武昌工学院本科毕业论文（设计）专用稿纸
系统的I/O地址分配如下表所示：
表4.1 I/O 地址分配
名称 输入信号 自动变频按钮 手动变频按钮 工频运行切换按钮 停止运行按钮 变频器1故障输入 变频器2故障输入 试灯铃按钮 消铃按钮 振动变送器输入 负压传感器输入 压力传感器输入 SF0 SF1 SF2 SF3 1RL1 2RL1 SF4 SF5 TF BP1 BP2 I0.0 I0.1 I0.2 I0.3 I0.4 I0.5 I1.0 I1.1 AIW0 AIW2 AIW4 AIW6 AIW8 AIW10 AIW12 地址编码 代码 地址编码 1#电机定子温度输入 BT1 1#电机轴承温度输入 BT2 2#电机定子温度输入 BT3 2#电机轴承温度输入 BT4
名称 输出信号 1#风机变频运行接触器 QA4，PG1 指示灯 1#风机工频运行接触器 QA3，PG2 指示灯 2#风机变频运行接触器 QA6，PG3 指示灯 2#风机工频运行接触器 QA5，PG4 指示灯 变频器1启动 变频器1故障复位
代码 Q0.0 Q0.1 Q0.2 Q0.3 Q0.4 Q0.5 1DIN1 1DIN3 13
武昌工学院本科毕业论文（设计）专用稿纸
变频器2启动 2DIN1 Q0.6 Q0.7 Q1.0 Q1.1 Q1.2 Q1.3 Q1.4 Q1.5 Q1.6 AQW0 变频器2故障故障复位 2DIN3 变频器故障信号灯 PG5 1#电机振动异常指示灯 PG6 2#电机振动异常指示灯 PG8 井巷压力下限指示灯 PG8 1#电机温度上限指示灯 PG9 2#电机温度上限指示灯 PG10 报警电铃 风压模拟量输出 PB --- 4.4 器件的选型
4.4.1PLC的选型
在进行PLC型号的选择时，要考虑控制系统实现的功能，选择低档机、中档机还是高档机。另外，还要考虑IO点数的要求，一般在确定控制系统的IO点数后，还要留有15%一20%备选IO点数。同时，还要考虑PLC的存储容量，还要留有30%一50%的裕量。最后还要根据系统的功能要求，考虑是否要选择模拟量输入/输出模块和特殊功能模块。
CPU226具有24输入/16输出，共40个数字量IO点；有2个RS485通信/编程接口；有PID控制器，具有PID自整定的功能；也有PPI/MPI和自由方式通信的能力。更大的存储空间，更强的扩展能力及更快的运行速度和强大的内部集成特殊功能，使其可以满足复杂的中小型控制系统的要求。
在本设计中共有8输入/11输出，7点模拟量输入和1点模拟量输出。综合上述条件，本系统选用Siemens公司S7-200系列CPU226的PLC。另外选用EM235模块和EM231模块。EM235模块有4点模拟量输入，1点模拟量输出。EM231有4点模拟量输入。同时由于本系统要求100～230V AC电源， DC24V输入，继电器输出，选择CPU226中ES7 216-2BD23-0XB0型号。CPU系统配置具体如下：
表4.2 CPU单元选型
功能 主控单元 模拟量扩展 通讯模块扩展 型号 CPU226 AC/DC/RELAY EM235 4AI/1DO EM231 4AI 以太网CP243-1 EM227
14
数量 1 1 1 1 1 武昌工学院本科毕业论文（设计）专用稿纸
4.4.2变频器的选型
1.变频器的容量选择
风机在某一转速下运行时,其阻转矩一般不会发生变化,只要转速不超过额定值,电动机也不会过载,一般变频器在出厂标注的额定容量都具有一定的余量安全系数,所以选择变频器容量与所驱动的电动机容量相同即可。若考虑更大的余量,也可以选择比电动机容量大一个级别的变频器,但价格要高出不少
2.变频器的运行控制方式选择
风机采用变频调速控制后,操作人员可以通过调节安装在工作台上的按钮或电位器调节风机的转速,操作十分简易方便。变频器的运行控制方式选择，可依据风机在低速运行时，阻转矩很小，不存在低频时带不动负载的问题，故采用V/F（恒压频比）控制方式即可。并且，从节能的角度考虑，V/F控制方式是最低的。
风机、泵类负载在一定的速度范围内运转时，空气或液体所产生的阻力大致与转速n的平方成正比，转矩按转速平方的变化而变化，这类负载称为平方转矩负载。根据变频器的选择原则，该系统中选用的是两台型号为Siemens MM430风机和泵类变转矩负载专用变频器。使用V/F控制方式的变频器来控制风机的转速。MicroMaster430是全新一代标准变频器中的风机和泵类变转矩负载专家，功率范围7.5kW至250kW。它按照专用要求设计，并使用内部功能互联（BiCo）技术，具有高度可靠性和灵活性。控制软件可以实现专用功能：多泵切换、手动/自动切换、旁路功能、断带及缺水检测、节能运行方式等。
本系统中实验风机的功率为2×4Kw，因此可以选择同样功率的变频器。 4.5变频器与PLC的连接
图4.3 变频器与PLC的连接
图4.3中变频器的故障信号输出接PLC的I0.4端口，PLC的输出端口Q0.4
15
武昌工学院本科毕业论文（设计）专用稿纸
与Q0.5接变频器的数字输入端DIN1和DIN3，用于变频器启动和停止控制。压力传感器采集的信号经PLC处理后，由EM235模块的3口和5口输出，连接MM430变频器的AIN+和AIN-端口，进而控制两台电机的运行。 4.6风量的控制算法 4.6.1变频器输入值计算
上面提到：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：
==
=
式中：
、—通风机调节前后的转速，r/min； 、—通风机转速调节前后的风压，Pa； 、—通风机转速调节前后的功率，W。
风机工频运行时，在稳定工作区的出气静压为88.2一2296.0Pa，风机管道的出气风量为1.50-2.66
/s假设某煤矿一井下掘进工作面需要19人工作，根据
《煤炭安全规程》规定每人每分钟需要的风量应不少于4m3/s，如设定为5m3/min，可计算出要求风机管道的出气风量为 Q=1.6m3/s。令=50Hz，
=2900r/min，=2.66m3/s，
=1.60m3/s，根据风机的比例定律，可求出掘进巷道开始掘进时，风
=(
/
)
=1744r/min。再根据风机转速与输入电源
机变频调速的起始速度
频率的线性关系，可估算出=(
/)
=30Hz。
=1.60m3/s时，变频器输出给风机的电源电压频率
当巷道中的管网阻力增加时，风机的风量随之减小，为了满足所需风量的要求，要调节风机的转速控制风机的风量。为了实现这一目的，本系统采用根据风机出气风压的变化进行风量的控制。首先，用压力传感器采集风机的出气风压。然后，根据风机的比例定律，把风压转换到风机额定转速下的压力。接着，根据风机额定转速下的压力一流量特性曲线方程，求出此风压下对应的风量大小。最后，再根据风机的比例定律，求出风量达到设定的1.6m3/s时，风机需要调整的
16
武昌工学院本科毕业论文（设计）专用稿纸
转速大小。由于变频器0-10V的模拟输入电压对应 0-50Hz的输出电压频率，而0~50Hz的电压频率又对应风机0-2900r/min的转速。根据此线性关系，可以求出风机达到需要调整的转速时，变频器需要的模拟输入电压值。其具体的理论算法如下图4.4所示。
图4.4 风机及管网风量-风压特性曲线
风机在刚开始启动时，风机的管网阻力最小为
，输入电源电压频率为
30Hz(变频器设定)，其工作的工况点为0。由实验数据，可知此工况点的风量=1.60m3/s，风压
=33.8Pa，风机转速
=1744r/min。根据变频器的输出频率与
其输入模拟电压的线性关系，可知=30HZ时，对应变频器的模拟输入电压=30/50量由
10=6.0V。当风机的管网阻力由减小到
增加到
，时，工况点由0到1，风，可由下面风机的比例关
。此时，压力传感器采集的压力为
系式求出工况点3的压力值。
(4-1)
17