基于PLC控制的变频通风机系统(毕业设计)

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

摘要............................................................ I II Abstract .......................................................... I V 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 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)

第四章系统软件设计 (13)

4.1西门子编程软件 (13)

4.1.1创建本次程序 (13)

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)

基于PLC控制的变频调速通风机系统

摘要

近年来我国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、 1.5k

FR变频器及轴流式通风机，现在由PLC来带动变频器，

700

740

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

Variable speed fan control system based on PLC

Abstract

In recent years, China's 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 control 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 ventilation 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 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. To 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

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

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，它的规模也在逐步扩大。

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 1.5k

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。

700

740

本方案选用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。

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。

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。

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。

图3-3组态DIP开关

3.2.2 PLC与A/D模块连接

要实现模拟量扩展模块与PLC的通信，首先通过PLC来输出24

电源给模拟量扩展模块供电，即将模拟量扩展模块上的“L”电源端连接上PLC输出“L”，然后将模拟量扩展模块上的“M”端连接上PLC上的“M”端，就完成PLC与模拟量扩展模块之间的接线。

扩展模块中自带一个55mm的扩展电缆，先把电缆的一端接口从扩展模块中拿出，然后插到PLC上相对应的接口中。

模拟量输入模块和PLC的接线方法，如图3-4所示。

图 3-4 PLC与A/D模块连接

3.3 触摸屏

3.3.1触摸屏的选型

人机界面（HMI HMI

Machine

Human ）产品，也被大家称为“触摸屏”，它可

Interface

以用于连接PLC、PWM、变频器、传感器等一系列的自动工控设施，并通过显示屏控制，利用触摸屏界面来写入操作指令，就可以进行人机信息互传的一种电子设备，分为硬件和软件这两个种类。西门子SMART是电子操作面板，它的功能较多比如可以进行开关操作、指示灯的显示、事实显示数据和信息和其他的较复杂的操作，不仅可以减少元器件的数量，而且可以减少系统的故障率。可以用WINCC在电脑上编写出一个触摸屏程序，再将程序导入触摸屏中，就可以在触摸屏上对系统进行实时监控。若要实现SMART 的各个应用，可以通过在WINCC上编写指示灯元件，开关元件，数据等一系列元件来创造一个触摸屏画面；紧接着可以在变量设置中设置PLC中I/O点与触摸屏元件的对应关系实现画面内各个元件的动作方式；最后用USB接口把编写完成触摸屏程序导入到触摸屏中。

本次设计选择与PLC相配套的西门子SMART 700触摸屏。实物图如图3-5所示

图3-5 触摸屏

3.3.2 触摸屏与PLC连接

要实现触摸屏和PC的通讯，需要用一根数据线将PLC和触摸屏连接起来，数据线的两端都是RS-485接口。

3.4 变频器

3.4.1 变频器的选型

变频器选型不是只看负载的功率就行的，电流的大小对选型起决定性作用，通常来说，

额定电流必须要得小于等于变频器自身的额定电流。在变频器发展的初期阶段，V/F 控制方式是最普遍，随着变频器的发展，矢量控制也变得越来越普遍。由于控制方式的不同，这两种控制方式都具备不同的优缺点。因为开环控制比闭环控制的精度低，所以矢量控制比V\F 控制精度高。当拖动的电机质量较大时，矢量控制比V/F 控制好，因为它的低频扭矩较低。用矢量控制的变频器结构更加复杂，精密度较高，稳定性较好，所以它的价格也比V/F 控制的变频器价格高。本次设计采用额定容量为2.7kVA 的 1.5k -740-700-FR 变频器，这款的电机额定容量是1.5kW ，它的频率可以在-5%+的范围内进行改变，加/减速时间可以随意在3600s -0内进行调节，也有S 形和直线两种加减速方法。本次毕业设计所选 1.5k -740-700-FR 型变频器得实物图如图6-3.

图3-6 变频器

参数说明

Pr1：上限频率设定范围 0~120Hz 设定为50 Hz

Pr2：下限频率设定范围 0~120Hz 设定为0 Hz

Pr3：基准频率设定范围 0~400Hz 设定为50 Hz

Pr7：加速时间设定范围 0～3600/ 360s

Pr8：减速时间设定范围 0～3600/ 360s 设定的越小，即可快速停转

Pr37：转速显示设定范围为0，9998~1 0：代表频率显示，设定范围为9998~1：设定值为60Hz 时的机械速度

Pr73：模拟量输入选择

Pr79：运行模式选择设定范围0，1，2，3，4，6，7，当10Pr.79、=时,变频器是PU 工作操作模式。若2Pr.79=，变频器是外部工作状态。若43Pr.79、=，变频器是组合工作操作模式。

Pr117：PU 通讯站号设定范围为0~31.

Pr118：PU通讯速率设定范围为48，96，192，384，设定速率。设定值x100为通讯速率。需设置成与PLC相同的波特率方可通信成功。

3.4.2 变频器与通风机的连接

变频器的U V W段连接了交流接触器，要让电路安全稳定地运行下去，必须要添加热继电器，这样当通风机在发生过载情况时，就可以及时切断电路，减少了热能量损耗。变频器与通风机的连接如图3-7所示。

图3-7变频器与通风机的连接

3.5 通风机

3.5.1 通风机的选型

通风机是一种通过电机转动产生的机械能，来增加气缸内压力并将气体排出的一种设备，它是一种从动型的流体设备。它的排气压力通常都小于10

1.5 帕。风机可以分为右旋型和左旋型这两种。选择电动机正面观察，如果电动机的叶轮的旋转方向不是逆时针，则把它叫做右旋，相对应的如果电动机的叶轮旋转方向是逆时针，则称为左旋。轴流式通风机组成部位稳定，占地空间小，且易于搬运，如电动机具有较高的转速，那么就可以通过简单的连接方式直接拖动轴流式通风机，不过由于其复杂的结构，所以维修起来有较大的难度；轴流式对旋风机是煤矿生产过程中被普遍使用，它的优点是能够调节风量的大小，还能在矿区范围内反风。

轴流式通风机的特征是能量利用率高，产生的风量足，不产生过大的杂音，而且节省了大量的能源。轴流式对旋式通风机的近几年的发展速度较快，它的应用范围也随之不断提高。轴流式对旋式通风机上有一个密闭罩，密闭罩里存放着电机，密闭罩起保护作用，可以在一定程度上防止外力损坏电机，同时也能赛热。因此本设计选用的是轴流式通风机。如图2-8所示

图3-8 轴流式通风机

通风机工作参数

风量Q：单位时间内通过的气体体积，单位：3/h风压：单位体积的气体经过通风机所取得的能量，单位：Pa

（1）全压H：通风机产生的所有能量。

（2）静压Hst：用于抵消通风管路阻力的能量。

（3）动压Hd：散失到空气中的能量。

H+

Hst

（4）转速n：通风机的叶轮在60秒内转过的圈数，单位：r/min。

（5）功率N：

a.轴功率Na——电动机送给风机轴的功率就是输入功率，单位：kW。

b.有效功率N——风机送给气体的功率就是输出功率，单位：kW。

c.效率?:风机的Na和N的比值。

3.6 温度传感器

3.6.1 温度传感器的选型

温度传感器是根据不同温度情况下，物质的物理特性会随之改变的特性从而将温度信号转换为模拟量信号的一种变送器。温度传感器的热电阻最常见的应用范围是中低温区。测量的精度高及性能的稳定是它的主要特点。在这之中测量精确度最高的是铂热电阻，所以它不仅仅在工业测温中被广泛引用，也被制作成了基准仪。

本次毕业设计所使用的是SBWZ热电阻型温度变送器，这种传感器的温度测量范围为0-100度。它由纯金属制造而成，它的反应速度较快、而且电阻率不低，纯金属材料所体现的复现性较好，它的热容量相对也不高，价格较低、在测量范围内化学物理特性较稳定、热敏电阻温度特性较稳定等特性，实物如图3-9所示。

图3-9温度传感器

3.6.2 温度传感器与A/D模块的连接

温度变送器与模拟量扩展模块的连接，首先将用不到的输入端短接端，再把要使用的通道中的“A+”端与“RA”端相接，然后把传感器的另一端与直流24V电源的正极相连接，从外部输入的信号是模拟量信号，因为温度变送器的接线方法只能采用两线制电流输出，所以把传感器的电流信号端与模拟量扩展模块的信号端相连接。

传感器与模拟量扩展模块的实际接线方法，如图3-10所示。

图3-10传感器与A/D模块的连接

第四章系统软件设计

4.1西门子编程软件

西门子PLC编程软件兼容最新款。经过多年的研究改良了原有的互联网方向：兼容Boot 与DHCP。控制器功能中已经集成了ve

LON。

ProfibusFM和 Works

Prefabs,S

Master/Sla

利用server

web进行监控。储存HTML网页、图片、PDF文件等到控制器里，这样就可以用浏览器查看扩展操作系统功能。我选择使用西门子SP9

V4.0软件，

STEP

WIN

Micro

S7至今，已经改善了许多次，目前最新的版本是

Micro/Win:从1996年推出第一代200

V4.0，和SP8的改良是全面支持Windows7。STEP7内部自带了语句表与梯形图、功能SP9

图这三种编程方式。

Windows和bit

64操

V4.0

Micro/WIN支持：bit

SP9

SP3

作系统。

SMART：西门子2012年发布了SMARTPLC

S7, 这款PLC是基于中国用户开发的，

200

采用了独立的软件编程，这款软件是在 Win

Micro基础上升级而来的，所以不要激活码，此软件所占据的空间的大小是84.1M，友好的人机界面，简洁明了的菜单，运行简单，指令和S7的STEP7可以相互使用，而且STEP7还提供了窗口浮动应用，并且可以在多个屏幕200

上进行显示。

STEP7内部自带了语句表与梯形图、功能图这三种编程方式。

4.1.1创建本次程序

双击STEP7打开软件，新建程序并保存为通风机编程系统，如图4-1所示

图4-2创建程序

保存项目，如图4-2所示：

1. 从菜单栏中点击文件然后另存为。

2. 从“另存为”的文件名中输入通风机编程系统。

3. 最后点击“保存”来保存此程序。完成保存此程序的操作后，就能把通风机编程系统下载至200

S。

图4-2 保存程序

4.1.2下载本次程序

下载步骤：

1.先通过点击工具栏中的下载按钮或者是在命令菜单中选择文件进行下载；

2.然后点击“确定”按钮下载本次程序到S7—200中。如果这时候S7—200正处于运

行模式，那么将会弹出一个对话框来提示CPU即将进入STOP模式。此时只要单单机“是”，S7-200就会变成STOP状态。

图4-3 下载程序

假如想利用-Micro/WIN

S7的工作

S7设置为运行状态，那么-200

STEP软件把-200

状态就必须要设置成TERM或者是RUN。如果-200

S7位于RUN状态，PLC就会执行程序：

1. 首先单击工具栏中的运行按钮或者是在命令指令中点击PLC中的RUN。

2. 然后点击“是”就可以改变PLC的工作状态。

如果-200

S7已经转为运行状态，CPU就会开始执行本次程序，这时候 Q0.0的输LED -

指示灯会闪烁。这就表明-200

S7已经转入RUN模式。

当选择调试> 程序状态来监控程序的时候。STEP 7--Micro/WIN就会显示执行结果。如果要停止当前程序，可以通过单击STOP按钮或者选择命令指令PLC中的STOP将-200

选择为STOP状态。

4.1.3 PLC系统流程图

软件设计分为两大部分，第一部分是通过PLC对通风机、温度信号、瓦斯信号、变频器等装置的实时通讯，总体流程图如图4

4所示，另一部分是通过PLC与变频器的主从应答式RS通信，通信参数的具体设置是由变频器内部决定的。在工作状态下PLC是主动状态，232

它会不停地监控外部变量的变化，当外部有数字量信号输入时，会将数字量信号与一个定值进行比较，并根据比较结果输出一个信号给变频器。此时变频器才能开始动作，并根据接收到的信号来控制电机的动作。瓦斯浓度传感器可以把由大气中取得的模拟量信号送至模拟量扩展模块，进而实现对PLC的实时控制。