PLC大型鼓風機監(jiān)控系統(tǒng)設計

1、摘 要礦井升降機是煤礦安全生產(chǎn)的關鍵設備之一，它被廣泛的用于提升煤炭、矸石，升降人員和下放物料等，在整個煤礦生產(chǎn)中過程中的地位十分重要。傳統(tǒng)的礦井升降機控制系統(tǒng)的控制方式主要是用繼電器-接觸器來控制，并且通常在電動機轉子回路中串接附加電阻進行啟動和調速。這種控制系統(tǒng)存在許多缺點，如：可靠性差、操作復雜、故障率高、能源浪費量大、效率偏低等缺點?；谶@種情況，采用PLC 技術與變頻器結合，以改良原有的控制系統(tǒng)，從而提高了系統(tǒng)的可靠性、控制精度和整個電控系統(tǒng)的調速性能。所以說，升降機提升控制系統(tǒng)的研究很具有現(xiàn)實意義，也是國內外專家和學者著重研究的課題本文針對傳統(tǒng)升降機控制系統(tǒng)中存在的上述問題，把PL

2、C 可編程序控制器和變頻器應用于升降機控制系統(tǒng)上，并在可行性方面進行了較深入的研究。事實表明：采用PLC 和變頻器結合來控制系統(tǒng)，可使升降機工作起來更可靠，更方便，節(jié)能效果也更明顯。 關鍵詞：變頻器；PLC ；礦井升降機AbstractThe shaft hoist is the foremost equipment of mines，it is widely used to transport the materials ，staff and equipment.The traditional shaft hoist control system is always controlled b

3、y the relay-contactor，and adopts the methods of connect series additional resistant in rotors winding loop to start and adjust speed. The system has many disadvantages such as bad reliability，complicatedoperation ，high fault rate，large energy wasting and low efficiency. According to this kind of con

4、dition, we adopt PLC and Transducer to reform for original control system, so as to raise the safety, reliability, control precision and speed regulation performance of the whole electric controlled system. So，carrying on the research on the shaft hoist control system has realistic meanings ，and it

5、is a subject for research by relevant experts and scholars，both at home and abroad.To these questions existing in the shaft hoist contro1 system ，the paper applied PLC(Programmable Logic Controllerand frequency converter to the system and carried on deeper research in feasibility. The fact indicates

6、 ，adopting control system ，the shaft hoist works reliably，easy to use，energy-saving well，and have dynamical shown function.Key Words：Frequency conversion ；PLC ；mine hoist目 錄摘 要 . 1Abstract . 2引 言 . 31 緒 論 . . 41.1 鼓風機的簡介及其發(fā)展情況 . 41.2 可編程控制器 . 62 鼓風機監(jiān)控系統(tǒng)總體方案的設計 . . 122.1 鼓風機的工藝流程 . . 122.2 變頻器的選型 . 1

7、42.3 鼓風機監(jiān)控系統(tǒng)總體方案設計 . 183 基于PLC 的大型鼓風機的監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設計 . 183.1 PLC的選型 . 183.2 PLC容量估算 . . 233.3 PLC外部接線圖及I/O分配表 . 253.4 鼓風機監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設計 . 264 基于PLC 的大型鼓風機的監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設計 . 284.1 PLC程序設計流程圖 . 284.2 PLC的監(jiān)控系統(tǒng)程序設計 . . 294.3 觸摸屏程序設計 . 37結 論 . 43參 考 文 獻 . 44致 謝 . 45引 言隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，以微處理器為核心的微電子技術、計算機技術和自動控制技術也得到了迅速的發(fā)展?？删幊?/p>

8、控制器PLC 作為工業(yè)控制的一種新方法，在工業(yè)領域得到了快速的發(fā)展，使得可編程控制器PLC 應用越來越廣泛。而隨著中國經(jīng)濟建設中環(huán)保、節(jié)能戰(zhàn)略的推進，可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的實施，高爐大型化成為冶煉行業(yè)的發(fā)展方向，這就對大型鼓風機高效化提出了緊迫要求, 同時中國的發(fā)展也面臨著日益嚴峻的環(huán)保形勢，為此國家出臺了一系列節(jié)能減排的強制性措施，其中最主要的就是高爐的大修擴容，而大型鼓風機作為高爐的主要設備，這樣就提高了鼓風機對風量以及壓力的需求。同時我們知道大型鼓風機在各種行業(yè)生產(chǎn)中是非常重要的復雜設備，具有永久性、隱蔽性、及不可修復性等特點，這決定了鼓風機工程必須質量優(yōu)良、經(jīng)久耐用。在鼓風機控制技術方面，繼

9、電器控制系統(tǒng)由于故障率高，控制方式不靈活及功率消耗大等缺點，目前已逐漸被淘汰。而可編程邏輯控制器PLC 控制系統(tǒng)由于運行可靠、使用維修方便、開發(fā)周期短、抗干擾性強等優(yōu)越性，逐漸成為目前鼓風機控制系統(tǒng)中使用最多的控制方式，成為目前鼓風機控制系統(tǒng)的發(fā)展方向。本課題研究的主要內容是基于PLC 大型鼓風機監(jiān)控系統(tǒng)設計，并采用觸摸屏對鼓風機控制系統(tǒng)進行上位機的監(jiān)控。論文首先對鼓風機控制系統(tǒng)的基礎知識進行了簡單的介紹，經(jīng)過對鼓風機控制系統(tǒng)運行情況分析，對設計所用的PLC 和變頻器做出了合理的選型，并詳細的介紹了PLC 、觸摸屏、變頻器之間的通信設置，完成了基于PLC 大型鼓風機監(jiān)控系統(tǒng)設計。1 緒 論1.

10、1 鼓風機的簡介及其發(fā)展情況高爐鼓風機定義：它是能將一部分大氣匯集起來，并通過加壓提高空氣壓力形成具有一定壓力和流量的高爐鼓風，再根據(jù)高爐爐況的需要進行風壓、風量調節(jié)后將其輸送至高爐的一種動力機械。從能量的觀點來看，高爐鼓風機是把原動機的能量轉變?yōu)闅怏w能量的一種機械。鼓風機的作用：向高爐送風，以保證高爐中燃燒的焦炭和噴吹的燃料所需的氧氣。另外，還要有一定的風壓克服送風系統(tǒng)和料柱的阻損，并使高爐保持一定的爐頂壓力。高爐鼓風設備是為冶煉高爐提供足夠的含氧空氣，它是高爐生產(chǎn)的重要組成部分。由于高爐冶煉的連續(xù)性，要求鼓風機均勻地供給一定量的空氣，另外還應有一定的風壓，以克服送風系統(tǒng)和料柱阻力，并使高爐

11、保持一定的爐頂壓力，在整個冶煉過程中，由于原料、燃料、操作等條件的變化，引起爐況經(jīng)常改變，也相應地要求供風參數(shù)變化，所以高爐風機需要具有一定的穩(wěn)定調節(jié)范圍和可靠的安全控制系統(tǒng)。離心式鼓風機主要由靜止部分和轉動部分組成。靜止部分由機殼、進風管、軸承、密封裝置、擴葉器、回流器和出風管組成。轉動部分由轉子和裝在轉子主軸上的葉輪、推力盤、平衡輪等組成。離心式鼓風機的工作原理為鼓風機在原動機帶動下高速旋轉，它利用旋轉時產(chǎn)生的離心力，使流體獲得能量，使流體通過葉輪后的壓能和動能都能得到升高，從而能夠將流體輸送到高處或遠處。顧名思義風機也就是造風、送風的機械。風有自然風和機造風之別。前者的能量和威力很大很大

12、，而后者則是我們所需要的鼓風機。我國古代是風機鼻祖的發(fā)源地，但由于長期的封建統(tǒng)治，人們的智慧受到抑制，工農(nóng)業(yè)受到阻滯。工業(yè)生產(chǎn)的落后帶來的是科學技術的落后，鼓風機械也就由盛而衰了。 18世紀，歐洲發(fā)生工業(yè)革命，蒸汽機車的出現(xiàn)、鋼鐵工業(yè)、煤炭工業(yè)的突飛猛進使得通風機、鼓風機、壓縮機也就隨波逐流地發(fā)展起來。有的國家的風機產(chǎn)品隨著鋼鐵產(chǎn)量的起落而起落，而有的國家的風機產(chǎn)品則又隨著石油、石油化工產(chǎn)品的產(chǎn)量的升降而升降。1862年，英國T圭貝爾發(fā)明了離心通風機，其葉輪、機殼為同心圓型，機殼用磚制，木制葉輪采用后向直葉片，效率為40左右，主要用于礦山通風。1880年，人們設計出用于礦井排送風的蝸形機殼和后

13、向彎曲葉片的離心通風機，結構比較完善。1898年，愛爾蘭人設計出前向葉片的西羅柯式離心通風機，并為各國廣泛采用。19世紀，軸流通風機已應用于礦井通風和冶金工業(yè)的鼓風，但壓力僅為100300Pa ，效率僅為15%25。這種通風機，直到20世紀40年代以后才得到較快的發(fā)展。1935年，德國首先采用軸流等壓通風機作為鍋爐通風機和引風機。1948年，丹麥制成運行中動葉可調的軸流通風機，同時對旋軸流通風機、子午加速軸流通風機、斜流通風機和橫流通風機也都獲得發(fā)展。離心式壓縮機是在離心通風機的基礎上發(fā)展起來的，20世紀出現(xiàn)了壓力比為4.5的離心式壓縮機。50年代開始，離心壓縮機制造業(yè)在歐美的工業(yè)發(fā)達國家得到

14、發(fā)展。1963年，美國生產(chǎn)出第一臺合成氨廠用的14.7MPa 高壓離心壓縮機，采用筒型機殼代替水平剖分型機殼，又稱筒型壓縮機，它能承受10MPa 以上的壓力。70年代，美國、意大利和德國先后制成6070MPa 高壓筒型壓縮機，筒體壁厚280mm 。80年代初排氣壓力已達80MPa 。離心壓縮機的轉速一般為每分鐘幾千轉以上，有的已達到25000轉以上，所需功率可達幾萬千瓦，流量已達10000m 3/min。離心壓縮機的常規(guī)葉輪是以一維流動理論為基礎設計的，60年代開始應用三維流動理論設計空間扭曲葉片，以改善葉輪級的性能。軸流壓縮機也是在歐洲首先出現(xiàn)的。19世紀末，英國人CA帕森斯讓多級反動式汽輪

15、機反向旋轉，作為試驗用軸流壓縮，但由于效率很低而不能使用。20世紀初，英國制造出第一臺軸流壓縮機，效率仍不高。一直到30年代，由于航空事業(yè)的發(fā)展，開展了對軸流壓縮機氣體動力學理論研究和試驗研究，效率才有顯著提高。亞音速級(氣流速度低于聲速 中壓力比不大，一般不超過1.3。為了提高風機的壓力比，同時增大風機的流量，人們開始研究跨聲速和超聲速壓縮機，并已廣泛應用于噴氣發(fā)動機。隨著鼓風機制造行業(yè)競爭的不斷加劇，大型鼓風機制造企業(yè)間并購整合與資本運作日趨頻繁，國內優(yōu)秀的鼓風機制造企業(yè)愈來愈重視對行業(yè)市場的研究，特別是由于對產(chǎn)業(yè)發(fā)展環(huán)境和產(chǎn)品購買者的深入研究，一大批國內優(yōu)秀的風機品牌迅速崛起，逐漸成為風

16、機制造行業(yè)中的翹楚。國內一些有代表性的企業(yè)已在透平壓縮機和大型鼓風機科技制造中，普遍采用三元流動設計和計算機輔助設計及輔助制造。九五將重點發(fā)展大型電站、礦井風機、40萬噸/年乙烯用裂解三機、30萬噸/年合成氨和52萬噸/年尿素裝置用五大透平壓縮機組，提高電廠鍋爐引風機動葉片的耐磨性能、延長壽命。對于量大面廣的高壓鼓風機，以高效節(jié)能和低噪聲為發(fā)展方向，改進風機設計和采用措施擴大調節(jié)范圍，提高變負荷條件下鼓風機效率即運行效率。在國內工業(yè)生產(chǎn)和產(chǎn)品加工制造業(yè)中，鼓風機設備應用廣泛。八十年代初發(fā)展起來的變頻調速技術，正是順應了工業(yè)生產(chǎn)自動化發(fā)展要求，使得鼓風機類機器的控制改變了以前多采用繼電器-接觸器

17、的控制的狀況，克服了故障率高，可靠性低的缺點。近年來隨著控制技術的不斷發(fā)展，利用PLC 代替繼電器-接觸器則大大的改善了鼓風機監(jiān)控系統(tǒng)的性能，目前PLC 系統(tǒng)已朝向人機界面更加友好，網(wǎng)絡通訊能力大大加強，開放性和操作性大大發(fā)展，處理功能進一步增強，與以太網(wǎng)融合的方向發(fā)展。在國外，為滿足工程裝置大型、連續(xù)化要求，在鼓風機機上普遍采用了三元流動理論，使產(chǎn)品實現(xiàn)高效率。采用旋轉氣體密封、氣體軸承、磁力軸承等技術，以提高轉速，減小結構尺寸，日本神戶制鋼所、美國英格索蘭公司已成功地研制出這種產(chǎn)品。由于鼓風機的大型化和高速化使噪聲問題更為突出，國外正加緊致力于降低噪聲的研究。近年來采用主動聲源控制法降低通

18、風機旋轉噪聲已獲成功。為適應多變市場，一些公司正致力于實現(xiàn)CIMS ，這一技術的應用，有力的推動鼓風機向高效、大容量方向發(fā)展。此外，一些先進的制造工藝逐步在鼓風機制造中采用。1.2 可編程控制器20世紀60年代，由于小型計算機的出現(xiàn)和大規(guī)模生產(chǎn)及多機群控的發(fā)展，人們曾試圖用小型計算機來實現(xiàn)工業(yè)控制，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的繼電接觸器控制。但采用小型計算機實現(xiàn)工業(yè)控制價格昂貴，輸入、輸出電路不匹配，編程技術復雜，因而沒能得到推廣和應用。20世紀60年代末期，美國汽車制造工業(yè)競爭激烈，為了適應生產(chǎn)工藝不斷更新的需要，在1968年美國通用汽車公司首先公開招標，對控制系統(tǒng)提出的具體要求基本為：它的繼電控制系統(tǒng)設計周

19、期短、更改容易、接線簡單、成本低；它能把計算機的功能和繼電器控制系統(tǒng)結合起來，但編程又比計算機簡單易學、操作方便；系統(tǒng)通用性強。1969年美國數(shù)字設備公司根據(jù)上述要求，研制出世界上第一臺可編程序控制器，并在通用公司汽車生產(chǎn)線上首次應用成功，實現(xiàn)了生產(chǎn)的自動控制。其后日本、德國等相繼引入，可編程序控制器迅速發(fā)展起來。但這一時期它主要用于順序控制，雖然也采用了計算機的設計思想，但當時只能進行邏輯運算，故稱為可編程序邏輯控制器，簡稱PLC （Programmablc Logic Controller。20世紀70年代后期，隨著微電子技術和計算機技術的迅猛發(fā)展，可編程邏輯控制器更多地具有計算機功能，不

20、僅用邏輯編程取代硬接線邏輯，還增加了運算、數(shù)據(jù)傳送和處理等功能，真正成為一種電子計算機工業(yè)控制裝置，而且做到了小型化和超小型化。這種采用微電腦技術的工業(yè)控制裝置的功能遠遠超出邏輯控制、順序控制的范圍，故稱為可編程序控制器，簡稱PC （Programmablc Controller 。但由于PC 容易和個人計算機（Personal Computer混淆，故人們仍習慣地用PLC 作為可編程序控制器的縮寫?？删幊炭刂破骱喎QPLC (Programmable Logical Controller ，以微處理器為核心，綜合微機技術、電子應用技術、自動控制技術及通信技術而發(fā)展起來的工業(yè)自動化控制裝置。國際

21、電工委員會（IEC ）于1987年頒布了其標準及定義：“可編程控制器是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計，它采用可編程序的存儲器，用來在其內部存儲程序，執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術運算等操作的命令，并通過數(shù)字式、模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程?？删幊炭刂破骷捌溆嘘P設備，都應按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)連成一個整體，易于擴充功能的原則而設計?！盤LC 是基于電子計算機，且適用于工業(yè)現(xiàn)場工作的電控制器。通過運行存儲于PLC 內存中的程序，進行入出信息交換實現(xiàn)控制。入出信息交換、可靠物理實現(xiàn)是PLC 實現(xiàn)控制的兩個基本要點。入出信息交換靠運行存儲于內存中的程

22、序實現(xiàn)的。程序包含PLC 生產(chǎn)廠家提供系統(tǒng)程序和用戶根據(jù)需要自行開發(fā)的應用程序。系統(tǒng)程序提供了運轉平臺，同時還為PLC 用戶程序的可靠運行及信號與信息轉換進行必要的公共處理?？煽课锢韺崿F(xiàn)主要輸入（INPUT ）及輸出（OUTPUT ）電路。PLC 的輸入電路要對輸入信號進行濾波處理，去掉高頻干擾，在內部與計算機電路進行光電隔離，靠光耦原件或繼電器建立連接。輸出電路需進行功率的放大，以帶動一般地工業(yè)控制元器件，如電磁閥、接觸器等。PLC 的工作過程： 圖1.1可編程控制器的工作過程PLC 實現(xiàn)控制的方式是以掃描方式為主，中斷方式為輔的控制方式。大量控制都是用掃描方式，個別急需的處理，可通過中斷這

23、個掃描運行的程序的方式來執(zhí)行。1、PLC 的功能隨著自動化技術、計算機技術及網(wǎng)絡通信技術的迅速發(fā)展，PLC 的功能日益增多。它不僅能實現(xiàn)單機控制，而且能實現(xiàn)多機群控制，不僅能實現(xiàn)邏輯控制，還能實現(xiàn)過程控制、運動控制和數(shù)據(jù)處理等，其主要功能如下：（1）開關量邏輯控制這是PLC 的最基本的功能。PLC 具有強大的邏輯運算能力，它提供了與、或、非等各種邏輯指令，可實現(xiàn)繼電器觸點的串聯(lián)、并聯(lián)和串并聯(lián)等各種連接的開關控制，常用于取代傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)。使用PLC 提供的定時、計數(shù)指令，可實現(xiàn)定時、計數(shù)功能，其定時值和計數(shù)值可由用戶在編程時設定，也可用數(shù)字撥碼開關來設定，其值可進行在線修改，操作十分靈活

24、方便。（2）模擬量控制在工業(yè)生產(chǎn)過程中，有許多連續(xù)變化的量，如溫度、壓力、流量、液位和速度等都是模擬量。PLC 提供了各種智能模塊，如模擬量輸入模塊、模擬量輸出模塊、模擬量輸入輸出模塊、熱電阻用模擬量輸入模塊、熱電阻用模擬量輸出模塊等，通過使用這些模塊，把現(xiàn)場輸入的模擬量經(jīng)A/D轉換后送CPU 處理；而CPU 處理的數(shù)字結果，經(jīng)D/A轉換成模擬量去控制被控設備，以完成對連續(xù)量的控制。（3）閉環(huán)過程控制使用PLC 不僅可以對模擬量進行開環(huán)控制，而且還可以進行閉環(huán)控制。配置PID 控制單元或模塊，對控制過程中某一變量（如速度、溫度、電流、電壓等）進行PID 控制。（4）定時、定位、計數(shù)控制PLC

25、具有定時控制的功能，它為用戶提供了若干個定時器，定時器的時間可以由用戶在編寫程序時設定，也可以用撥盤開關在外部設定，實現(xiàn)定時或延時控制。定位控制是PLC 不可缺少的控制功能之一。PLC 提供了定位模塊、脈沖輸出模塊等智能模塊，以實現(xiàn)各種需求的定位控制。PLC 具有計數(shù)控制的功能，它為用戶提供了若干個計數(shù)器或高速計數(shù)模塊。計數(shù)器的計數(shù)值可以由用戶在編寫程序時設定，也可以用撥盤開關在外部設定，實現(xiàn)計數(shù)控制。（5）順序（步進）控制在工業(yè)控制中，選用PLC 實現(xiàn)順序控制，可以采用IEC 規(guī)定的用于順序控制的標準化語言順序功能圖進行設計，可以用移位寄存器和順序控制指令編寫程序。（6）網(wǎng)絡通信現(xiàn)代PLC

26、具有網(wǎng)絡通信的功能，它既可以對遠程I/O進行控制，又能實現(xiàn)PLC 與計算機之間的通信，從而構成“集中管理，分散控制”的分布式控制系統(tǒng)，實現(xiàn)工廠自動化。PLC 通過RS232接口可與各種RS232設備進行通信。PLC 還可與其它智能控制設備（如變頻器、數(shù)控裝置）實現(xiàn)通信。PLC 與變頻器組成聯(lián)合控制系統(tǒng)，可提高交流電動機的自動化控制水平。（7）數(shù)據(jù)處理現(xiàn)代PLC 具有數(shù)學運算（含矩陣運算、函數(shù)運算、邏輯運算）、數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)轉換、排序、查表、位操作等功能，可以完成數(shù)據(jù)的采集、分析及處理。 這些數(shù)據(jù)可以與存儲在存儲器中的參考值比較，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能傳送到別的智能裝置，或將它們

27、打印制表。2、PLC 的特點（1）通用性強、靈活性好、功能齊全PLC 是專為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計的，具有面向工業(yè)控制的鮮明特點。通過選配相應的控制模塊便可適用于各種不同的工業(yè)控制系統(tǒng)。同時，由于PLC 采用存儲邏輯，其控制邏輯以程序方式存儲在內存中，當生產(chǎn)工藝改變或生產(chǎn)設備更新時，不必改變PLC 的硬件，只需改變程序，改變控制邏輯，其連線少，體積小，加之PLC 中每只軟繼電器的觸點數(shù)理論上無限制，因此，靈活性和擴展性都很好。（2）可靠性高、抗干擾能力強為了確保PLC 在惡劣的工業(yè)環(huán)境下能可靠的工作。在設計中強化了PLC 的抗干擾能力，使之能抗諸如電噪聲、電源波動、振動、電磁干擾等的干擾。PL

28、C 能承受電網(wǎng)電壓的變化，可直接由交流市電供電，直接取自電控箱電源。即使在電源瞬間斷電的情況下，仍可正常工作。PLC 在設計、生產(chǎn)過程中除了對元器件嚴格篩選外，硬件和軟件還采用屏蔽、濾波。光電隔離和故障診斷、自動恢復等措施，有的PLC 還采用了冗余技術等，進一步增強了PLC 的可靠性。（3）編程簡單、使用方便PLC 在基本控制方面采用梯形圖語言進行編程，這種梯形圖是與繼電器控制電路圖相呼應的，形式簡單、直觀性強，廣大電氣人員容易接受。用梯形圖編程出錯率比匯編語言低得多。梯形圖、流程圖、語句表之間可以有條件的相互轉換，使用極其方便。（4）模塊化結構、安裝簡單、調試方便PLC 的各個部件，包括CP

29、U 、電源、I/O等均采用模塊化結構設計，由機架和電纜將各模塊連接起來，由于配置靈活，使擴展、維護更加方便。另外，PLC 的接線十分方便，只需將輸入信號的設備（如按鈕、開關等）與PLC 的輸入端子相連，將接受控制的執(zhí)行元件（接觸器、電磁閥等）與輸出端子相連即可。調試工作大部分是室內調試，用模擬開關模擬輸入信號，其輸入狀態(tài)和輸出狀態(tài)可以觀察PLC 上相應的發(fā)光二極管，可以根據(jù)它進行測試、排錯和修改。1、發(fā)展歷史雖然PLC 問世時間不長，但是隨著微處理器的出現(xiàn)，大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路技術的迅速發(fā)展和數(shù)據(jù)通訊技術的不斷進步，PLC 迅速發(fā)展，其發(fā)展大致可分為三個階段。（1）早期的PLC （20世紀

30、60年代末-70年代中期）一般稱為可編程邏輯控制器。這時PLC 多少有點繼電器控制裝置替代物的含義，其主要功能一般適用于單一的工序的自動控制。它在硬件上以準計算機的形式出現(xiàn)，在I/O接口電路上做了改進以適應工業(yè)現(xiàn)場控制的要求。早期的PLC 裝置中主要采用分立元件和中小規(guī)模集成電路，初期采用磁芯存儲區(qū)存儲；另外還采用了一些措施，以提高其抗干擾能力。在軟件編程上，采用廣大電氣工程技術人員所熟悉的繼電器控制線路的方式-梯形圖。因此，早期的PLC 的性能要優(yōu)于繼電器控制裝置，其優(yōu)點包括簡單易懂，便于安裝，體積小，功耗低，有故障指示，能重復使用等。（2）中期的PLC （20實際70年代中期-80年代中后

31、期）在微處理器的出現(xiàn)使PLC 發(fā)生了巨大的變化。美國、日本、德國等一些廠家先后開始采用微處理器作為PLC 的中央處理單元（CPU ）。這樣使PLC 功能大大增加。在軟件方面，除了保持原有的邏輯運算、計時、計數(shù)等功能以外，還增加了算術運算、數(shù)據(jù)處理和傳送、通訊、自診斷等功能。在硬件方面，除了保持其原有的開關模塊外，還增加了模擬量模塊、遠程I/O模塊以及各種特殊功能模塊，并擴大了存儲器容量，使各種邏輯線圈的數(shù)量增加，還提供了一定數(shù)量的數(shù)據(jù)存儲器，使PLC 應用范圍得以擴大。（3）近期的PLC （20世紀80年代中后期至今）由于超大規(guī)模集成電路的應用并迅速發(fā)展，微處理器的市場價格大幅度下跌，各種類型

32、的PLC 所采用的微處理器的檔次普遍提高，而且為了進一步提高PLC 的處理速度，各制造廠還紛紛研發(fā)了專用邏輯處理芯片，這使得PLC 軟硬件功能發(fā)生了巨大變化，跨入21世紀后，就整體而言，不論是硬件還是系統(tǒng)軟件，以至于聯(lián)網(wǎng)通信，PLC 正在向標準化方向發(fā)展。PLC 自問世以來，經(jīng)過40多年的發(fā)展，在美、德、日等工業(yè)發(fā)達國家已成為重要的產(chǎn)業(yè)之一。世界總銷售額不斷上升，生產(chǎn)廠家不斷涌現(xiàn)、品種不斷翻新。產(chǎn)量產(chǎn)值大幅度上升而價格則不斷下降。作為離散控制的首選產(chǎn)品，PLC 在我國的應用已有30年的歷史。PLC 自20世紀70年代后期進入中國以來，應用增長十分迅速。PLC 進入中國時最初是從成套設備引進應用

33、，由于PLC 價格昂貴，引進的PLC 主要用于冶金、電力、自動化生產(chǎn)線等大的設備和系統(tǒng)。在引進國外PLC 產(chǎn)品的過程中，我國也曾組織了相關單位消化、吸收PLC 的關鍵技術，試圖對PLC 進行國產(chǎn)化。到80年代在上海、北京、西安、廣州、長春等地的20多家科研單位、大專院校和工廠研制和生產(chǎn)PLC 產(chǎn)品，具體的單位有：北京機械工業(yè)自動化研究所、上海工業(yè)自動化儀表研究所、大連組合機床研究所、成都機床電器研究所、中科院北京計算機所及自動化所、長春一汽、上海起重電器廠、上海香島機電公司、上海自力電子設備廠等單位。但終因缺乏資金和后續(xù)研究力量、生產(chǎn)技術相對落后，都沒有成功實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。PLC 產(chǎn)品運作是否成功

34、不是由簡單的一兩種因素決定的。近10年來，隨著PLC 價格的不斷降低和用戶需求的不斷擴大，越來越多的中小設備開始采用PLC 進行控制。2、現(xiàn)狀及趨勢PLC 被公認為現(xiàn)代工業(yè)自動化三大支柱（PLC 、機器人、CAD/CAM）之一，從世界范圍來看，PLC 的產(chǎn)量、銷量都非常的高，在我國也呈直線上升，幾乎在國民經(jīng)濟的所有部門得到了迅速的普及與推廣。全世界PLC 及其系統(tǒng)的研究與制造達200多家公司，生產(chǎn)著100多個系列的產(chǎn)品。但若按其發(fā)展的歷史淵源和所受的地域影響來劃分，大體可分為三個流派，即美國產(chǎn)品、日本產(chǎn)品及歐洲產(chǎn)品。PLC 集三電（電控、電儀、電傳）于一體。從現(xiàn)代控制裝置來看，無論是邏輯控制、

35、過程控制還是運動控制都使用計算機的控制裝置，計算機稱為三電一體的物質基礎。隨著PLC 的處理器處理速度的不斷提高，PLC 的功能不斷增多，現(xiàn)在發(fā)展成具有邏輯控制功能、過程控制功能、運動控制功能、數(shù)據(jù)處理功能、聯(lián)網(wǎng)通信功能的名符其實的多功能控制器。（1）功能向增強化和專業(yè)化的方向發(fā)展，針對不同行業(yè)的應用特點，開發(fā)出專業(yè)化的PLC 產(chǎn)品。以此來提高產(chǎn)品的性能和降低產(chǎn)品的成本，提高產(chǎn)品的易用性和專業(yè)化水平。（2）規(guī)模向小型化和大型化的方向發(fā)展，小型化是指提高系統(tǒng)可靠性基礎上，產(chǎn)品的體積越來越小，功能越來越強；大型化是指應用在工業(yè)過程控制領域較大的應用市場，應用的規(guī)模從幾十點擴展到上千點，應用功能從單

36、一的邏輯運算擴展幾乎能滿足所有的用戶要求。（3）系統(tǒng)向標準化和開放化方向發(fā)展，以個人計算機為基礎，在Windows 平臺上開發(fā)符合全新一體化開放體系結構的PLC 。通過提供標準化和開放化的接口，可以很方便地將PLC 接入其它系統(tǒng)。2 鼓風機監(jiān)控系統(tǒng)總體方案的設計2.1 鼓風機的工藝流程高爐冶煉可采用噴吹重油或煤粉，目前全改為噴吹煤粉，強化冶煉，提高出鐵量。為了使爐內溫度提高還需配合富氧措施，即使空氣中的含氧率提高，為了降低能耗，采用在鼓風機前，把純氧混入吸入機內空氣的方法，采用制氧站的空分后的低壓氧，經(jīng)氧氣混合器混合后隨空氣加壓至入爐所需的空氣壓力，如圖 2.1。同時，為了安全起見，在進入氧氣

37、混合器處外接一根保安氮氣管，當鼓風機有故障時，一方面可緊急切斷氧氣輸入；另一方面氮氣注入閥打開，注入氮氣，稀釋氧氣，避免事故的擴大。為配合高爐強化冶煉、噴吹煤粉入爐，要求提高噴吹口的溫度，降低燃料消耗，就要使入爐空氣中的水分盡可能低，以免水蒸發(fā)消耗熱量，因此采用脫濕后送風也是高爐冶煉降低焦比的重要措施之一。 圖2.1鼓風機的工藝流程圖根據(jù)某鋼廠焦爐煤氣“東氣西輸”工程，管道中途設置了煤氣加壓機，以滿足末端用戶壓力需求。為滿足高爐鼓風機的啟動過程和正常運行過程, 控制系統(tǒng)應滿足：( 1 首先應滿足啟動條件：動力油油壓、潤滑油油壓、潤滑油溫度均正常。 此外還應保證風機靜葉關閉、放空閥全開、止回閥全

38、關和逆流實驗開關復位，主電機閉鎖解除，允許主電機啟動。( 2 風機啟動過程：主電機運行、風機靜葉閉鎖解除。此時要判定靜葉釋放時間小于給定時間( 否則應靜葉閉合，重復上述過程 、然后止回閥閉鎖解除、放空閥閉鎖解除，風機加載，啟動結束。( 3 風機運行過程中有以下因素之一是主電機停機、風機軸溫過高、增速箱軸溫過高、主電機軸溫過高、風機軸振動過大、風機軸位移過大、潤滑油壓力過低、動力油壓力過低和持續(xù)逆流等。（1）啟動條件控制鼓風機啟動前，首先要判斷電機的運行狀態(tài)、潤滑油溫度、風機靜葉位置、放空閥位置、止回閥位置、動力油和潤滑油壓力、實驗開關和存儲器復位情況，所有條件滿足后，PLC 發(fā)出允許啟動確認命

39、令，系統(tǒng)解除主電機閉鎖信號。（2）壓力控制風機出口壓力通過改變風機靜葉角度而保持不變，不受風機出口流量的影響。壓力控制系統(tǒng)和流量控制系統(tǒng)使用相同的執(zhí)行機構，但不同時參與控制。壓縮機的正常操作方法為：控制風機出風流量時，將壓力控制系統(tǒng)作為風機出風壓力限制，從而使設備不因輸出壓力太高造成損壞。此時只要風機出風壓力低于壓力控制器的給定值，壓力控制器的輸出始終處于最大值而穩(wěn)定不變；若風機出風壓力超過給定值，壓力控制器的輸出則下降并在低選器中與流量控制器、風機出風壓力控制器信號進行比較后，風機將由壓力控制器的信號來控制執(zhí)行機構，風機將以壓力控制方式運轉，流量控制器的輸出值上升到最大值。當風機出口壓力再次

40、下降，使得壓力控制器的輸出信號在低選器中被切斷， 流量控制器再次控制風機出風流量。2.2 變頻器的選型變頻器是將工頻電源變成另一種頻率的電能控制裝置。通過改變電機工作電源頻率方式來控制交流電動機的電力控制設備。變頻器主要由整流（交流變直流）、濾波、逆變（直流變交流）、制動單元、驅動單元、檢測單元微處理單元等組成。通過改變電源的頻率來達到改變電源電壓的目的，根據(jù)電機的實際需要來提供其所需要的電源電壓，進而達到節(jié)能、調速的目的，能實現(xiàn)對交流異步電機的軟起動、變頻調速、提高運轉精度、改變功率因數(shù)等功能。另外，變頻器還有很多的保護功能，如過流、過壓、過載保護等等。隨著工業(yè)自動化程度的不斷提高，變頻器也

41、得到了非常廣泛的應用。目前，我們所使用的變頻器主要采用交-直-交方式，即先把工頻電源（50HZ ）經(jīng)過整流裝置整流成直流，再把直流電源轉換成頻率、電壓均可變的交流電。它一般由整流、中間直流環(huán)節(jié)、逆變和控制4個部分組成，如圖2.2。圖2.2 “交-直-交”變頻器的結構框圖三相異步電動機的轉速公式為：n =n 0(1-s =60f (1-s p式中n 0同步轉速；f 電源頻率，單位為Hz ；p 電動機極對數(shù)；s 電動機轉差率；從公式可知，改變電源的頻率、電動機極對數(shù)或電動機轉差率即可實現(xiàn)調速。變頻器是通過改變電源的頻率來實現(xiàn)對電機的調速。對異步電動機實行調速時，希望主磁通保持不變，因為主磁通太弱，

42、鐵芯利用不充分，同樣轉子電流下，電動機的負載能力下降；若主磁通太強，鐵芯發(fā)熱，波形變壞。為了保持磁通不變，必須使電動機定子的每相電動勢與定子頻率成正比。因為：E 1=4.44f 1N 1m式中E 1電動機定子每相電動勢；f 1電動機定子頻率；N 1定子相繞組有效砸數(shù)；m 每極磁通量。從公式可知，要使m 保持基本不變，必須保持E 1和f 1的比例不變或者微小變化。 因此，異步電動機的變頻調速必須按照一定的規(guī)律，同時改變其定子電壓和頻率，即必須通過變頻器獲得電壓和頻率均可調節(jié)的供電電源。 隨著變頻器性能價格比的提高，交流變頻調速已應用到許多領域，由于變頻調速的諸多優(yōu)點，使得變頻調速在鼓風機行業(yè)也得

43、到廣泛應用。本設計選用了通用變頻器，通過合理的配置、設計和編程，可以達到變頻器的控制效果。 圖2.3 MM420系列變頻器MM420具有模塊化設計，操作面板和通訊模塊可以不使用任何工具，可以非常方便的用手進行更換，MM420適合用于各種變速驅動系統(tǒng)裝置，尤其適合用于水泵，風機和傳送帶系統(tǒng)的驅動裝置。此外MM420變頻器是用于控制三相交流電動機速度的變頻器系列，本系列有多種型號，從單相電源電壓，額定功率120W 到三相電源電壓，額定功率 11KW 均可供用戶選用。MM420變頻器由微處理器控制，并采用具有現(xiàn)代先進技術水平的絕緣柵雙極型晶體管（IGBT ）作為功率輸出器件。因此具有很高的運行可靠性

44、和功能的多樣性。其脈沖寬度調制的開關頻率是可選的，因而降低了電動機運行的噪聲。全面而完善的保護功能為變頻器和電動機提供了良好的保護。MM420 具有缺省的工廠設置參數(shù)，它是給數(shù)量眾多的簡單的電動機控制系統(tǒng)供電的理想變頻驅動裝置。由于MM420 具有全面而完善的控制功能，在設置相關參數(shù)以后，MM420 既可用于單機驅動系統(tǒng)，也可集成到自動化系統(tǒng)中。考慮以上各種因素，本設計選用西門子MM420系列變頻器。它的技術特性為：參數(shù)設置的范圍很廣，確保它可對廣泛的應用對象進行配置；電纜連接簡便；采用模塊化設計，配置非常靈活；脈寬調制的頻率高，因而電動機運行的噪音低。圖2.3為MM420系列變頻器實物圖。對

45、于變頻器的應用，必須首先熟練對變頻器的面板操作，對變頻器的各種功能參數(shù)進行設置。而對變頻器進行設置時，必須了解變頻器所有端子的功能及其作用，表2.1為MM420變頻器的控制端子列表：表2.1 MM420控制端列表 (1鼓風機電機變頻運行時，節(jié)電效果顯著。在相同的工況條件下，系統(tǒng)單耗比以前下降，有效地改變了大馬拉小車浪費電能的現(xiàn)象。(2變頻器的軟啟動功能，避免了大電流對電機帶來的電沖擊，保護了電機。同時也減少了大電流啟動對廠用電系統(tǒng)的沖擊。(3變頻器自身的過電壓、欠電壓、過電流、過載、過熱、絕緣損壞等保護功能有效的保護電動機的安全運行，避免由此引發(fā)各種故障的擴大，同時便于專業(yè)人員在最短時間內，通

46、過人機對話窗口，查閱故障信息，便于事故處理。(4變頻器安裝后，風機轉速長期在額定轉速以下運行，降低了設備的磨損程度，降低了噪聲，延長了風機的使用壽命。(5鼓風機通過變頻調節(jié)，調速線性度好，同步性好，能量損失較小，燃燒穩(wěn)定。(6變頻調節(jié)使燃燒調節(jié)更精確，更方便，提高了工藝指標及其自動化程度，也便于維修。2.3 鼓風機監(jiān)控系統(tǒng)總體方案設計本設計是基于PLC 的大型鼓風機監(jiān)控系統(tǒng)的設計，所以在本鼓風機的控制系統(tǒng)中需要將觸摸屏、PLC 、變頻器通過現(xiàn)場總線進行物理上的連接，組成一個網(wǎng)絡控制系統(tǒng)，來實現(xiàn)對鼓風機的監(jiān)控。利用觸摸屏程序設計軟件編寫本設計的觸摸屏程序，并設置好觸摸屏編程軟件和觸摸屏之間的相關

47、參數(shù)和通信協(xié)議，通過以太網(wǎng)將計算機和觸摸屏進行物理上的連接，將設計好的觸摸屏程序下載到觸摸屏中，來完成計算機和觸摸屏之間的通信。在PLC 編程軟件中設置好相關參數(shù)和硬件之間的通信協(xié)議，利用現(xiàn)場總線將觸摸屏、PLC 、變頻器以及現(xiàn)場其他設備進行物理連接，通過現(xiàn)場總線來完成觸摸屏和PLC 之間以及PLC 和現(xiàn)場設備之間的通信。3 基于PLC 的大型鼓風機的監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設計3.1 PLC 的選型PLC 機型的選擇應是在滿足控制要求的前提下，保證可靠、維護使用方便以及最佳的性能價格比。具體應考慮以下幾方面：1、性能與任務相適應對于小型單臺、僅需要數(shù)字量控制的設備，一般的小型PLC （如西門子公司的S

48、7-200系列、OMRON 公司的CPM1/CPM2系列、三菱的FX 系列等）都可以滿足要求。對于以數(shù)字量控制為主，帶少量模擬量控制的應用系統(tǒng)，如工業(yè)生產(chǎn)中常遇到的溫度、壓力、流量等連續(xù)量的控制，應選用帶有A/D轉換的模擬量輸入模塊和帶D/A轉換的模擬量輸出模塊，配接相應的傳感器、變送器（對溫度控制系統(tǒng)可選用溫度傳感器直接輸入的溫度模塊）和驅動裝置，并選擇運算、數(shù)據(jù)處理功能較強的小型PLC （如西門子公司的S7-200或S7-300系列、OMRON 的公司的CQM1/CQM1H系列等）。對于控制比較復雜，控制功能要求更高的工程項目，例如要求實現(xiàn)PID 運算、閉環(huán)控制、通信聯(lián)網(wǎng)等功能時，可視控制

49、規(guī)模及復雜程度，選用中檔或高檔機（如西門子公司的S7-300或S7-400系列、OMRON 的公司的C200H 或CV/CVM1系列、A-B 公司的Control Logix系列等）。2、結構上合理、安裝要方便、機型上應統(tǒng)一按照物理結構，PLC 分為整體式和模塊式。整體式每一I/O點的平均價格比模塊式的便宜，所以人們一般傾向于在小型控制系統(tǒng)中采用整體式PLC 。但是模塊式PLC 的功能擴展方便靈活，I/O點數(shù)的多少、輸入點數(shù)與輸出點數(shù)的比例、I/O模塊的種類和塊數(shù)、特殊I/O模塊的使用等方面的選擇余地都比整體式PLC 大得多，維修時更換模塊、判斷故障范圍也很方便。因此，對于較復雜的和要求較高的

50、系統(tǒng)一般應選用模塊式PLC 。根據(jù)I/O設備距PLC 之間的距離和分布范圍確定PLC 的安裝方式為集中式、遠程I/O式還是多臺PLC 聯(lián)網(wǎng)的分布式。對于一個企業(yè)，控制系統(tǒng)設計中應盡量做到機型統(tǒng)一。因為同一機型的PLC ，其模塊可互為備用，便于備品備件的采購與管理；其功能及編程方法統(tǒng)一，有利于技術力量的培訓、技術水平的提高和功能的開發(fā)；其外部設備通用，資源可共享。同一機型PLC 的另一個好處是，在使用上位計算機對PLC 進行管理和控制時，通信程序的編制比較方便。這樣，容易把控制各獨立的多臺PLC 聯(lián)成一個多級分布式系統(tǒng)，相互通信，集中管理，充分發(fā)揮網(wǎng)絡通信的優(yōu)勢。3、是否滿足響應時間的要求。由于

51、現(xiàn)代PLC 有足夠高的速度處理大量的I/O數(shù)據(jù)和解算梯形圖邏輯，因此對于大多數(shù)應用場合來說，PLC 的響應時間并不是主要的問題。然而，對于某些個別的場合，則要求考慮PLC 的響應時間。為了減少PLC 的I/O響應延遲時間，可以選用掃描速度高的PLC ，使用高速I/O處理這一類功能指令，或選用快速響應模塊和中斷輸入模塊。4、對聯(lián)網(wǎng)通信功能的要求。近年來，隨著工廠自動化的迅速發(fā)展，企業(yè)內小到一塊溫度控制儀表的RS-485串行通信、大到一套制造系統(tǒng)的以太網(wǎng)管理層的通信，應該說一般的電氣控制產(chǎn)品都有了通信功能。PLC 作為工廠自動化的主要控制器件，大多數(shù)產(chǎn)品都具有通信聯(lián)網(wǎng)能力。選擇時應根據(jù)需要選擇通信方式。5、其他特殊要求。考慮被控對象對于模擬量的閉環(huán)控制、高速計數(shù)、運動控制和人機界面（HMI ）等方面的特殊要求，可以選用有相應特殊I/O模塊的PLC 。對可靠性要求極高的系統(tǒng)，應考慮是否采用冗余控制系統(tǒng)或熱備份系統(tǒng)。因為在鼓風機監(jiān)控系統(tǒng)的設計中需要大量的模擬量信號輸入，同時要求實現(xiàn)PID 運算，所以在此設計中選用西門子S7-300系列PLC 。1、S7-300PLC 的系統(tǒng)結構S7-300 PLC 是模擬式中小型PLC ，電源、CPU 和其他模塊都是獨立的，可