，然后建立“矿井主风机监控系统”和“PLC控制变频器调速系统”两个界面。运用组态王自带的图库搭建界面图形。 5.2.2煤矿主通风机在线监测系统主界面

煤矿主通风机在线监测系统主界面如图5.5所示。主界面实现风机的在线监控功能，通过PLC与上位工控机的通信，实现矿井通风系统的无人值守。主界面中包含风机各种参数如风量，风压，负压，电机定子温度，轴承温度，振动参数的实时显示，以及电机的三相电压，电流，功率等。同时含有趋势曲线，报警窗口，报表查询等选项。

图5.5 煤矿主通风机在线监测系统主界面

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5.2.3 PLC控制变频器调速系统主界面

图5.5 PLC控制变频器调速系统主界面

变频调速主界面中包含电机的启动，停止按钮，以及电机的变频/工频运行按钮，故障复位，报警解除按钮以及对应的指示灯。用以实现风机的远程变频调控和故障报警等功能。

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结语

本论文通过下位机与上位机的组合，完成了矿井通风机的在线监测，实现通风机房的无人值守。同时，本文引入变频器实现对风机的变频调速，不仅节省电能，提高了风机的工作效率，同时还能实现风机的软启动及风机的无级平滑调速。文章中，根据风机的压力-流量曲线提出了风机变频运行时，根据压力传感器检测的风量，计算变频器的输入电压值。最后，本论文给出了设计流程图。

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致 谢

这次的设计和论文是在各位老师的悉心指导下完成的。你们严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。从课题的选择到项目的最终完成，你们都始终给予我细心的指导和不懈的支持。在此谨向老师们致以诚挚的谢意和崇高的敬意。

感谢武昌工学院来对我的大力栽培；感谢大学所有的老师给予我谆谆教诲，为我打下坚实的知识基础；同时还要感谢所有同学们。撰写论文也使我的知识体系也在不断地拓展和成熟，希望在未来的工作和生活过程中，亦能一直保持不断的学习，不断的完善自我，走向成熟。

最后，希望在以后的学习和研究中能以更加优异的成绩来答谢所有关心和帮助过我的老师和同学！再次谢谢您们！

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主要参考文献

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distributed control system based on S7-200 PLC and PC[C].The, International Conference on Computer and Automation Engineering. IEEE, 2010:297-300.

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附 录

1系统硬件连接图 1#通风机及配套设备 2#通风机及配套设备电压互感器电压互感器电流互感器压力变送器流 量 变 送 器 振动变送器压力变送器电流互感器振动变送器流量变送器 流振 量动 变变

送送器器压力变送器温综合保度护装置变送器综合保温压护装置度力变变送送器器振动变送器流量变送器工控PLC网络接口矿调度室 29

2部分程序梯形图

2.1风机工频/变频运行控制 变频运行标志位 变频器故障标志位 振动异常断电位

M0.2 M0.5 M1.0 工频运行标志位 自动变频标志位 1#电机温度超限跳闸位 M0.3 M0.6 M1.3 2#电机温度超限跳闸位 M1.4

2.2温控部分

本设计的风机组设有轴承温度和电机定子温度过热保护。本系统中设定风机组轴承温度报警温度为85℃，跳闸温度为90℃。定子报警温度为120℃，跳闸温度为125℃。进行模拟量和数字量的转换后结果如下表： 温度

数字量 30

电压值

85 90 120 125 1#电机轴承温度 2#电机轴承温度 1#电机温度超限报警位 1#电机温度超限报警位

信号采集

18782.6 19478.3 23652.2 24347.8 VD180 VD188 M1.1 M1.3 5.87 6.09 7.39 7.61 1#电机定子温度 2#电机定子温度 1#电机温度超限跳闸位 1#电机温度超限跳闸位 VD184 VD192 M1.2 M1.4 温控部分用到的内部存储器如下：

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报警，跳闸

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