基于PLC的礦井通風機控制系統(tǒng)設計（全套含CAD圖紙）

I摘 要煤礦的安全生產中，礦井通風系統(tǒng)起著極其重要的作用，它是煤礦安全生產的關鍵環(huán)節(jié)。而礦井通風機又是礦井通風系統(tǒng)的主要設備之一，因此對其進行 PLC 控制的變頻調速系統(tǒng)的設計和研究，不僅可以大大提高煤礦生產的機械化、自動化水平，還能節(jié)省大量的電能，具有較高的經濟效益。本系統(tǒng)將PLC與變頻器有機地結合起來，采用以礦井氣壓壓力和瓦斯?jié)舛葹橹骺貐?shù)，實現(xiàn)對電動機工作過程和運轉速度的有效控制，使礦井通風機通風高效、安全，達到了明顯的節(jié)能效果。且PLC控制系統(tǒng)具有對驅動風機的電機有過熱保護、故障報警、機械故障報警和瓦斯?jié)舛葦嚯姷裙δ芴攸c，為煤礦礦井通風系統(tǒng)的節(jié)能技術改造提供一條新途徑。與常規(guī)繼電器實施的通風系統(tǒng)相比，PLC系統(tǒng)具有故障率低、可靠性高、接線簡單、維護方便等諸多優(yōu)點，PLC的控制功能使通風系統(tǒng)的自動化程度大大提高，減輕了崗位人員的勞動強度。關鍵詞：PLC，變頻器，傳感器，通風機，壓力檢測 AbstractIn the safe production of coal mine, the mine ventilation system plays a very important role, it is the key link of coal mine safety production. The mine ventilation machine is one of the main equipment in the mine ventilation system, so the for the design and research of PLC control system of frequency control of motor speed, not only can greatly improve the mechanization and automation level of the coal mine production, but also save large amounts of electricity, has high economic benefit.The system PLC and inverter organically are combined with the pressure and the gas pressure in order to mine the concentration of controlling the parameters of the working process and operation of the motor speed control, so mine ventilation fan efficiency, safety, achieved significant energy savings. And the PLC control system on the drive fan motor with overheating protection, fault alarm, mechanical failure alarm and the concentration of power and other features of gas for coal mine ventilation system to provide a new way to energy transformation. Here to enter the need to translate words and general relay in the implementation of the ventilation system, the system has the plc failure rate low and high reliability, the simple, easy and with the advantage of the plc, the control function of the ventilation system of automation is greatly increased, the posts of staff labour intensity.Keywords: PLC, Inverter, Sensors, Ventilation units, Pressure testing1目錄摘要.Abstract.第 1 章緒論. .1 1.1 礦井通風系統(tǒng)的簡介.11.2 本課程設計研究的意義.21.3 國內外發(fā)展狀況.2第 2 章系統(tǒng)的結構與工理.42.1 系統(tǒng)設計功能.42.2 系統(tǒng)結構.5第 3 章系統(tǒng)硬件擇.63.1 電路設計.63.1.1 主電路.63.1.2 控制電路.73.2 plc 的類型. .83.2.1 plc 的概述.83.2.2plc 的基本成.93.2.3 plc 的工作原理.93.2.4.4PLC 類型的選用.103.2.5 PLC 內部分配.113.2.6 CPU 模塊的外部連接.123.2.7 擴展模塊的外部連接.123.3 傳感器概述.133.3.1 瓦斯?jié)舛葌鞲衅?143.3.2 溫度傳感器.143.3.3 空氣壓力傳感器.153.4 變頻器部分. .16第 4 章通風機總體結構設計.17 4.1 結構方案簡圖設計.184.1.1 擴散器.184.1.2 集流器與流線罩.194.1.3 葉輪.214.1.4 外殼.224.2 第一級葉輪的設計.234.2.1 確定葉輪轂比 及輪轂直徑 .23_dd4.2.2 確定計算截面.244.2.3 葉片幾何尺寸的計算.254.2.4 鍵的校核.274.3 第二級葉輪的設計.294.3.1 確定葉輪轂比 及輪轂直徑 .29_dd4.3.2 確定計算截面.304.3.3 葉片幾何尺寸的計算.324.3.4 葉片的繪制.334.4 電機的選擇.35第 5 章主通風機系統(tǒng)的軟件設計.375.1 溫度控制部分.375.2 瓦斯?jié)舛瓤刂撇糠? . .405.3 壓力控制部分. .425.4 機械故障處理部分. .46致謝.47參考文獻.481第 1 章 緒論1.1 礦井通風系統(tǒng)的簡介 其通風系統(tǒng)的基本主要任務是： 供給井下足夠的新鮮空氣，滿足人員對氧氣呼吸的需要，沖淡井下有毒有害粉灰及空氣，保證人員安全生存，調節(jié)礦井下的空氣環(huán)境創(chuàng)造保證安全的工作環(huán)境。礦井的通風系統(tǒng)是影響礦井安全生產的重要因素。礦井通風系統(tǒng)可以分為不同的類型，其劃分標準是不同的因素。如根據(jù)瓦斯的濃度、煤層的自燃還有高溫的因素等。一般礦井通風系統(tǒng)的分類：通俗一般型、相對降溫型、防火型、排放瓦斯型、防火及降溫型、排放瓦斯及降溫型、排放瓦斯及防火型、排放瓦斯與防火及降溫型幾種。礦井內部通風的方式根據(jù)得到的風力的動力來源的不同，分為兩種：自然風、機械輔助通風。自然通風：這是則是一種利用大自然氣壓的不同而產生的通風動力，使得空氣在井下巷道流動的流通方式叫做自然通風。自然通風的風壓一般都比較小，而且不穩(wěn)定因素很多，所以在煤礦安全規(guī)程有規(guī)定：每一處礦井都必須要采用機械通風。機械通風：這是一種利用安裝主風扇用電機運轉帶動而產生的鼓風動力，從而致使空氣在井下各個巷道之間互相流動的流通方式叫做機械通風。礦井的通風系統(tǒng)一般要求是： 1每一個礦井，至少要有兩個安全出口，并且通到地面。2進風井口要有利于防洪，不受粉塵，有害氣體污染。 3北方礦井、井口需裝供暖裝備。 4總回風巷不得作為主要人行道。 5工業(yè)廣場不得受扇風機噪音干擾。 6裝有皮帶機的井筒不得兼作回風井。7裝有箕斗的井筒不應作為主要進風井。 8.如果一個礦井可以獨立痛風病，必須獨立通風，堅決不能合并通風系統(tǒng)。保證系統(tǒng)能夠獨立地進行工作，這樣當一個礦井出現(xiàn)故障時，另一個礦井的通風工作不受影響,使生產不受大面積的受阻。21.2本課程設計的研究意義煤礦的礦井地下通風系統(tǒng)是否正常工作和礦井內的工作環(huán)境條件，生產效率，安全生產息息相關。隨著國家對各行業(yè)的安全生產監(jiān)管不斷擴大，特別是對煤礦的生產安全越來越嚴，煤礦的礦井通風系統(tǒng)的技術改造，提高該系統(tǒng)運行穩(wěn)定性，可靠性和節(jié)能性勢在必行。 國內煤礦重大瓦斯事故造成的井下人員出現(xiàn)大量的傷亡大多數(shù)都是通風系統(tǒng)抵抗災難能力不強，使正常生產時，分區(qū)通風在瓦斯爆炸條件下受到破壞，爆炸氣體進入了爆源以外的地方從而導致其他通風分區(qū)或者全礦井下的人員中毒身亡。 因此以各采掘工作面為核心的分區(qū)通風成為了煤礦通風的基本規(guī)定和實踐。在礦井災變條件下維持正常分區(qū)通風的能力是評價礦井通風系統(tǒng)抗災能力的基本考慮因素。除巷道布置這一重要但難以調整的因素之外分區(qū)通風及風量分配調節(jié)主要依靠于風門、風窗等通風設施的應用其類型、數(shù)量、分布上的合理性是影響通風系統(tǒng)合理性的基本因素扇風機及通風構筑物受礦井生產活動及災變影響而失去原定功能時礦井通風維持在合理水平上的能力則是通風系統(tǒng)可靠性的重要標志。 現(xiàn)在來說煤礦的礦井通風的控制系統(tǒng)，大部分采用繼電接觸器控制系統(tǒng)，但是這種控制系統(tǒng)體積大、機械的觸點很多、接線特別復雜、可靠性低、排除各種故障困難等很多缺點；如果通風機不應用變頻控制，則礦井通風量的調節(jié)方法，只能靠兩個垂直風門提起的高度、調節(jié)風機扇葉的數(shù)量和角度等。那么主通風機一直高速運行，備用通風機就會停止，不能輪流工作，很容易使通風機產生故障，降低其使用壽命。 隨著電子技術和微電子技術的快速發(fā)展，PLC和變頻器逐漸成為通用、廉價和性能非?？煽康目刂乞寗釉O備，并且得到廣泛的應用。該系統(tǒng)將 PLC和變頻器有機結合，通過以礦井氣壓為主控參數(shù)，然后對電動機的工作過程和運轉速度進行控制，使礦井中的通風機通風效率高、安全，非常明顯的達到節(jié)能效果。PLC控制的風機的通風系統(tǒng)，具有很高的可靠性和很好的節(jié)能效果，容易組建成整體自控系統(tǒng)，方便地實現(xiàn)各種控制和切換。PLC的控制系統(tǒng)還有對風機的電機有著過熱保護、機械故障報警、故障報警和瓦斯?jié)舛葦嚯姷裙δ芴攸c。1.3國內外發(fā)展情況 國內外礦井通風機發(fā)展歷史悠久，早在1902年愛爾蘭就研制成功了世界上第一臺多葉片礦井通風機，且將當時最初一臺多葉片礦用通風機用在英國Pelton煤礦，這臺通風機的安裝使井下通風發(fā)生了巨大的變化。從此多葉片風機對于發(fā)展整個通風技術做出了重大貢獻。1949年至1950年間，丹麥諾迪斯克公司研制生產了首臺運行中葉片能自動調整的軸流式風機，其后德國的TLT.K.K.等公司也相繼生產了這類風機。由于該風機的3優(yōu)越性，到50年代中期首先在歐洲一些國家得到應用。美國，前蘇聯(lián)，日本等國也相繼在1970年前后開始推廣使用這種風機。20世界50年代初至70年代末我國礦山使用的礦井軸流主扇幾乎是仿制蘇聯(lián)的BY型和K70型等風機，風量范圍7-160m3/S,靜壓范圍400-5900Pa，全國各類礦井共使用約5000臺左右。不過這類風機在20世紀的80年代被國家列為淘汰產品，早已不再生產。 20世界的70年代開始沈陽鼓風機廠經技術研發(fā)與實驗，研制成功了62A型單級主扇。其全壓，風量以及各種參數(shù)標準非常基本適合我國國情的礦井通風網絡，在中條山有色金屬公司和邯鄲礦務局的一些風井上使用。因其本機效率未達到設計要求，相差甚遠，沒有進一步改進和完善就停止了生產，在此基礎上在20世界80年代該廠參考原蘇聯(lián)中央流體動力研究所提供的通風機啟動略圖和特性曲線又研制了2K60式軸流式通風機。在此期間沈陽風機廠研制了1K58和2K58型礦井軸流風機。4第 2 章 系統(tǒng)的結構和控制方案 2.1 系統(tǒng)的設計功能 本控制系統(tǒng)采用通風機組的啟動、互鎖和過熱保護等功能。與常規(guī)繼電器實施的通風系統(tǒng)相比，PLC系統(tǒng)具有故障率低、可靠性高、接線簡單、維護方便等諸多優(yōu)點，PLC的控制功能使通風系統(tǒng)的自動化程度大大提高，減輕了崗位人員的勞動強度。PLC和變頻器與空氣壓力變送器配合使用，使系統(tǒng)控制的安全性、可靠性大大提高，也使通風機運行的故障率大大降低，不僅節(jié)約了電能，而且還提高了設備的運轉率。為滿足礦井通風系統(tǒng)自動控制的要求，系統(tǒng)的具體設計要求如下：（1）本系統(tǒng)采用手動自動兩種工作模式，具有狀態(tài)顯示以及故障報警等功能。（2）模擬量壓力輸入經PID運算，輸出模擬量控制變頻器。（3）在自動方式下，當井下壓力低于設定壓力下限時，兩組風機將同時投入工作運行，同時并發(fā)出指示和報警信號。（4）模擬量瓦斯輸入，當?shù)V井瓦斯?jié)舛却笥谠O定報警上限時，發(fā)出指示和報警。當瓦斯?jié)舛却笥谠O定斷電上限時，PLC將切斷工作面和風機組電源，防止瓦斯爆炸。（5）運用溫度傳感器測定風機組定子溫度或軸承溫度，當定子溫度或軸承溫度超過設定報警上線時，發(fā)出指示和報警信號。當定子溫度或軸承溫度超過設定風機組轉換溫度界線時，PLC將切斷指示和報警信號并自動切斷當前運行風機組，在自動方式下并能自動接入另一臺風機組運行，若在手動方式下，工作人員手動切換。（6）手動方式下，有防止風機組頻繁啟動功能。由于定子溫度或軸承溫度過高，若當前風機組停止運行后，當其溫度下降到設定下限時該風機組不能連續(xù)二次啟動，只有接入另一臺風機組進行工作，即防止溫度在臨界線狀態(tài)而頻繁啟動。5手動控制溫度狀態(tài)采集瓦斯?jié)舛炔杉疨LC 主程序通電初始化數(shù)據(jù)轉換數(shù)據(jù)轉換自動控制壓力中斷數(shù)據(jù)轉換PID 轉換壓力濃度采集結束圖2.1 系統(tǒng)設計流程圖2.2 系統(tǒng)結構系統(tǒng)的結構框架如圖所示，整個控制系統(tǒng)主要由 PLC、變頻器、瓦斯傳感器、壓力傳感器、電機組、通風機組等組成，該系統(tǒng)主控單元采用 PLC，被控元件為變頻運行的通風電機，主控參數(shù)為瓦斯?jié)舛?。瓦斯傳感器、溫度傳感器、實現(xiàn)對電機和 PLC 的有效保護。圖2.2 系統(tǒng)功能塊框架圖1#定子溫度傳感器2#軸承溫度傳感器2#定子溫度傳感器1#軸承溫度傳感器空氣壓力傳感器瓦斯?jié)舛葌鞲衅?#通風機組1#通風機組 聲光報警控制回路S7-200可編程控制器EM231擴展模塊開關信號EM235擴展模塊變頻器6第 3 章 系統(tǒng)硬件選擇3.1.1 主電路主電路中 MA1，MA2 為對旋式軸流風機的兩臺電機，交流接觸器 QA4、QA6 分別控制 MA1、MA2 的工頻運行；交流接觸器 QA3、QA5 分別控制 MA1、MA2 的變頻運行；QA1為主電路電源的隔離開關；FA 為主電路的熔斷器；BB1、BB2 為電機 MA1、MA2 的熱繼電器。圖 3.1 系統(tǒng)工作主電路圖73.1.2 控制電路的設計在風機控制系統(tǒng)硬件電路的控制電路部分，利用 PLC 進行控制，可以大大提高系統(tǒng)的可靠性、節(jié)省大量的繼電器、實現(xiàn)較復雜的邏輯控制以及進行模擬量控制等功能?？刂葡到y(tǒng)采用 Siemens S7-200 系列 CPU226，同時外部擴展 EM235 和 EM231 模塊。本控制系統(tǒng)接線圖如下圖 9 所示。該 PLC 控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)風機手動工頻、自動變頻和手動變頻運行的切換，其中手動變頻是指使用變頻器控制面板手動控制風機的變頻運行。在風機自動變頻運行時，是利用采集到的風壓信號進行通風機的變頻調速控制。其中按鈕 SF0 控制風機的自動變頻運行；按鈕 SB1 控制風機的手動變頻運行；按鈕 SF2 控制風機的工頻運行；按鈕 SF3 控制風機的停止；按鈕 SF4 為報警燈鈴的調試按鈕；SF5為消鈴按鈕；PG1、PG3 分別為 MA1、MA2 變頻運行指示燈；PG2、PG4 分別為 MA1、MA2工頻運行的指示燈；PG5 為變頻器故障報警指示燈；PG6 為 1#電機振動異常指示燈；PG7 為 2#電機振動異常指示燈；PG8 為井巷壓力下限指示燈；PG9 為 1#電機溫度上限指示燈；PG10 為 2#機溫度上限指示燈；PB 為報警電鈴。8圖 3.1.2 控制電路系統(tǒng)的 I/O 地址分配如下表 3.1.2 所示：表 3.1.2 I/O 地址分配輸入信號自動變頻按鈕 SF0 I0.0名稱 代碼 地址編碼9手動變頻按鈕 SF1 I0.1工頻運行切換按鈕 SF2 I0.2停止運行按鈕 SF3 I0.3變頻器 1 故障輸入 1RL1 I0.4變頻器 2 故障輸入 2RL1 I0.5試燈鈴按鈕 SF4 I1.0消鈴按鈕 SF5 I1.1振動變送器輸入 TF AIW0負壓傳感器輸入 BP1 AIW2壓力傳感器輸入 BP2 AIW41#電機定子溫度輸入BT1 AIW61#電機軸承溫度輸入BT2 AIW82#電機定子溫度輸入BT3 AIW102#電機軸承溫度輸入BT4 AIW12名稱 代碼 地址編碼輸出信號1#風機變頻運行接觸器指示燈QA3，PG1 Q0.01#風機工頻運行接觸器指示燈QA4，PG2 Q0.12#風機變頻運行接觸器指示燈QA5，PG3 Q0.22#風機工頻運行接觸器指示燈QA6，PG4 Q0.3變頻器 1 啟動 1DIN1 Q0.4變頻器 1 故障復位 1DIN3 Q0.5變頻器 2 啟動 2DIN1 Q0.610續(xù) 變頻器 2 故障故障復位2DIN3 Q0.7變頻器故障信號燈 PG5 Q1.01#電機振動異常指示燈 PG6 Q1.12#電機振動異常指示燈 PG8 Q1.2井巷壓力下限指示燈 PG8 Q1.31#電機溫度上限指示燈 PG9 Q1.42#電機溫度上限指示燈 PG10 Q1.5報警電鈴 PB Q1.6風壓模擬量輸出 - AQW03.2.1 PLC 概述國際電工委員會(IEC)對 PLC 的定義是：可編程邏輯控制器是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，是用來取代電機控制的順序繼電器電路的一種器件，專為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計。它采用一種可編程的存儲器，用于其內部存儲程序，執(zhí)行邏輯運算，順序控制，定時，計數(shù)和算術操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字式或模擬式輸入輸出來控制各種類型的機械或生產過程。3.2.2 PLC 的基本構成(l)中央處理單元(CPU)中央處理單元(CPU)一般由控制器，運算器和寄存器組成，它是 PLC 的核心部分。它的主要任務有:控制接收和存儲編程設備輸入的用戶程序和數(shù)據(jù)；診斷 PLC 內部電路的工作故障和編程中的錯誤;掃描 I/O 接收的現(xiàn)場狀態(tài)，并按照用戶程序對信息進行處理，然后刷新輸出接口，對執(zhí)行部件進行控制。(2)存儲器 存儲器是 PLC 存放程序和數(shù)據(jù)的地方，它包括系統(tǒng)程序存儲器和用戶程序存儲器。系統(tǒng)存儲器用來存放 PLC 生產廠家編寫的系統(tǒng)程序，并固化在 PROM 或EPROM 存儲器中，用戶不可訪問和修改。用戶程序存儲器主要包括用戶程序存儲區(qū)和數(shù)據(jù)存儲區(qū)二個部分。用戶程序存儲區(qū)用于存儲用戶編寫的控制程序，數(shù)據(jù)存儲區(qū)用于存放用戶程序中使用器件的 ON/OFF 狀態(tài)和各種數(shù)值數(shù)據(jù)等。(3)I/O 接口 輸入，輸出接口電路是 PLC 與現(xiàn)場 I/O 設備相連接的部件，它的作用11是將輸入信號轉換位 PLC 能夠接收和處理的信號，將 CPU 送來的弱電信號轉換為外部設備所需的強電信號。(4)電源單元電源單元是 PLC 的電源供給部分。它的作用是把外部供應的電源轉換成 CPU、存儲器等電路工作所需要的直流電，及向外部器件提供 24V 直流電源。(5)外設接口與擴展接口 PLC 可以通過外設接口與監(jiān)視器、打印機、PLC 或計算機相連。擴展接口用于將擴展單元以及功能模塊與基本單元相連，使 PLC 的配置更加靈活，以滿足不同控制系統(tǒng)的需要。3.2.3 PLC 的工作原理PLC 采用一種不同于一般微型計算機的運行方式即循環(huán)掃描技術，循環(huán)掃描技術是指當 PLC 投入運行后，其工作過程一般分為三個階段-輸入采樣，用戶程序執(zhí)行和輸出刷新。完成上述三個階段稱作一個掃描周期，在整個運行期間，PLC 的 CPU 以一定的掃描速度重復執(zhí)行上述三個階段，各個階段的功能如下：(l)輸入采樣階段：PLC 將掃描的輸入端子的狀態(tài)存入映像寄存器，然后進入程序執(zhí)行階段，在此階段和輸出刷新階段，輸入映像寄存器與外界隔離，其內容保持不變，一直到下一個掃描周期的輸入采樣階段。(2)程序執(zhí)行階段：PLC 根據(jù)讀入的輸入映像寄存器中的信號狀態(tài)，按一定的掃描原則執(zhí)行用戶編寫的程序，然后把執(zhí)行結果存入元件映像寄存器中。(3)輸出刷新階段：當所有的程序指令執(zhí)行完后，元件映像寄存器中所有輸出繼電器的狀態(tài)在輸出刷新階段被轉存到輸出鎖存器中，然后一次性的由輸出端子輸出，驅動外部負載。3.2.4 PLC 選型及性能指標根據(jù)系統(tǒng)的應用領域、采集數(shù)據(jù)的類型和大小、I/O點數(shù)、以及設置數(shù)據(jù)需要得內存大小，本文中所選用的PLC是西門子公司的產品S7-200系列，CPU的型號是CPU226 1。表3.2.4 I/O接口分配表輸入 輸出風機啟動 SB1 I0.0 風機組 1 輸出 KM1 Q0.0風機停止 SB2 I0.1 風機組 2 輸出 KM2 Q0.1手動自動轉換 SB3 I0.2 工頻輸出 KM3 Q0.2風機組選擇 SB4 I0.3 壓力下限指示燈 L1 Q0.412變頻工頻轉換 SB5 I0.4 風機組 1 運行指示燈 L2 Q0.5報警解除按鈕 SB6 I0.5 風機組 2 運行指示燈 L3 Q0.6風機組 1 轉子測速器輸入 SB7 I0.6 風機組 1 溫度上限指示燈L4 Q0.7風機組 2 轉子測速器輸入 SB8 I0.7 風機組 2 溫度上限指示燈L5 Q1.0急停 SB9 I1.0 蜂鳴器 1 SpeakerQ1.1壓力傳感器輸入 AIW0 急停指示燈 L6 Q1.2瓦斯?jié)舛葌鞲衅?AIW2 風機組錯選指示燈 L7 Q1.3風機組 1 軸溫度傳感器輸入 AIW4 風機組 1 機械故障指示燈L8 Q1.4風機組 1 定溫度傳感器輸入 AIW6 風機組 2 機械故障指示燈L9 Q1.5風機組 2 軸溫度傳感器輸入 AIW8 手動自動指示燈 L10 Q1.6風機組 2 定溫度傳感器輸入 AIW10 瓦斯上限指示燈 L11 Q1.7壓力模擬量輸出 QW0CPU226集成了24點輸入和16點輸出，共有40個數(shù)字量I/O點?？蛇B接7個擴展模塊，最大擴展至248點數(shù)字量I/O點或35路模擬量I/O。CPU226有13KB程序和數(shù)據(jù)存儲空間，6個獨立的30kHz高速脈沖輸出，具有PID控制器。CPU226配有2個RS-485通信編程口，具有PPI通信、MPI通信和自由方式通信能力，用于較高要求的中小型控制系統(tǒng)。其性能指標如表。所以在規(guī)模不太大的領域是較為理想的控制設備，但由于其設計上有不少獨到之處，其產品特點可以歸納為以下幾點：（1）豐富指令系統(tǒng)在 FP0 系列 PLC 中，即使是小型機，也具有近 200 條指令。除能實現(xiàn)一般邏輯控制外，還可以進行運動控制，復雜數(shù)據(jù)處理，甚至可以直接控制變頻器實現(xiàn)電動機調速控制。此外，F(xiàn)P0 可以單臺使用，也可以多模塊組合，最多可增加 3 個擴展模塊，I/O口從最小 10 點可擴大到 128 點。（2）快速的 CPU 處理速度FP0 系列 PLC 各種機型的 CPU 速度均優(yōu)于同類產品，小型機尤為突出，超小型 FP0 的幾 ms/千步，對于大型機，處理速度會更快。FP0 的運行速度在同類產品中是最快的，13每個基本指令執(zhí)行速度為 0.9s。500 步的程序只需 0.5ms 的掃描時間。還可讀限制50s 的窄脈沖，即 FP0 有脈沖捕捉功能。（3）大程序容量FP0 系列機的用戶程序容量也較同類機型大，其小型機一般都可達 3 千步左右，最高可達到 5 千步。FP0 具有大容量的數(shù)據(jù)寄存器，可用于復雜控制及大數(shù)據(jù)量處理。（4）功能強大的編程工具FP0 系列無論采用的是手持編程器還是編程工具軟件，其編程及監(jiān)控功能都很強。其FP0-II 型手持編程器還有用戶程序轉存功能。其編程軟件除已漢化的 DOS 版 NPST-GR外，還推出了 Windows 版的 FPSOFT，最新版的 FPWIN-GR 也已進入市場。這些工具都為用戶的軟件開發(fā)提供了方便的環(huán)境。（5）強大的網絡通信功能 FP0 系列機的各種機型都提供了通信功能，而且它們所采用的應用層通信協(xié)議又具有一致性，這為構成多級 PLC 網絡，開發(fā) PLC 網絡應用程序提供了方便。松下電工提供了多達 6 種的 PLC 網絡產品，在同一子網中集成了幾種通信方式，用戶可根據(jù)需要選用。盡管這些網絡產品的數(shù)據(jù)鏈路層與物理層各不相同，但都保持了應用層的一致性。FP0 可經 RS232 口直接連接調制解調器。通信時若選用“調制解調器”通信方式，則 FP0 可使用 AT 命令自動拔號，實現(xiàn)遠程通信4。3.2.5PLC內部分配CPU226I/O接口及內部寄存器分配如表2和表3。表3.2.5 內部存儲器使用觸摸屏 PID 參數(shù)設定置 VW10 風機組啟動位 M0.0觸摸屏 PID 參數(shù)增益 VW12 瓦斯?jié)舛葓缶?M0.1觸摸屏 PID 參數(shù)采樣時間 VW14 瓦斯?jié)舛葦嚯娢?M0.2觸摸屏 PID 參數(shù)積分時間 VW16 自動風機組 1 啟動位 M1.0觸摸屏 PID 參數(shù)微分時間 VW18 自動風機組 2 啟動位 M1.1PID 反饋量（PVn） VD100 手動風機組 1 啟動位 M1.2PID 給定置（SPn） VD104 手動風機組 2 啟動位 M1.3PID 輸出置（Yn） VD108 防止風機組 1 頻繁啟動位 M1.4PID 增益（KC） VD112 防止風機組 2 頻繁啟動位 M1.5PID 采樣時間（T） VD116 壓力下限位 M2.0PID 積分時間（TI） VD120 風機組 1 軸溫報警位 M20.0PID 微分時間（TD） VD124 風機組 1 軸溫斷電切換位 M20.1模擬輸入壓力值存儲 VD128 風機組 1 定溫報警位 M20.214壓力下限存儲 VD132 風機組 1 定溫斷電切換位 M20.3風機組 1 軸承溫度 VD180 風機組 2 軸溫報警位 M20.4續(xù)風機組 1 定子溫度 VD184 風機組 2 軸溫斷電切換位 M20.5風機組 2 軸承溫度 VD188 風機組 2 定溫報警位 M20.6風機組 2 定子溫度 VD192 風機組 2 定溫斷電切換位 M20.7瓦斯?jié)舛却鎯?VD1963.2.7 擴展模塊的外部連接CPU226接線規(guī)則如下：（1）DC輸入端中1M、I0.0I1.4為第1組，2M、I1.5I2.7為第2組組成，1M、2M分別為各級公共端。DC24V的負極接公共端1N或2M。輸入開關的一端接天DC24V的正極，輸入開關的另一端連接到CPU226各個輸入端。DC輸出端中1M、1L+、Q0.0Q0.7為第1組，2M、2L+、Q1.0Q1.7為第2組組成。1L+、2L+分別為公共端。第1組DC24V的負極接1M端，正極接1L+端。輸出負載的一端接到1M端，輸出負載的另一端接到CPU226各輸出端。第2組的接線與第1組相似。152LQ0.6 L3Q0.4 L1L2Q0.7 L4Q1.0 L53LQ1.6 L10Q1.7 L11Q1.2 L6Q1.3 L7Q1.4 L8Q1.5 L9Q1.1 SpeakerEM231模數(shù)轉換溫度傳感器 1溫度傳感器 2溫度傳感器 3溫度傳感器 4KM1Q0.0KM2Q0.11LKM3Q0.21MI0.0SB1I0.1SB2I0.2SB3I0.3SB5I0.5SB7I0.6SB8I0.7SB9I1.0SB10I0.4SB6EM235 模擬量輸入輸出模塊瓦斯?jié)舛葌鞲衅鱾鞲衅?4壓力傳感器 QW0+QW0-AIN1+AIN-M3 220VQ34MM440KM3S7-PLC16圖3.2.7 PLC輸入/輸出和變頻器接線圖（2）DC輸入繼電器輸出端與CPU226的DC輸入DC輸出的相同。繼電器輸出端由3組構成，其中N（） 、1L、Q0.0Q0.3為第1組，N（） 、2L、Q0.4Q1.0為第2組，N（） 、3L、Q1.1Q1.7為第3組。各組的公共端為1L、2L和3L。第1組負載電源的一端N接負載的N（）端，電源的另一L（+）接繼電器輸出端的1L端。負載的另一端分別接到CPU226各繼電器輸出端子。第2組、第3組的接線與第1組相似。3.3 傳感器部分概述該控制系統(tǒng)中存在大量的模擬量信號，這些信號的輸入都要通過傳感器進行模擬量采集，將采集的模擬量信號送入 PLC 輸入模塊進行模數(shù)轉換，將連續(xù)的變化量（大部分為 420mA 的電流信號，05V 或 010V 的電壓信號）轉換離散的數(shù)字量，存儲到PLC 內存里；輸出是由模擬量輸出模塊將我們要輸出的存儲在內存中的數(shù)字離散信號轉換為電壓信號或者電流信號。3.3.1 瓦斯?jié)舛葌鞲衅鞅鞠到y(tǒng)模擬量傳感器選用有KGJ16B型瓦斯傳感器用于檢測煤礦井下空氣中的瓦斯含量，HM23Y礦井專用型壓力變送器用于檢測礦井的井巷氣壓，Pt100鉑熱電阻作為測量溫度用的傳感器用于檢測風機組軸承和定子溫度。要想正確的使用它們，首先了解各個傳感器的性能指標。KGJ16B型瓦斯?jié)舛葌鞲衅饔糜跈z測礦井下空氣中的瓦斯含量，具有多種標準信號制式輸出，聯(lián)檢后能與煤礦安全檢測系統(tǒng)，風電瓦斯閉鎖裝置及瓦斯斷電儀器配套使用。該傳感器是一種智能型檢測儀表，具有穩(wěn)定可靠，使用方面等特點。性能指標如表3.3.1所示：17表3.3.1 KGJ16B型瓦斯?jié)舛葌鞲衅餍阅苤笜朔辣褪?礦用隔爆兼本質安全型 工作電壓 DC 924 V測量范圍 04%CH 工作電流 DC 18 V 不大于 65 mA0.00 1.00 0.101.00 3.00 0.10% 真值測量誤差3.00 4.00 0.30標定流量響應時間 小于 20 外形尺寸 266 120 45(mm)遙控范圍 距離不大于 5m，角度不大于120重量 1kg報警點 0.34.00%CH 可任意設置（出廠調至 1.0%CH ）斷電點 0.34.00%CH 可任意設置（出廠調至 1.5%CH ）復電點 0.34.00%CH 可任意設置（出廠調至 1.0%CH ）輸出信號 KGJ16B1 型：2001000Hz 頻率，負載電阻大于 1.5K 時，輸出高電平大于 3V。紅色發(fā)光二極管H10 為頻率輸出指示，發(fā)光二極管亮時，有頻率輸出，反之則無輸出KGJ16B2 型：15mA 恒流，負載電阻 0500 KGJ16B3 型：RS485 接口，通信波特率 1200bps報警方式 蜂鳴器斷續(xù)鳴叫，響度大于 80dB （18 V 供電，距離 1 m）3.3.2 溫度傳感器Pt100鉑電阻溫度傳感器是利用金屬鉑在溫度變化時自身電阻值也隨之改變的特性來測量溫度的，能夠準確的測出軸承或定子的溫度并將它們傳給PLC模數(shù)轉換電路。當被測介質中存在溫度梯度時，所測得的溫度是感溫元件所在范圍內介質層中的平均溫度。這樣型號傳感器特點：耐振動、可靠性高，同時具有精確靈敏、穩(wěn)定性好、產品壽命長和安裝方便等優(yōu)點 4。性能指標表4所示：表3.3.2 Pt100鉑電阻溫度傳感器性能指標18型號 WZPM-201測溫范圍 -60175熱響應時間 6 秒用途 軸承測溫3.3.3 壓力傳感器的選擇HM23Y型壓力變送器采用歐洲先進的濺射薄膜壓力傳感器作為敏感元件，和電子線路做成一體化結構該型號壓力變送器為全不銹鋼圓柱型結構，使用方便。特別適用于井田測井、制藥、紡織等粘稠宜堵、強振動的工業(yè)現(xiàn)場。并在國內礦井得到很好的應用效果。該壓力變送器有高溫、高壓、高精度、高穩(wěn)定性、抗振動、沖擊、耐腐蝕全不銹鋼結構、體積小、重量輕直接過程安裝等特點。性能指標如表3.3.3所示：表3.3.3 HM23Y型壓力變送器性能參數(shù)測量范圍 00.5MPa220MPa過載能力 2 倍滿量程壓力(其中 100Mpa 以上過壓為 1.1 倍)壓力類型 表壓或絕壓測量介質 與 316 不銹鋼兼容的氣體或液體供電電源 1236VDC(一般為 24V)信號輸出 420mA/15VDC/05VDC/0.54.5VDC綜合精度 0.1%FS 0.25%FS 0.5%FS長期穩(wěn)定性 0.1%FS/年使用溫度范圍 -40+150補償溫度范圍 -40+120零點溫度系數(shù)：0.02%FS/溫度性能靈敏度溫度系數(shù)：0.02%FS/接液材料 膜片:17-4PN 連接件:1Cr18Ni9Ti響應時間 2 毫秒負載電阻 (U-10)/0.02絕緣電阻 100M；50VDC外殼防護 插頭型（IP65）；電纜型（IP67）19安全防爆 Exia；CT5重量 約 0.25 公斤3.4 變頻器部分本系統(tǒng)選用的是西門子全新一代標準變頻器MicroMaster440功能強大，應用廣泛。它采用高性能的矢量控制技術，提供低速高轉矩輸出和良好的動態(tài)特性，同時具備超強的過載能力，以滿足廣泛的應用場合。變頻器的選用：變頻器的選用應滿足以下規(guī)則，變頻器的容量應大于負載所需的輸出；變頻器的容量不低于電機的容量；變頻器的電流大于電機的電流。由于本設計以風機組230kW為例，因此可選用37kW，額定電流75A的變頻器?？紤]到改進設計方案的可行性，調速系統(tǒng)的穩(wěn)定性及性價比，我們采用西門子MM440、37kw，額定電流為75A的通用變頻器。該變頻器采用高性能矢量控制技術，提供低速高轉矩輸出和良好的動態(tài)特性，同時具備超強的過載能力，可以控制電機從靜止到平滑起動期間提供3S，有200的過載能力。表3.4Pt100鉑熱電阻溫度傳感器性能指標型號 WZPM-201測溫范圍 -50 180分度號 PT100精度等級 A0阻值 1000.06熱響應時間 6 秒絕緣電阻 200M測溫端 6X18螺紋 M8X0.75長度 引線長度用戶規(guī)格 3X0.2mm材料 F46 導線引線耐溫 20020用途 軸承測溫傳感器工作電流 1mA變頻器參數(shù)的設置：負載為一大慣性負載，在停車時，為防止因慣性而產生的回饋制動使泵升電壓過高的現(xiàn)象，加入制動電阻，斜坡下降時間設定長一些。外接制動電阻的阻值和功率可按公式R2Ud1P(0.30.5)選取。式中：U為變頻器直流側電壓，d為變頻器的額定電流。本次設計采用西門子與37kW電機配套的制動電阻響和對轉速調整的要求，系統(tǒng)用模擬量輸入作為附加給定，與固定頻率設定相疊加以滿足不同型號模具特殊要求。調速系統(tǒng)電路圖如圖2。制動電阻的熱敏開關4BD22-2EAO，1.5Q，2.2kW 4。變頻器的各項參數(shù)設置如表3所示。21第 4 章 通風機總體結構設計4.1 結構方案簡圖設計采用多段式殼體。已知設計參數(shù) Q=25m3/s、全壓達到 H=3000Pa，一般的礦用軸流式風機主要氣動部件有葉輪，外殼，集流器，疏流罩以及出口處的擴散器組成軸流通風機。但對旋通風機兩級葉輪使用兩個電動機驅動，以電機直接驅動，并且兩個葉輪之間互為導葉。將風機葉輪、電動機、集流器、擴散器等分別裝各段殼體，殼體與法蘭焊接在一起，然后用螺栓將這些零件緊固在一起。對旋軸流的條件下，設計所需風機風壓。4.1.1 擴散器軸流通風機級的出口動壓在全壓中所占的比例比離心通風機大的多，這是因為軸流風機工作時，通風機級的出口氣流軸向速度相當大，與之相對應的動壓約占通風機全壓的 30%-50%為了減少軸流風機出口流速，提高靜壓，同時由于井下的空氣潮濕有毒,所以作為擴散器口消聲器的吸聲材料應具有防潮，防腐和阻燃性質。此外由于通風機的出口處安裝擴散器還可以顯著降低通風機的排氣噪音。一般由錐形筒芯和風筒組成,裝在風機出口側。因此對于對旋的軸流通風機更要加擴散器以減少噪音。（1）擴散筒的形式。擴散筒的結構形式隨外筒和芯筒（整流體）的型式不同而異，如圖 3-4 所示。等直徑外筒及錐形或等直徑整流體，比流線型整流體制造更方便。從工藝考慮，流線型外殼加工不方便，增加成本；從工作環(huán)境考慮，采礦掘進面工作空間相對狹小，不適用流線體外殼。再者通風機的后面還要連接管道，流線體連接管道有一定的不方便。（2） 擴散筒尺寸的確定。擴散筒的長度 L 可以按經驗公式選擇：(1.52)D，式中，L-擴散筒長度，D-擴散筒進口直徑。由于后導葉出來的氣流，其扭矩很小，故通常認為氣流是軸向流入擴散筒。為了保證在擴散筒中流動時流動損失較小，擴散筒的擴壓不能太大。4.1.2 集流器與流線罩集流器與流線罩一起，組成了光滑的漸縮形流道。其作用是使氣流在其中得到加22速，以便在損失很小的條件下，能在軸流通風機級的入口前面建立起均勻的速度場和壓力場。通風機級的入口條件對于通風機的工作有很大的影響，如果在設計中缺少其中任何一個部件，以及設計不甚合理，都會惡化級的入口條件，使得通風機性能變壞。集流器對于軸流通風機的性能有很大的影響，實驗表明沒有集流器的軸流通風機比具有集流器的通風機的全壓及全壓效率分別低 10%-12%及 10%-15%。有急流氣的通風機的流量系數(shù)也要增加一些4。集流器是強力風機上的一個關鍵部件，它是用 2mm 厚的 A3 鋼板，通過剪板、焊接、翻邊制成。 由于其直徑較大，板厚較薄，在翻邊時容易起皺和出現(xiàn)裂紋，這是不允許的。 以前生產廠家做了一付工裝，焊成喇叭口，將圓弧部分在工裝上用手工一點一點敲成的。作用是使氣流順利地進入風機的環(huán)行入口信道，并在葉輪入口處,形成均勻的速度場。目前，礦用通風機集流器型線為圓弧形，疏流罩的型面為球面或橢球。這里為了提高通風量和通風效率采用橢圓形的流線罩,集流器為圓弧形。4.1.3 葉輪葉輪是風機的主要部件，決定著風機性能的主要因素是風機翼型，葉輪外徑，外徑對輪轂直徑的比值和葉輪轉速。適用于礦用風機的翼型有對稱翼型，CLARK-Y 翼型，LS 翼型和 RAF-6E 等。葉輪外徑和風機軸轉速決定圓周速度，直接影響到風機全壓。輪轂比與風機比轉數(shù)有關。一般說來,輪轂比大時,軸向速度 Ca 增大，葉片數(shù)目 z 和葉片相對寬度 b/l(b 為弦長，l 為葉展)也相應增大,風機的風壓系數(shù)提高；反之。輪轂比小,多數(shù)取 0.6，風壓系數(shù)也較低。葉輪葉片安裝角直接影響旋繞速度的增量，影響風機全壓。通常，可在 1045范圍內調整4。這里的選用 LS 翼型與輪轂直接直接用鋁合金鑄造而成，之后再進行修整由于葉輪是通風機一個重要的部件因此要對其的加工要有嚴格的要求。對于一臺軸流式通風機而言，葉輪是其核心的部件，也是最難加工的部件，在鑄造葉輪的時候為了加強葉輪的強度，因此在葉輪的中心加一個已經用車床車好一個心，這樣即加強了葉輪的強度，同時也提高加工的精度，加少了鑄造工藝的難度。這樣減輕了鑄造后的加工量特提高了加工的精度。在材料方面由于近年來鎂合金的價格不斷地下降因此和鋁合金的價格相差不多，但性能卻遠優(yōu)于鋁合金。其特點是：密度?。?.8g/cm3 左右） ，比強度高，彈性模量大，消震性好，承受沖擊載荷能力比鋁合金大，耐有機物和堿的腐蝕性能好。質量輕、剛性好、具有一定的耐蝕性和尺寸穩(wěn)定性、抗沖擊、耐磨、衰減性能好及易于回收；另外還有高的導熱和導電性能、無磁性、屏蔽性好和無毒的特點。因此這里選用鎂合 5A06 金進行鑄造。234.1.4 外殼對旋通風機的噪音問題也比其它的軸流通風機的噪音大，因此要在通風機的殼體上加裝消音裝置，以減少通風機產生的噪音對人身體產生的危害。為了減少體積選擇把消音材料放在外殼體與內殼體之間，這樣能具有良好的消音效果還能不會影響通風機的體積。同時由于我要設計的風機要應用于井下，由于井下的掘進面是一個粉塵很大的空間，通風機的消音材料要求一個小粉塵的工作環(huán)境，以發(fā)揮其良好的靜音效果。風機外殼呈圓筒形,重要的是葉輪外緣與外殼內表面的徑向間隙應盡可能地減小。這樣也會降低風機的噪音。4.1.5 確定通風機各級風壓比風機的風壓比是決定各級葉輪和導葉的主要參數(shù)之一。通常，前后兩級葉輪分別用等功率、等轉速的電動機驅動，因而他們的轉速比 n1/n2=1.對旋軸流通風機的全壓為兩個葉輪全壓之和，從合理分配前后兩級葉輪的壓力負載角度看，兩個葉輪最佳的理論全壓各位通風機理論全壓的一半，這樣設計不僅能夠保證通過兩級葉輪氣流比較平穩(wěn)，滿足對旋軸流通風機氣流的連續(xù)性條件，有利于提高風機的全壓效率，因此兩個葉輪的全壓各為通風機全壓的一半。4.2 第一級葉輪的設計4.2.1 確定葉輪轂比 及輪轂直徑_dd在軸流通風機中，葉輪輪轂直徑通常用它的相對值 來表示， 稱為通風機的輪_d_轂比。當通風機的比轉數(shù)為 341 時，可選用 =0.6。按表 4-1 當 =0.3 時 =0.5-0.6.取_dtd=0.6 是合適的。d表 4-1 不同全壓系數(shù) 時所推薦采用的輪轂比tdt0.20.2-0.4 0.424d0.35-0.45 0.5-0.6 0.6-0.7由此得到葉輪輪轂直徑=0.6 0.6=0.36m （4-1） Dd_為判斷葉輪葉片和后導流器根部是否會發(fā)生氣流分離，應該驗算是否所取的輪轂比 ：min_d求得通風機的軸向速度 acm/s （4-2225138.610.6.44vaqcDd2）則得到通風機的無因次軸向速度（4-_/138.26/9.48atcu3） 由表 3-1 的計算結果得到通風機的全壓效率 =0.85，則通風機的理論全壓系數(shù)tF為： （4-35.08./. tFth4）最佳計算參數(shù) ，查得 。 4可計算出第一級風機葉輪的2.1.2optn20.17n計算函數(shù) 為r（4-_.21.489.510.357arthcn5）可以計算葉輪的最小允許輪轂比為（4-_min1/9.50.1rd6）由于所決定的輪轂比 ,所以滿足葉輪的最小允許輪轂比。_min.0.1d25對于導流器，可計算函數(shù) 為：f（4-_2.1.489.75073afthcn7） 可以得到導流器的最小允許輪轂比為：（4-_22_min1ln10.6ln.01449.75fdd 8） 由于所決定的輪轂比 =0.6 ，所以在后導流器葉片根部也不會產生氣流分_dmin_離4.2.2 確定計算截面將整個葉片分成 5 個計算截面，其中相對半徑為（4-9）82.06.12_ drm其它計算截面半徑可按（4-10） 2_12dNiDri式中 第 個計算半徑；i從輪轂截面算起的計算截面序號， =1，2，N；iN計算截面數(shù)，常取 5-7 個。各計算截面葉片環(huán)氣流參數(shù)和空氣動力負荷系數(shù)計算，各計算截面的空氣動力負荷系數(shù) 均未超過 1.0，所以按孤立。