煤矿通风机控制系统改造与设计

1、成都理工大学硕士学位论文煤矿通风机控制系统改造与设计姓名：聂丹凤申请学位级别：硕士专业：测试计量技术及仪器指导教师：康东20090501摘 要煤矿通风机控制系统改造与设计作者简介：聂丹凤，性别女，1983年4月生，师从成都理工大学康东副教授，2009年6月毕业于成都理工大学核技术与自动化工程学院测试计量技术与仪器专业，获得工学硕士学位。摘 要煤炭资源为我国经济建设提供了强有力的能源支持。但是由于落后的煤炭生产工艺，使得我国煤炭行业本身耗能较高，甚至存在浪费能源的现象。其中风机控制浪费电能十分严重。煤矿风机是保障煤矿安全的主要通风机械，功率较大且365天昼夜运转。按照煤炭安全生产规程。对煤矿井下

2、通风量及风速有严格规定。一般在煤矿矿井设计时，通风机的容量按煤矿生产后期的用风量进行选择。对于传统风机控制方式，风机长期处于全功率下运行，为满足煤炭安全设计规程对矿井通风的要求，一般采用挡板方式控制风量及风压，造成大量电能浪费。在煤炭生产过程中，对通风机的控制除电能存在浪费现象，还存在一定的环境污染问题。一般煤矿采用抽出式通风方式，通风机将矿井巷道里的空气抽出，排放到大气中，其中必然包含大量的粉尘及甲烷一氧化碳的大量可燃的有害气体，造成空气污染。鉴于以上问题，对煤矿通风系统的改造是很有必要的。煤矿风机是保障煤矿安全的主要通风机械，因此对其进行PLC控制的变频调速监控系统的设计和研究，不仅可以大

3、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。本文针对煤矿井下环境建立了模型，以其中的一台轴流式风机为控制对象，并结合PLC控制技术、变频调速技术和监控技术，对该矿井通风机控制系统的设计和研究。首先，根据通风机的特性曲线和控制功能要求，选择了合理的系统控制方案再根据选定的控制方案，设计了系统的控制电路，并对PLC、变频器、触摸屏等硬件进行了选型配置。在研究风量和瓦斯浓度控制算法的基础上，利用PLC编程软件GX8.26完成了控制系统程序的设计，再根据矿井通风机监控系统的功能要求，结合三维力控组态软件和触摸屏技术与三菱PLC的应用，通过CC-Link现场总线，将对通风

4、机控制系统进行远程控制，完成了通风机监控系统的设计（其中FX2NPLC配有触摸屏，提供人机交流信息），并对系统中的三菱FR-E500变频器进行了参数的设置。最后，对整个控制系统的运行进行了模拟调I成都理工大学硕士学位论文试实验，包括风量控制的模拟实验，瓦斯浓度控制的模拟实验，除尘控制的模拟实验和监控系统的模拟实验。其中本论文的核心部分是对井下通风系统采用主从结构设计，将FX2NPLC作为本系统从站对变频器、管道分流系统、除尘系统进行控制，变频器驱动风机运转。QPLC作为系统主站通过CC-Link现场总线对从站进行控制。主站QPLC除对从站控制外，经CC-Link对变频器、管道分流系统、除尘系统

5、进行冗余控制，确保从站FX2NPLC出现问题时，整个通风系统能够正常工作。整个系统具备可视化化管理特点，中央监控中心通过组态技术对整个系统的工作状况进行远程监控。通过实验室的模拟实验，证明了该控制系统能根据巷道的风量的大小，调整风机的转速大小，满足掘进巷道中安全生产所需要的风压风量。另外，设计的监控系统可以实现通风机运行的现场控制和远程控制，以及对风机风压、瓦斯浓度、风机转速等监控量进行实时监测。同时，该控制系统还具有较好的故障报警及处理功能。关键词：通风机 变频器 PLC 触摸屏 组态IIAbstractReform and Design of Control System for Loca

6、l Ventilator Introduction of the author: Nie Danfeng, female, was born in April, 1983 whose tutor was Professor Kang Dong . She graduated from Chengdu University of Technology in Measuring and Testing Technologies and Instruments major and was granted the Master Degree in June, 2009.AbstractCoal res

7、ource provides powerful energy support to economic construction in our country. Because the processing technique of coal industry is backward, it is highly energy-consuming, even energy-wasting. For example, ventilator control system wastes a lot of electrical energy.As the key component of mine ven

8、tilation system, the ventilator is big power and works all over the year. The wind speed and rate undermine are strickly regulated acoording to the safety regulation in coal mine. When the coal mine is designed, the ventilator capacity is decided based on the wind rate needed in actual. To meet the

9、wind rate of the requirements in the safety regulation under coal mine, the ventilator is working in full power most of time. The traditional system of ventilator controls the wind rate and pressure by using paddle, which causes a lot of waste of electrical power.The control of ventilator could caus

10、e some pollution besides the waste of power when it is working. The ventilator of most mine coal is taking out the air under the mine. The ventilator pumps the air that is in the mine tunnel out to the atmosphere, including many dust and some combustible gas such as methane and carbon monoxide which

11、 has been incriminated in air pollution .In view of the above problems, it is necessary to reconstruct the mine ventilation system. As the key component of mine ventilation system, mine ventilator plays an important role in coal mine safety. It is one of the main equipments in the system. So researc

12、h and design of its variable frequency speed regulation system with PLC control have good economic benefits. It not only improves the mechanical and automatic level of coal production, but also saves large electrical energy.Taking a laboratory counter-rotating axial fan as control member, this paper

13、III成都理工大学硕士学位论文researched and designed its frequency control system combining PLC control technology, frequency control technology and configuration monitoring technology. Firstly, the paper chose rational system control scheme based on experimental performance curves and control requirements of min

14、e ventilator. Then control circuit was designed on the scheme. At the same time, hardware such as PLC, Frequency converter, Touch screen was distributed. Based on the research of air and methane control algorithm, the PLC control program of system was designed with GX8.26. After that, according to f

15、unctional requirements of system, the monitoring system of mine ventilator was designed with Force Control Configuration software and Touch screen technology and PLC of Mitsubishi. The control system of ventilator could be operated by CC-Link by distance (FX2NPLC with touch screen provides informati

16、on for man-machine communication). Then the parameters of FR-E500 converter were set up. At last, simulation debugging experiments of running system were finished. It contained air-control simulation debugging experiment, methane-control simulation debugging experiment, dust-removal system simulatio

17、n debugging experiment and simulation debugging experiment of monitoring system.The ventilation system is designed as subordinative construction which is key part of this paper. The converter, the system of shunt pipe and dust-removal system as secondary station are under control of FX2NPLC. The con

18、verter gets ventilator worked. QPLC as primary station of the system controls all the secondary stations through CC-Link. To make sure that the ventilation system could work when there is something wrong with secondary station FX2NPLC, the primary station masters the redundancy of converter, system

19、of shunt pipe and dust-removal system by CC-Link besides controlling itself. The operation of entire system is visual. The monitoring center could control the whole system in remote distance.It was proved that the control system can adjust fan speed to meet wind pressure and rate in heading laneway

20、through simulation debugging experiments in laboratory according to actual wind rate in mine laneway. Besides, the designed system can be mastered by on-site control or remote control. It can also monitor the wind pressure, methane density, fan speed and so on. Meanwhile, the control system had good

21、 function of fault warning and treating.Key words: Mine ventilator Frequency converter PLC Touch screen ConfigurationIV独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 成都理工大学 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的人员对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名：年 月 日学位论文

22、版权使用授权书本学位论文作者完全了解 成都理工大学 有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权 成都理工大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 （保密的学位论文在解密后适用本授权书）学位论文作者签名：学位论文作者导师签名：年 月 日摘 要煤矿通风机控制系统改造与设计作者简介：聂丹凤，性别女，1983年4月生，师从成都理工大学康东副教授，2009年6月毕业于成都理工大学核技术与自动化工程学院测试计量技术与仪器专业，获得工学硕士学位。摘 要煤炭资源为我

23、国经济建设提供了强有力的能源支持。但是由于落后的煤炭生产工艺，使得我国煤炭行业本身耗能较高，甚至存在浪费能源的现象。其中风机控制浪费电能十分严重。煤矿风机是保障煤矿安全的主要通风机械，功率较大且365天昼夜运转。按照煤炭安全生产规程。对煤矿井下通风量及风速有严格规定。一般在煤矿矿井设计时，通风机的容量按煤矿生产后期的用风量进行选择。对于传统风机控制方式，风机长期处于全功率下运行，为满足煤炭安全设计规程对矿井通风的要求，一般采用挡板方式控制风量及风压，造成大量电能浪费。在煤炭生产过程中，对通风机的控制除电能存在浪费现象，还存在一定的环境污染问题。一般煤矿采用抽出式通风方式，通风机将矿井巷道里的空

24、气抽出，排放到大气中，其中必然包含大量的粉尘及甲烷一氧化碳的大量可燃的有害气体，造成空气污染。鉴于以上问题，对煤矿通风系统的改造是很有必要的。煤矿风机是保障煤矿安全的主要通风机械，因此对其进行PLC控制的变频调速监控系统的设计和研究，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。本文针对煤矿井下环境建立了模型，以其中的一台轴流式风机为控制对象，并结合PLC控制技术、变频调速技术和监控技术，对该矿井通风机控制系统的设计和研究。首先，根据通风机的特性曲线和控制功能要求，选择了合理的系统控制方案再根据选定的控制方案，设计了系统的控制电路，并对PLC、变频器、触

25、摸屏等硬件进行了选型配置。在研究风量和瓦斯浓度控制算法的基础上，利用PLC编程软件GX8.26完成了控制系统程序的设计，再根据矿井通风机监控系统的功能要求，结合三维力控组态软件和触摸屏技术与三菱PLC的应用，通过CC-Link现场总线，将对通风机控制系统进行远程控制，完成了通风机监控系统的设计（其中FX2NPLC配有触摸屏，提供人机交流信息），并对系统中的三菱FR-E500变频器进行了参数的设置。最后，对整个控制系统的运行进行了模拟调I第1章 引 言第1章 引 言1.1 课题的研究意义及目的随着社会的发展，能源需求快速增长，电能的需求量相当大，其中风机水泵类类负载占很大比重。根据不完全统计，1

26、995年我国风机、水泵设备装机总功率达到1.6亿kW，年耗电量3200亿kWh，风机、水泵耗电量就占全国工业耗电量的1/2，而平均效率只有41%-50%。有不少风机、水泵变风量（流量）运行状态，这类电动机的共同特点是风量（流量）小于额定量，电能利用率太低，运行时间长，节能的潜力是很大的113。对于煤炭行业而言，我国煤炭资源丰富，能够为社会建设提供能源支持，但煤炭生产本身耗能较高，再加上生产工艺等原因，电能浪费严重。其中风机控制就存在很大的浪费性。煤矿风机是保障煤矿安全的主要通风机械，功率较大且365天昼夜运转。按照煤炭安全生产规程。对煤矿井下通风量及风速有严格规定。一般在煤矿矿井设计时，通风机

27、的容量按煤矿生产后期的用风量进行选择。对于传统风机控制方式，风机长期处于全功率下运行，为满足煤炭安全设计规程对矿井通风的要求，一般采用调节导叶角方式控制风量及风压，造成大量电能浪费。在煤炭生产过程中，对通风机的控制除电能存在浪费现象，还存在一定的环境污染问题。一般煤矿采用抽出式通风方式，通风机将矿井巷道里的空气抽出，排放到大气中，其中必然包含大量的粉尘及甲烷一氧化碳的大量可燃的有害气体，造成空气污染2。鉴于以上问题，对煤矿通风系统的改造是很有必要的。1.2 课题的研究依据随着可编程控制器（PLC）变频技术的快速发展，PLC和变频器己经广泛应用于各种自动化控制领域。在煤炭行业中，利用PLC控制的

28、变频器驱动局部通风机运行，不仅可以实现局部通风机的无级平滑调速，还可以根据管网阻力和瓦斯浓度的变化大小进行风量的及时调节，降低风机的能耗，节省大量的电能。同时，该控制系统具有较高的可靠性和较完善的报警功能。若再使用组态监控技术和网络通讯技术对局部通风机的运行进行监控，可使其达到高效、节能、安全运行的效果，大大提高煤矿自动化安全生产的水平。变频调速有多方面的优越性，他可以改善生产工艺,对实现生产自动化,提高1成都理工大学硕士学位论文产品质量和生产效率，延长设备使用寿命，减少设备维护费用等都有很大益处。除此之外，电机变频调速还有一个重要作用，那就是节能。传统的风机房风机采用继电接触控制系统，由于电

29、机转速恒定,在低负荷运行时，只能依靠调节风门来减少空气流量，浪费了大量电能。而采用变频调速技术对风机进行无级调速控制，可以起到显著的节能作用4。1.3 国内外的研究水平及趋势但随着电力电子学的飞速发展，各种大功率半导体器件的相继出现，促使交流调速技术飞跃进步。从20世纪60年代开始生产变频器以来，仅仅20多年的时间，交流调速和直流调速在世界发达国家已从根本上调换了位置，目前美国、德国及其它一些发达国家采用变频调速占80 % ，而直流调速仅占20 %5。风机在生产中有着广泛的应用。风机的风量控制，过去多是采用鼠笼式异步电动机拖动，进行恒速转动，当需要调节风量时，实际采用的方法是调节挡风板。这种控

30、制方法虽然简单，但从节约能源的角度来看是极不经济的。近年来，随着半导体器件与控制技术的迅速发展，变频器的价格不断下降，运行可靠性不断增加，变频调速已越来越多地成为现代工业应用中重要的调速手段，这对节约能源、提高经济效益具有重要。变频调速是电动机调速方式中最理想的方案。过去受价格、可靠性及容量等因素的限制, 在我国风机市场一直未得到广泛应用。近年来, 随着电力、电子器件和控制技术的迅速发展, 变频器价格不断下降, 可靠性不断增加,模块化的设计使变频器的容量几乎不受限，5000kW及以下的通用变频器可以随时按用户要求提供标准产品, 满足用户的各种需要。1.4 主要研究内容及任务本设计是在针对现在煤

31、矿通风控制系统存在的问题提出，结合现在技术水平，对通风系统进行改造。系统介绍如下：1.4.1 节能控制风机采用变频控制，通过变频调速的方式，改变风机风量风压输出，达到节能目的。风机为变负载设备，负载的大小与风机转速有直接关系。根据流体力学原理，通流量与转速成正比，流体压力与转速的平方成正比，轴功率P与转速n的三次方成正比。2第1章 引 言由以上关系可知当风机的转速下降1/2，能耗将量将较低为原功耗量的1/8。可以看出采用变频调速，风机节能潜力巨大。由于风机特点，一台风机由两个电机驱动，所以在变频器驱动方面采用一台变频器同时驱动两台电机运转。变频器采用三菱电机F系列风机专用变频器，驱动方式决定变

32、频器的功率不能小于两台电机功率之和，但考虑到煤矿风机运行特点及资金投入方面，可以采用“小马拉大车”方式，选用变频器功率略小于驱动电机功率。1.4.2 环境污染控制煤矿通风机对环境污染分两部分，其中一部分为，有害气体甲烷、一氧化碳污染，另一部分为粉尘污染。系统首先对风机排风进行有害气体监测，当有害气体浓度达到一定标准时，实行管道分流，将风机排除气体直接送入特制管道，进行点燃处理。当有害气体浓度没有超标时，将风机排出气体送入除尘系统，经除尘后，排放到大气中。1.5 课题的总体设计方案本文针对煤矿井下环境建立模型，以其中的一台轴流式风机为控制对象。首先，根据通风机的特性曲线和控制功能要求，选择合理的

33、系统控制方案再根据选定的控制方案，设计系统的控制电路，并对PLC、变频器、触摸屏等硬件进行选型配置。接着，研究风量和瓦斯浓度控制算法并利用PLC编程软件GX8.26完成控制系统程序的设计。接着，再根据矿井通风机监控系统的功能要求，结合三维力控组态软件和触摸屏技术与三菱PLC的应用，通过CC-Link现场总线，将对通风机控制系统进行远程控制，完成通风机监控系统的设计并对系统中的三菱FR-E500变频器进行参数的设置。最后，对整个控制系统的运行进行模拟调试实验，包括风量控制的模拟实验，瓦斯浓度控制的模拟实验，除尘控制的模拟实验和监控系统的模拟实验。本论文的核心部分是对井下通风系统采用主从结构设计，

34、将FX2NPLC作为本系统从站对变频器、管道分流系统、除尘系统进行控制，变频器驱动风机运转。QPLC作为系统主站通过CC-Link现场总线对从站进行控制。主站QPLC除对从站控制外，经CC-Link对变频器、管道分流系统、除尘系统进行冗余控制，确保从站FX2NPLC出现问题时，整个通风系统能够正常工作。整个系统具备可视化化管理特点，中央监控中心通过组态技术对整个系统的工作状况进行远程监控。3成都理工大学硕士学位论文第2章 风机变频调速原理及系统设计2.1 变频调速技术的原理及应用2.1.1 变频调速的基本原理在工业生产的过程中，生产机械需要电机拖动来满足生产工艺的要求。交流异步电机以其体积小、

35、重量轻、价格低廉、运行性能稳定等优点，在机械的电力传动中应用最为普遍。但是交流电机不像直流电机那样，可以很方便地进行调速，它的调速问题一直比较困难。经过几十年的研究和发展，出现了许多交流电机的调速方式，如异步电机的变极调速、定子电压调速、转子串电阻调速、串级调速、变频调速等。目前，使用最广泛，效果最好的还是变频调速，变频调速技术的迅速发展，使交流电机调速困难的问题得以解决。由电动机的拖动原理，可知交流异步电机的转速表达式为:n=式中:f1定子电源频率;w1相应的角频率;p异步电机的磁极对数; 60f160w1(1s)=(1s) (2-1) p2ps电动机的转差率。s=(nsn)/ns=(w1w

36、)/w1 (2-2) 式中:ns异步电机的同步转速;w固有角频率。ns=60f1/p=60w1/2p (2-3)由上式(2-1), (2-2)和(2-3)可以看出，如果改变输入到异步电机定子绕组的电源频率f1，就可以改变异步电动机的同步转速ns和转子转速n。由电机学知识可知，交流异步电动机的转速。总是小于同步转速ns，而且它是随着同步转速的变4第2章 风机变频调速原理及系统设计化而变化的。当电源频率f1增加时，同步转速ns增加，交流异步电机的实际转速n也增加。反之，当电源频率f1降低，同步转速ns降低，交流异步电机的实际转速n也降低。这种通过改变电源频率来改变交流电动机转速的调速方式称为变频调

37、速。在变频调速技术中，使用变频器向电动机提供频率可变的电源，去改变电动机的转速。2.1.2 变频调速的基本控制方式根据以上的分析可知，只要改变异步电动机的输入电源频率f1就可以改变电机的转速，但实际上，只改变f1并不能实现正常的调速。这是因为f1的改变会引起电动机一些物理量的变化，从而影响到电动机的机械特性和转差率等调速指标的变化，所以我们必须采取一些控制方式来处理这个问题。一般地来说，交流变频调速有以下三种最基本的控制方式67。1电源频率低于工频范围调节电机定子绕组内的感应电动势公式：E1=4.44f1WRW11 (2-4)式中：W电机定子绕组匝数的常数；RW1绕组系数；1电机每极磁通。定子

38、电压U1与定子绕组感应电动势E1的关系为：U1=E1+I1Z1 (2-5)式中：Z1定子绕组每相阻抗；I1定子绕组相电流。若忽略定子压降I1Z1则U1E1=4.44f1WRW11可简化为：E1=Kf11 (2-6)5成都理工大学硕士学位论文K=4.44WRW1 (2-7)1=U1/Kf1 (2-8)又由异步电机的电磁转矩Te与磁通1，的关系：Te=Cm1I2cos (2-9)式中：Cm电动机转矩常数；I2转子电流折算到定子一侧的电流有效值；cos转子电路的各相功率因数。由公式(2-8)和(2-9)可知，异步电动机的电磁转矩Te与磁通1成正比，若降低电源频率f1，同时也降低U1，使U1/f1保持

39、为恒量，则磁通1不变，异步电动机的电磁转矩Te也不变，这种控制方式称为恒磁通调压调频调速。2电源频率高于工频范围调节由于U1不能高于异步电机的额定电压，当电源频率f1增加时，使得变U1/f1小。若保持U1不变，由公式(2-9)可知，定子磁通1变小，电机电磁转矩Te也变小，使得电动机的实际转速n增加。由于电动机的功率P=Tew，其中电动机的转动角速度w=2n，调节的过程中，若使频率f1与转矩Te的变化保持一定的关系，可以使电动机功率P保持恒定，这种升频定压的调速方式称为恒功率调速。3转差频率控制异步电动机在稳态运行时，转差率s很小，此时，只要控制定子电流使得电动机的气隙磁通1保持不变，异步电机的

40、电磁转矩Te就近似与转差角频率w1成正比。因此，在异步电机中，只要控制频率w1，就能够达到间接控制电磁转矩Te的目的，这就是转差频率的控制方式。2.1.3 矿井通风机的性能曲线通过实测并用平滑曲线描绘通风机以一定的转速，在不同的工况点下运行6第2章 风机变频调速原理及系统设计时，其工作参数风压P、功率N和效率随风量Q变化关系的曲线，称为通风机的性能曲线，也称作通风机的特性曲线。它包括全压流量曲线(PQ)、静压流量曲线(PSQ)、功率流量曲线(NQ)、全压效率流量曲线(Q)、静压效率流量曲线(SQ)，但为了使用方便，一般轴流式风机采用静压流量(PSQ)特性曲线。离心式通风机和轴流式通风机的性能曲

41、线，如下图2-1和2-2所示。图2-1 轴流式通风机性能曲线 图2-2 离心式通风机性能曲线通过对以上轴流通风机和离心通风机性能曲线的比较，可以看出它们具有以下的不同8：1轴流通风机的风压风量曲线有“马鞍型”驼峰区，风压随风量的变化较大，在驼峰点以右的曲线为单调下降，是风机稳定工作区，而在驼峰点以左的区域为风机不稳定工作区。若风机在该区域工作，有时会引起风机风量、风压和电动机功率的急剧波动，甚至机体发生震动，发出不正常噪音，产生所谓喘振(或飞动)现象，严重时会破坏风机。离心通风机的风压曲线，相对比较平缓，变化比较规则，当管网阻力作相同量变化时，其风量的变化比轴流通风机的变化要大。2在稳定工作区

42、内，轴流通风机的功率随风量的增加而减少，所以轴流通风机应该在风阻最小的时启动，以减少启动载荷。离心通风机的功率随风量的增加而增加，为了避免因启动负荷过大而烧坏电机，启动时应该闭闸启动。3通风机的性能曲线，除了可以用来检验设计参数与实测参数的一致程度外，还可以用来判定通风机工作的性能状况。我们可以根据通风机的性能曲线，7成都理工大学硕士学位论文求出风机在不同工况下的性能参数压力P、流量Q、功率N以及效率，来判断它是否满足工作的要求。通风机特性曲线一般都是通过实验测量数据的方法进行绘制的，这是由于通风机工作过程中的复杂性，它的压力、功率、效率随流量变化的函数关系很难用理论的方法求出来。通风机的性能

43、曲线一般采用二次或三次多项式进行拟合，这对风机稳定工作区域的拟合是可行的，而波兰的学者认为五次拟合的效果比较理想。对于在通风机稳定工作区域内的性能曲线，使用下面的二次多项式进行拟合，基本上就可以满足一般工程上的要求。P=AQ2+BQ+C (2-10)式中：P通风机的风压，Pa；Q通风机的风量，m3/s；A，B，C常数。常数A，B，C对于不同的风机是不同的，它们可以采用最小二乘法比较精确的求出来。为了方便，我们可以使用数学绘图软件Origin7.5，用实验测得的在不同工况点的风量和风压的一系列数据，绘出风机在稳定工作区的特性曲线，以及计算出拟合系数A, B, C，求出风机在稳定工作区的特性曲线拟

44、合方程。2.1.4 矿井通风机变频调速的节能原理矿井通风机的管网阻力与风量的关系为：P=RQ2 (2-11) 式中：P通风机的管网阻力损失，Pa；R管网的总阻力系数，对于一定的管网为R定值；Q通风机管网的风量，m3/s。图2-3为一矿井通风机的压力流量(HQ)特性曲线图，其中曲线a, b为管网阻力的特性曲线(Ran2)，交点A, B, C为矿井通风机的工况点。8第2章 风机变频调速原理及系统设计图2-3 风机及管网HQ的特性曲线图图2-3中曲线1为风机开始调节前的风压风量(HQ)特性曲线，曲线a为管网风阻特性曲线（管网阻力最小）。假设风机设计工作在A点效率最高，输出风量Q1为100，对应的轴功

45、率N1与风量Q1和风压拭的乘积面积AH1OQ1成正比。如果生产要求风量从Q1减少到Q2时，若采用减小局部通风机橡胶管道截面积的方法调节，相当于增加管网阻力，使管网阻力特性曲线变化到b，系统工况点也由A点变到B点。从图中可以看出，风量虽然减小了，风压反而增加了，代表轴功率的面积BH2OQ2比调节前减少不多。若采用变频调速控制局部通风机的运行，随着风机转速的下降，风压风量特性变为曲线2，系统工况也由A点变到C点，代表轴功率的面积CH3OQ2比采用前一种方法调节显著减少，两者之差即是节省的气体功率910。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2223：Q1/Q2=n1/n2P

46、1/P2=(n1/n2) (2-12) 2N1/N2=(n1/n2)3式中：9成都理工大学硕士学位论文n1、n2通风机调节前后的转速，r/min；P1、P2通风机转速调节前后的风压，Pa；N1、N2通风机转速调节前后的功率，w。由以上的比例关系，可以看出风机的风量与转速成正比，风压与转速的平方成正比，功率与转速的三次方成正比。如果通风机的转速降低为原来的50%，则风量也变为原来的50%，功率降低为原来的12.5%，这说明通过改变通风机的转速的方式，可以改变通风机的功率输入，可以节省大量的电能。根据上述变频调速的原理，矿井通风机的转速n的改变，可以通过改变通风机输入电源的频率f1来改变，这一过程

47、可以通过变频器来完成。2.1.5 变频器的结构和选型变频器按结构来分，分为交-交变频器和交-直-交变频器两种。将工频交流电直接转变成频率和电压均可控制的交流电，又称为直接变频器。交-直-交变频器是把工频交流电经整流器先转换成直流电，然后经滤波环节后，再把直流电转换成频率、电压可控制的交流电，又称为间接变频器。目前，使用最多的通用变频器多是交-直-交变频器，它由主电路，包括整流器、中间直流环节、逆变器和控制电路组成，其基本结构如下图2-4所示11图2-4 变频器基本结构1整流器整流器即是网侧变流器，它的作用是把三相或单相交流电整流成直流电。整流电路有可控整流电路和不可控整流电路两种。2逆变器逆变

48、器即是负载侧的变流器，它的主要作用在控制电路的控制下将直流电转变成频率、电压调节后的交流电，输出给外部设备。六个半导体主少干关器件组10第2章 风机变频调速原理及系统设计成的桥式电路是常见的逆变电路，通过控制电路控制开关器件的通、断，可以得到所需频率的交流电输出。3中间直流环节中间直流环节又称为中间储能环节，这是因为逆变器的负载多为感性负载，其功率因数小于1，使得在中间直流环节和电动机之间存在着无功率的交换。这种无功能量需要中间直流环节中的电容器或电抗器来进行缓冲。4控制电路控制电路是变频器的核心，它通常由运算电路、检测电路、门极驱动电路、外部接口电路和保护电路等组成，其作用主要是完成对逆变器

49、的开关控制和频率控制、对整流器的电压控制以及完成各种保护功能等。另外，变频器按调制方法来分，分为PAM型变频器和PWM型变频器；变频器按用途来分，又分为通用变频器和专用变频器。目前，市场上变频器的品牌很多，国外的有ABB、Siemens、Lenze、vacon、Danfoss、KEB、LG、Samco等，国内的有佳灵、阿尔法、森林、时代等。在工程中使用变频器，我们如何对其进行选型，一般有以下的步骤：（1）分析负载类型，是恒转矩负载、恒功率负载还是平方转矩负载。（2）根据负载类型和控制任务，确定变频器的类型和数目。（3）根据电动机的额定电流和额定功率，确定变频器输出频率和额定电流。（4）进行市场

50、调研，确定合适的变频器品牌。（5）根据变频器的输出频率和额定电流，对该品牌的变频器进行选型。（6）变频器选择好以后，要进行相关的校验。总的来说，变频器的选型可以通过以上的步骤进行，但对于有工作经验的工程师，也可以根据工作经验，直接快速地进行变频器的选型。2.1.6 三菱FR-E500变频器简介FR-E500系列是三菱公司生产的一款小型高性能通用型变频器如图2-5。具有高水准的驱动性能，采用磁通矢量控制可以实现1Hz运行150%转矩输出；支持CC-Link通讯，变频器通过CC-Link总线可与三菱PLC（Q、QnA、A、FX系列）连接。变频器的运行控制、监视和参数修改都可以通过PLC实现；最先进

51、的寿命诊断方式，可以诊断主回路电容和浪涌吸收回路的老化程度；除了PU口可以用于RS-485通讯之外还增加了独立的RS-485端子，可以方便的连接多台变频器进行通讯。采用柔性PWM实现低噪音运行。模拟量输入（3点），可以在（05v，010v）和电流（020mA）中选择。输出频率范围0.2Hz至400Hz（启动频率0-60Hz可变）具有多段速度选择，最多可选择15种速度。它的运行功能有上、下限频率设定，频率跳转运行，外部继电器输入选择，瞬时停电再启动运行，正、反转限制，转差率补偿，运行模式选择，PID控制，计算机网络运行12。11成都理工大学硕士学位论文图2-5 FR-E500系列变频器2.2可编

52、程控制器的原理及应用2.2.1 PLC的基本构成PLC的种类繁多，但其基本结构和工作原理基本相同。它主要由中央处理器(CPU)、存储器、输入/输出(I/O)接口，电源等组成，如下图2-6所示15。1中央处理单元(CPU)中央处理单元(CPU)一般由控制器，运算器和寄存器组成，它是PLC的核心部分。它的主要任务有：控制接收和存储编程设备输入的用户程序和数据；诊断PLC内部电路的工作故障和编程中的错误；扫描I/O接收的现场状态，并按照用户程序对信息进行处理，然后刷新输出接口，对执行部件进行控制。2存储器存储器是PLC存放程序和数据的地方，它包括系统程序存储器和用户程序存储器。系统存储器用来存放PL

53、C生产厂家编写的系统程序，并固化在PROM或EPROM存储器中，用户不可访问和修改。用户程序存储器主要包括用户程序存储区和数据存储区二个部分。用户程序存储区用于存储用户编写的控制程序，数据存储区用于存放用户程序中使用器件的ON/OFF状态和各种数值数据等。3输入输出单元输入/输出单元是PLC接受和发送各种开关量、模拟量和数字量信号的接口部件。输入单元用于接收现场的一些控制信号，通过接口电路转换成中央处理器可识别和处理的低电压信号，并存入输入映像寄存器。输出单元将中央处理器输出的低电压信号，经过输出接口电路将其转换成现场的强电信号。12第2章 风机变频调速原理及系统设计4电源单元电源单元是PLC

54、的电源供给部分。它的作用是把外部供应的电源转换成CPU、存储器等电路工作所需要的直流电，及向外部器件提供24V直流电源。5外设接口与扩展接口PLC可以通过外设接口与监视器、打印机、PLC或计算机相连。扩展接口用于将扩展单元以及功能模块与基本单元相连，使PLC的配置更加灵活，以满足不同控制系统的需要。图2-6 PLC的基本构成图2.2.2 PLC的工作原理PLC工作的全过程分为上电处理、扫描过程、出错处理三个部分。它的工作方式是不断循环的顺序扫描，每次扫描所用的时间称为一个扫描周期，长短与用户程序长短以及PLC本身的性能有关，其数量级为ms，典型值为几十ms。PLC对程序的扫描顺序是从上到下，从

55、左到右，逐条地读取程序指令，程序结束后，再返回到首条指令开始新的扫描。它对用户程序的扫描主要分为三个阶段，各个阶段的功能如下16：（1）输入采样阶段：PLC将扫描的输入端子的状态存入映像寄存器，然后进入程序执行阶段，在此阶段和输出刷新阶段，输入映像寄存器与外界隔离，其内容保持不变，一直到下一个扫描周期的输入采样阶段。（2）程序执行阶段：PLC根据读入的输入映像寄存器中的信号状态，按一定的扫描原则执行用户编写的程序，然后把执行结果存入元件映像寄存器中。（3）输出刷新阶段：当所有的程序指令执行完后，元件映像寄存器中所有输出继电器的状态在输出刷新阶段被转存到输出锁存器中，然后一次性的由输出端子输出，

56、驱动外部负载。13成都理工大学硕士学位论文2.2.3 PLC的选型原则目前，PLC的品牌和种类很多，大概有300多个品种，以美国、德国、日本的品牌最为显著，在我国也有一些生产PLC的厂家。表2-1 PLC主要产品型号 国家名称美国 公司名称 A-B公司GE公司德国日本 主要产品系列 SLC-500PLC-5PLC-5/250/PLC-3 GE-1/GE-1/J/GE-1P/GE-V 欧姆龙三菱 C20P/C20/C120/C200H/C500/C1000 F/F1/F2/FX0/FX2/ASU/SG 中国 华光电子本着选用实验室现有设备的原则本次设计使用三菱系列的PLC。2.2.4 三菱FX2

57、N系列和Q系列PLC简介1FX2N系列PLCFX2N系列是小型、高速度、高性能等很多方面都是相当于FX系列中的最高档次的超小型程序装置（如图2-7）。除输入输出16256点的独立用途外，还可以适用于多个基本组件间的连接、模拟控制、定位控制等特殊用途，是一套可以满足广泛需要的PLC。特点17：（1）系统配置既固定又灵活可进行16256点的灵活输入输出组合。可连接扩展模块，包括FX0N系列扩展模块。（2）编程简单，指令丰富。功能指令类多，有高速处理指令、便利指令、数据处理、特殊用途指令等。（3）品种丰富可选用16/32/48/64/80/128点的主机，可以采用最小8点的扩展模块进行扩展。也可以根据电源及输出形式，自由选择。（4）高性能内置程序容量8000步，最大可扩充至16K步，可输入注释，还有吧丰富的软组件。（5）高速运算14第2章 风机变频调速原理及系统设计1个指令的运行时间，基本指令只需0.08s，应用指令在1.52s至几百微秒之间。（6）多种特殊用途FX2N系列中，1