基于PLC控制的变频通风机系统毕业设计.doc

1、 毕 业 设 计 （ 论 文 ） 题 目 ： 基于 PLC 控制的变频调速 通风 机系统 学生姓名 张海斌 指导教师 刘旭明 二级学院 机电工程 学院 专 业 电气工程及其自动化 班 级 11 电气一班 学 号 1104102012 提交日期 2015 年 5 月 14 日 答辩日期 2015 年 5 月 16日 金陵科 技学院学士学位论文 目录 I 目 录 摘 要 . III Abstract . IV 第一章 绪论 . 1 1.1 前言 . 1 1.2 国内外的研究水平及趋势 . 1 第二章 控制系统总体设计 . 3 第三章 硬件设计及选型 . 4 3.1 可编程控制器 . 4 3.1.1

2、 PLC 的 选型 . 4 3.1.2 PLC 与 PC 连接 . 4 3.2 模拟量输入扩展模块 . 5 3.2.1 A/D 的选型 . 5 3.2.2 PLC 与 A/D 模块连接 . 6 3.3 触摸屏 . 7 3.3.1 触摸屏的选型 . 7 3.3.2 触摸屏 与 PLC 连接 . 7 3.4 变频器 . 7 3.4.1 变频器的选型 . 7 3.4.2 变频器与通风机的连接 . 9 3.5 通风机 . 9 3.5.1 通风机的选型 . 9 3.6 温度传感器 . 11 3.6.1 温度传感器的选型 . 11 3.6.2 温度传感器与 A/D 模块的连接 . 11 第四章 系统软件设

3、计 . 13 4.1 西门子编程软件 . 13 4.1.1 创建本次程序 . 13 金陵科 技学院学士学位论文 目录 II 4.1.2 下载本次程序 . 14 4.1.3 PLC 系统流程图 . 15 4.1.4 PLC 接线图 . 17 4.1.5 PLC 程序分析 . 17 4.2 触摸屏编程软件 . 24 4.2.1 设置触摸屏变量 . 24 4.2.2 创建画面 . 25 4.2.3 运行系统 . 26 第五章 结论 . 31 参考文献 . 32 附 录 . 33 致 谢 . 39 金陵科技学院学士学位论文 摘要 III 基于 PLC 控制的变频调速通风机系统 摘 要 近年 来 我国

4、的 通风机 品种层出不穷，各个品种的通风机也具有各自不同特点的控制方式。关于 我国 传统 的通风机 工作 类型 ， 通 风机系统 的运行状态 大部分情况下都会 保持全功率，而且 由于主控 系统 的 控制方式 是 由 继电器 来实现 控制 ， 所以系统具有不可监测性和 不稳定性 ，这样会白白消耗大量的电能 ， 由于这些 缺陷 的存在 ， 必须要大幅改善 目前的 通风机控制系统 。因此目前 世界上 的 对通风机控制系统的 设计及研究都是基于 PLC 控制的， 目标都是要实现 煤矿 工作 的 自动化和 机械 化 ， 这样才能 节约 能量 ， 是通风机系统更加安全可靠 。 本系统 以煤矿中的 通风环境

5、 为基础创造 了模型，主要 控制对象 是 通风机 ， 本系统 采用 的主要元器件是 西门子 CPU224XP 型 PLC 、 1.5 k-740-700-FR 变频器及 轴流式 通风机， 现在由 PLC 来带动 变频器，变频器来 带动 电动机，就能很好地节约电能，节省人力。 本次 控制系统操作 便捷 、 运转牢靠、自动化水平 高。 解决了匀 速交流传动中 浪费能源的 问题，节能效果 显著，能 广泛 应用于通风系统等 各个 地方。 关键 字 ： PLC，变频调速，自动化，通风机 金陵科技学院学士学位论文 Abstract IV Variable speed fan control system

6、based on PLC Abstract In recent years, Chinas fan varieties of various varieties of fan emerge in an endless stream also has the different features of the control mode. About our traditional fan type, will maintain full power and operation state of ventilation system in most cases, and because the c

7、ontrol mode of the main control system is the relay control, so the system can not be monitored and unstable, it will have to consume a lot of energy, because of these defects, we must to improve the current fan control system. Therefore, in the world of design and Research on control system of vent

8、ilation machine is based on the PLC control, the goal is to realize the automation and mechanization of coal mine work, so as to save energy, isomer safe and reliable ventilation system. This system based on the ventilation environment in Coal Mine Based on creating model, the main control object is

9、 a true fan, the main components of this system is used in Siemens type CPU224XP, inverter and axial-flow fan, from now to drive the inverter, inverter to drive the motor, it can save electricity, save manpower. The control system of convenient operation, reliable operation, high automation level. T

10、o solve the energy waste problem in the uniform AC drive, obvious energy saving effect, can be widely used in various places such as ventilation systems. Key words: PLC, frequency control, automation, fan 金陵科技学院学士学位论文 第一章 绪论 1 第一章 绪论 1.1 前言 通风机 的 适用范围 非常 普遍 。 从工业革命到现在，全球的能源都在以一个很高的速度快速被消耗着，而且这个速度每时每

11、刻都在增加。 所以我们必须想办法创造出一种新的通风机控制方式来节省能源，并让环境减少破坏。 然而 大部分矿井 主通风机都 必须 不停地长期 运行 ,所以必须要在矿井中设计出一种节能、 减噪 型的通风机 控制系统 。从 20 世纪 80 年代 以 后 , 因为 新型科技 陆续出现和 实用性的提高 , 使得 通风机 在使用中更加高效的应用 ,不只是可以在更大的 调节范围 内对通风机进行调节 ,并且即使是在变负荷的情况下，通风机也能高效工作 。部分 国家还 将电脑和控制系统联合起来对 通风机 的风速和工作状态进行调节 , 而 这 就代表了今后通风机控制的主要发展方向。煤矿的主通风机担负着保护煤矿安

12、全和工作人员人身安全的重任 ， 所以它必须要以很大的功率长期运转 。 那么问题就产生了，这不但会消耗大量的能量 ， 而且会减少通风机的使用寿命 。 目前 在 煤矿矿井通风系统中， 绝大部分依然 使 用继电、接触器 的方式来控制通风机 ，但 是 这种控制系统 会 存在着 许多不可改良的缺陷，比如占据了大量的空间 、 不易维修、容易接错 线 、可靠性不高、 容错率低， 不易排除故障 等 诸多 毛病 ；并且 因为 工作通风机 会 长期处于 全频率工作状态 ， 而这个时候 备用通风机 并 不工作 ， 这样的话 主 通风机 就 很 容易 发生 毛病 ， 会严重影响 通风机的 正常使用 。 为了解决这些

13、问题， 并且要让工作人员能 够对电动机的工作状态进行实时监控，就必须要把可编程控制器 与变频器 巧妙地联接在一起 ， 并且把 矿井 瓦斯浓度 作为主要控制信号 ， 并节约了大量的能量 。 本次 使用可编程控制器对通风机进行控制，让通风机系统在发生各种问题如温度超标，瓦斯浓度超标是能自动切断电路，使 通风 机 系统的 自动化 技术 改良明确了 新的方向 。 1.2 国内外的研究水平及趋势 电子电学 随着全球工业的地 飞速迅猛发展 而发展 ， 陆续创造了各种各样的大功率的半导体器件 ， 让 交流 变频调速 方面的应用 也跟着提升 。 虽然只经过了短短的 20 多年， 但是 世界 上的 发达国家已

14、经不再使用直流调速技术 ，而是采用交流调速技术 ， 这说明 现在的发展趋势是交流调速 技术 取代直流调速 技术 。 当前许多国家及 一些发达国家 中 大部分都 采用变频调速 的 ，只有少部分才使用直流调速 。风机 在工作中被普遍使用 。而如何对 通 风机进行风量 大小的 控制， 一直以来都没有出色的措施 。通常 都是以 异步电动机 带动风机以 匀 速转动，当需要 选择风量 大小的 时 候，唯一的方法是 通过 调节挡风板 的位置 来 选择 风量 的大小 。这种控制风量 的方法 十分简陋 ， 既不能节约能量，也不能节约金钱， 更不能 改变 风速的大小 。 改善电气传动的方式就是要通过 合理地使用电

15、动机 的运行方式 来 节约能量 和 通过 控制机 械的运转状态 来 让电能 转化为机械能 ， 这样才能 提高产量 、 提升品质、节约能量 的目的。电 气 驱动 的方法 可以分成 2 种类型 ，调速 控制和 非 调速 控制， 其中 调速 控制的 类型 也分为 交流变频调速和直流调金陵科技学院学士学位论文 第一章 绪论 2 速 。非调速控制由电源控制 电机， 而且电力电子技术的飞速发展 ， 可以 节 约能量 ，提高产品的品质 ，增加 产品 的产出数量 。在我 们 国 家 ， 电动机消耗的大量的能源，占据了我国能量总消耗的大部分 ， 毫无疑问，这是 一个 支柱 产业， 政府对此相当关心，它的 规模

16、也在逐步扩大 。 金陵科技学院学士学位论文 第二章 控制系统总体设计 3 第二章 控制系统总体设计 第一步 ， 要 按照 轴流式 通风机的 具体 控制方法 ， 设计出相对应 的控制方案。第二步，按照设计出的方案画出系统原理图。第三步， 对 PLC、变频器、 瓦斯变送器和人机界面 等硬件进行 型号选择 并 完成主要连线 。 第四步，根据设计方案，完成 PLC 方面 的编程 ，然后按照轴流式 通风机实际 的控制 方法 ， 在组态软件中完成对触摸屏程序的编写。第五步，根据设计方案，对 1.5 k-740-700-FR 型变频器 设定合适的变量 ， 完成对通风机的加减速等各方面的控制 。本方案 选用

17、PLC 为 主要控制中 心，由 触摸屏 、 瓦斯浓度传感器 、 模拟量扩展 模块、变频器、温度变送器 等 部分 构 成 ， 系统 的 总体 框图 如 下 图 1-2 所示 。其主要完成任务是 根据瓦斯浓度自动调节风速的大小 。 触 摸 屏 P L C 变 频 器温 度A / D 扩 展模 块通 风 机瓦 斯 浓度图 2-1 系统总体框图 原理分析： 本系统 的 控制核心 是 PLC ，将 瓦斯浓度 传感器接收到的瓦斯浓度信号传送到模拟量扩展模块 ， 模拟量扩展模块将 接 收到的 模拟量信息转化为数字量信息 并传送 至 PLC 。并将这个 值与事先设置的一个定值相互比较 ， 如根 据比较结果的不

18、同，将会产生不同的输出信号， PLC根据输出信号的不同也会给变频器输出一个控制信号，变频器就根据这个控制信号控制通风机的工作方式，并以这个方式稳定运转 。 可以通过触摸屏查看通风机的工作状态，并对其进行实时监控 。 金陵科技学院学士学位论文 第三章 硬件设计及选型 4 第三章 硬件设计及选型 3.1 可编程控制器 3.1.1 PLC 的 选型 PLC 的处理核心是微处理器 ， 它是 一种非常普遍的自动工控装置，是 基于 计算机 控制 、自动原理 和通信 通讯而 产生的 ， 以 结构 来 分 类 ， PLC 可以分成 两 种 类 型 ，即整体型与模块型 ，以 应用环境 来 分 类 ， PLC 可

19、以分成控制室安装 型 与现场安装 型 ； 以 CPU 的 字长 来分类 ， PLC又可以分成 1位 、 4位 、 8位 等。 如果 从应用角度出发， 就 可 以分为 控制功能 型或输入输出点数型。 PLC 与 计算机结构 类似 ， 组成部分有中央处理单元， 存储器，输入输出模式 、 I/O 模块、通信模块和电源 等 。 按照实际情况 ， PLC 选择了 西门子 PLC 的 200-S7 系列。如图 1-3 西门子PLC 是 CPU224XP ， 应用范围十分广泛 。 和 系统 相配合使用的时候， PLC 比较灵便。 编程 使用 简单 ;还有各种各样的种类供大家根据自身具体需求而选择 ;反应时间

20、快 ;用途 十分广泛。还能和一些简易 的外部设备 进行交流 。 图 3-1 CPU224XP 3.1.2 PLC 与 PC 连接 要想实现 PC 和 PLC 间的连接，先将数据线的一端连接到 PLC 的 RS-485 接口 上，再将数据线的另一端连接到 PC 的 USB 接口上 ，再通过 STEP7 把 事先设计完成 的程序下载 至 PLC ，就实现 了 PLC 与 PC 之间的通讯与连接 。 金陵科技学院学士学位论文 第三章 硬件设计及选型 5 3.2 模拟量输入扩展模块 3.2.1 A/D 的 选型 模拟量 并不是一个定 值，它可以在一定的范围内 随意 变化 ， 这个状态是 跟 数字量 截

21、然相反 的 。 一般来说 模拟量 是 用于表示 具体 的电压电流 信号 和 频率 信号 。 模拟量输入 模块是一 种通过 采集模拟量 信号并用 485 总线传输到 PLC 上 使之变成数字量信号 的智能模块。 它所使用的 通信协议 是 MODBUS RTU 协议， 和施工 现场 取得的数据 进行了 实时交流 ，编程 简单 快捷 。 根据 PLC 的型号选择与之相对应的图 3-2 西门子 EM231。 图 3-2 EM231 从 图 3-3 中 可以看出如何 用组态 DIP 开关来组态 EM 231 模块。 一切 输入 量 的模拟量输入量程都是完全一样 。在 图 3-3 中， ON 表示 接通 ， OFF 表示不通 。想要 读取开关设置 ，必须先接通电源 。 然后抉择 231 EM 模拟量输入和 4/8 输入的模拟量输入量程 。 若选择 8 输入模块和 开关 三，四，五 作为 模拟量 的 选择量程的 时 候 ， 就要利用 开关 一 和 二 来选择电流 的 输入方式 。 若要选择通道六作为电流输入方式时，开关一就要处于打开状态，若要选择通道六作为电压输入方式 时，开关一就要处于闭合状态 开关。 若要选择通道七作为电流输入方式时，开关二就要处于打开状态，若要选择通道七作为电压输入方式 时，开关二就要处于闭合状态 。