電氣工程及其自動化專業(yè)畢業(yè)論文--基于plc的礦井通風機監(jiān)控系統(tǒng)設計(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡介】 其內(nèi)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(qū)動外部負載。 風機參數(shù)的檢測 本系統(tǒng)現(xiàn)場使用的傳感器較多，如壓力、溫度、振動及轉速等。為減少傳輸誤差，提高檢測精度，均選用帶變送器、性能可靠、壽命長、輸出標準電流信號4～ 20 mA 的傳感器，直接采集現(xiàn)場信號，并配以二線制 RVVP 電纜單獨傳送，以進一步提高整套系統(tǒng)的可靠性。其結構如圖 3 所示： 圖 3 傳感器與 PLC 擴展模塊的 連接 風壓、風量參數(shù)的檢測 這里主要測靜壓 一般都是采取鉆孔取壓法，測點選擇在風機的入口，將取得的壓力信號通過壓力傳感 變送 器轉換成電信號。 壓力傳感器的選型需考慮礦井通風機最大風壓及測量精度的要求。本設計中選用 CYBZI 系列中量程為 03KPa 的壓力傳感器。 CYBZI 系列微差壓變送器采用進口高精度、高穩(wěn)定性微壓力敏芯片，經(jīng)嚴格精密的溫度補償，線性補償，信號放大， V/I 轉換，逆極性保護，壓力過載限流等信號處理，將很微小的差壓信號可靠的轉換成工業(yè)標準的 420mA 電流或 0~10V 電壓 信號輸出，可測小于 100Pa的壓力 其主要技術指標： 測量范圍 03Kpa 零點漂移 %FS4h 測量介質(zhì) 非腐蝕性氣體 零點溫度漂移 %/CFS 輸出信號 標準量程的 倍 非線性 %FS 輸出信號 420mA 遲滯 %FS 供電 24VDC 重復性 %FS 精度 % 溫度范圍 20+85 2 風量 風量參數(shù)是利用風機入口靜壓差及入口溫度計算得來的。計算公式： 式中為 CP201 測量到靜壓，為入口壓力 CP202 表壓 的絕對 值 正值 ，為入口溫度，系數(shù) k 因風機參數(shù)的不同而異。風量監(jiān)測采用 KGF2 型礦用智能風量傳感器。 3. 負壓 對于負壓參數(shù)的采集主要用于與設定的負壓值進行比較，調(diào)整風機的運行頻率 ,使風機運行在指定的工況點，實現(xiàn)通風機的閉環(huán)控制。 振動參數(shù)的檢測 風機軸承的振動監(jiān)測與故障診斷功能及原理：通過速度傳感器測量軸承的振動峰值、均方根值或均值，將這些測量值與事先標定出的允許門檻值作比較，指示出軸承運行情況的正常與否。具體測試方法為：通過安裝在軸承部位的速度傳感器拾取振動烈度信號，經(jīng)過振動變送器送到 PLC 中， 以便實時監(jiān)控電動機的運行情況。通過風機振動位移和振動周期可以反映風機潛在的故障，避免風機停機等嚴重故障發(fā)生。 常用的振動測量傳感器有電渦流式傳感器、速度式傳感器、加速度式傳感器。根據(jù)所需測量的參數(shù)要求，一般在選用時應考慮以下因素： 若需測量振動位移值則應選用電渦流式傳感器； 若需測量振動速度或烈度值則應選用速度式傳感器； 若需測量振動加速度值則應選用加速度式傳感器。 經(jīng)過比較之后，本系統(tǒng)選擇南京東大測振儀器廠生產(chǎn)的 MT3T 型電磁式速度傳感器。其技術指標如下： 測量范圍： 15～ 1000Hz 靈敏度： 30mv/mm/s 精度：線性誤差：≤177。 % 測量方向：水平或垂直 電源：177。 12V DC， 20mA 容許加速度：沿工作方向： 10g 連續(xù)橫向： 30g 短時 此外，在檢測機械振動參數(shù)時，還需要有變送器和檢測儀表將測量的振動參數(shù)轉換成 420mA 的直流電流信號或 05V 的電壓信號，以便于傳送給 PLC 的模擬量模塊。本系統(tǒng)考慮到現(xiàn)場安裝的需要，以及增強報警和顯示等功能，又選擇了南京東大測振儀器廠生產(chǎn)的與 MT3 系列磁電式振動速度傳感器配套使用的30ZXPJ210 型振動速度監(jiān)控裝置。該監(jiān)控儀主要用于對轉速 600～ 6000 轉 /分旋轉機械的振動烈度進行長期監(jiān)測當振動值超限時，本儀器可外接聲光報警器以提示現(xiàn)場操作人員采取防范措施。其具體參數(shù)如下： 1 量程： 0～ 10mm/s， 0～ 20mm/s， 0～ 50mm/s 均方根值 2 頻率范圍： 10～ 1000Hz 3 信號輸入： MT3 系列磁電式振動速度傳感器的信號 4 靈敏度： 30mV/mm/s≤ 3% 5 儀表顯示顯示方式：高分辨率 LCD 顯示，精確度177。 1％ 6 信號輸出：電流輸出 4～ 20mA，輸出負載≤ 500Ω 7 精確度：177。 % 8 報警輸出：警告、危險兩極報警； 9 繼電器節(jié)點容量： DC30V/1A， AC125V/ 10 使用電源： AC220V/50HZ177。 10% 20W 電氣參數(shù)的檢測 電氣參數(shù)指配套電機的負載和空載的電流、電壓、勵磁電流和電壓、功率、功率因數(shù)等。電量參數(shù)監(jiān)測采用 EDA9033 電量參數(shù)監(jiān)測模塊。該模塊采用電磁隔離和光電隔離技術，電壓輸入、電流輸入及輸出三方完全隔離。在該系統(tǒng)中， PLC通過 CP341 模塊與 EDA9033 通過 MODBUSRTU 協(xié)議進行通信，所以電氣參數(shù)通過由安裝在各開關柜內(nèi)的智能儀表單元與 PLC 以通訊的方式得到。 電機軸承和定子溫度檢測 溫度傳感器選用 Pt100 鉑電阻傳感器。該傳感器利用金屬鉑在溫度變化時自身阻值也隨之改變的特性來測量溫度，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(zhì)中存在溫度梯度時，所測得的溫度是感溫元件所在范圍內(nèi)介質(zhì)層中的平均溫度。這中溫度傳感器的特點：耐振動，可靠性高，同時具有精確的靈敏性，穩(wěn)定性好等。其性能指標如下： 連續(xù)監(jiān)測風機工作時的軸承溫度和電機的軸承溫度，也是風機工況監(jiān)測的一項重要任務。溫度參數(shù)檢測時，主要由溫度檢測元件和變 送器、電壓調(diào)理電路構成的檢測電路與 PLC 進行通信，將溫度參數(shù)上傳至工控機。常用的溫度檢測傳感器有熱電阻式熱電傳感器、熱電偶式傳感器和熱敏電阻傳感器等。 熱敏電阻傳感器雖然價格低廉，但由于它們的阻值對溫度的變化是非線性的，故熱敏電阻通常所用的溫度范圍較狹窄。 熱電偶式傳感器在中溫或高溫外露條件使用時的穩(wěn)定性不如熱電阻式傳感器。對于控制條件下校驗熱電偶性能，其可移動性或測試行較差。熱電偶外露線必須使用溝環(huán)才能與熱電偶儀器或控制設備相連。當周圍溫度變化時，所使用的儀器導線 鍍銅 將會帶來測量誤差。 因此，結合本系 統(tǒng)的監(jiān)測要求，選擇熱電阻式熱電傳感器檢測風機溫度。在目前廣泛使用的熱電阻中，鉑電阻的化學穩(wěn)定性好，耐溫高，易提純，因而通常采用鉑電阻作為一般溫度計量儀器的溫標基準。按照不同測點對溫度測量范圍的要求，本系統(tǒng)選擇日本林電的 PT100 鉑電阻，具體型號選擇如： 測點 型號 測量范圍 風機主軸承溫度 STTSAIT 0~150 ℃ 電機軸承溫度 STTSAIT3 50~200℃ 電機三相繞組溫度 STTSAIT3 50~200℃ 另外，在檢測溫度參數(shù)時，還需要有變送器將測量的溫度參數(shù)轉換成 420mA 的電流信號或 05V 的電壓信號，以便于傳送給PLC 的模擬量模塊。本系統(tǒng)考慮到現(xiàn)場安裝的需要，選擇性能 /價格比較高的日本林電的 STWB 系列溫度變送器模塊，其技術參數(shù)如下： 輸入信號： Pt100、 Pt1000、 Cu50、 K、 E、 S 供電電壓： 24V 負載電阻： 0～ 500Ω 輸出信號： DC4～ 20mA 電壓誤差： %／ V 精度： %， %， % 工作環(huán)境：溫度： 20℃～ 80℃；濕度： 95%RH 開關量檢測 監(jiān)控系統(tǒng)的輸入開關量主要包括一些開關、繼電器的動作信號，如： 泵站電機運行、主電機正反向合閘反饋、制動器限位開關、風門的打開和關閉、風門過力矩、葉片執(zhí)行器自動以及測振器報警等。監(jiān)控系統(tǒng)的輸出開關量主要包括：泵站電機控制、風門打開和關閉控制、主電機正反向合閘、主電機正反向分閘、主電機正反向跳閘、制動器控制以及聲光報警等。 在 PLC控制系統(tǒng)中，輸入輸出開關量可通過開關量輸入輸出模塊與 PLC連接，由于本系統(tǒng)涉及的開關量較多，在此不進行討論。 變頻調(diào)速 變頻調(diào)速技術在礦井通風機上的應用概述 近幾年來，隨著電力電子技術和計算機控制技術的迅速發(fā)展，變頻器的價格不 斷下降，其可靠性和功能性得到了不斷提高和完善，使其在水泵、風機、電梯等設備上得到了廣泛的應用。通風機在煤礦上的使用占有很大的份量，是煤礦生產(chǎn)中最大的耗電設備，采用傳統(tǒng)的方法調(diào)節(jié)風量，風機運行效率低，流失大量電能，因此變頻器在礦井通風機上的應用很有必要。一般地來講，將變頻器應用在礦井通風機上，具有以下的功能和優(yōu)點： l 可以實現(xiàn)風機的無級平滑調(diào)速，及時滿足礦井生產(chǎn)的風量需求，提高風機的運行效率，節(jié)省大量的電能損耗。 2 限制風機的啟動電流，減少啟動時的峰值功率損耗，消除電機起動和停止時，對機械和電氣元件的 沖擊，延長其使用壽命。 3 PLC 控制技術和變頻器結合使用，可以使通風系統(tǒng)具有完善的監(jiān)控功能和高可靠性，減少通風機的檢修和維護的工作量，節(jié)約設備的費用。 4 變頻器自身的保護功能齊全，有欠電壓保護、過電壓保護、過電流保護、短路保護、風機軸承過熱保護等，使風機安全運行的可靠性得到大大提高。 變頻調(diào)速的基本原理 交流異步電機以其體積小、重量輕、價格低廉、運行性能穩(wěn)定等優(yōu)點，在機械的電力傳動中應用最為普遍。但是交流電機不象直流電機那樣，可以很方便地進行調(diào)速，它的調(diào)速問題一直比較困難。經(jīng)過幾十年的研究 和發(fā)展，出現(xiàn)了許多交流電機的調(diào)速方式，如異步電機的變極調(diào)速、定子電壓調(diào)速、轉子串電阻調(diào)速、串級調(diào)速、變頻調(diào)速等。目前，使用最廣泛，效果最好的還是變頻調(diào)速，變頻調(diào)速技術的迅速發(fā)展，使交流電機調(diào)速困難的問題得以解決。 21 由上式 21 、 22 和 23 可以看出，如果改變輸入到異步電機定子繞組的電源頻率，就可以改變異步電動機的同步轉速和轉子轉速 n 由電機學知識可知，交流異 步電動機的轉速 n 總是小于同步轉速，而且它是隨著同步轉速的變化而變化的。當電源頻率增加時，同步轉速增加，交流異步電機的實際轉速 n 也增加。反之，當電源頻率降低，同步轉速降低，交流異步電機的實際轉速 n 也降低。這種通過改變電源頻率來改變交流電動機轉速的調(diào)速方式稱為變頻調(diào)速。在變頻調(diào)速技術中，使用變頻器向電動機提供頻率可變的電源，去改變電動機的轉速。 風機變頻調(diào)速節(jié)能分析 閥門調(diào)節(jié)與變頻調(diào)速的節(jié)能比較： 圖 4 為一礦井通風機的壓力－流量 H－ Q 特性曲線圖，其中曲線 a、 b 為管網(wǎng)阻力的特性曲線 ，曲線 2 為風機在轉速為和時壓力－流量特性曲線 ，交點 A、 B、 C 為礦井通風機的工況點。 圖 4 風機及管網(wǎng)的 H－ Q 特性曲線圖 圖 4 中曲線 1 為風機開始調(diào)節(jié)前的風壓一風量 H 一 Q 特性曲線，曲線 a 為管網(wǎng)風阻特性曲線 管網(wǎng)阻力最小 。假設風機設計工作在 A 點效率最高，輸出風量為 100%，對應的軸功率從與風量和風壓的乘積面積 A 成正比。 如果生產(chǎn)要求風量從減少到時，若采用關小風機管路閥門的方法調(diào)節(jié)，相當于增加管網(wǎng)阻力，使管網(wǎng)阻力特性曲線變化到 b，系統(tǒng)工況點也由 A 點變到 B 點。從圖中可以看出，風量雖然減小了，風壓反而增加了，代表軸 功率的面積 B 比調(diào)節(jié)前減少不多。 若采用變頻調(diào)速控制局部通風機的運行，隨著風機轉速的下降，風壓－風量特性變?yōu)榍€ 2，系統(tǒng)工況也由 A 點變到 C 點，代表軸功率的面積 C 比采用前一種方法調(diào)節(jié)顯著減少，兩者之差即是節(jié)省的氣體功率。 當通風機穩(wěn)定運行時，風機的風量、風壓、功率與轉速有以下比例關系： 式中： 、―通風機調(diào)節(jié)前后的轉速， r/min； 、―通風機轉速調(diào)節(jié)前后的風壓， Pa； 、―通風機轉速調(diào)節(jié)前后的功率， W。 由以上的比例關系，可以看出風機