PLC在通风机自动化变频中的应用

路晓宇　付亮　刘毅

摘 要 （PLC）Programmable Logic Controller可编程逻辑控制器是计算机家族中的一员，1968年诞生于美国通用汽车生产线上。它代替了继电器实现逻辑控制，是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。伴随着节能的理念，PLC变频技术也得到了快速的发展，广泛应用于各种自动化控制领域。

关键词 可编程序控制器；PLC；通风机；变频控制

中图分类号：TD635 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）14-0103-02

在当今煤炭行业中，保障煤矿安全的主要通风设备是煤矿风机，365天昼夜运转且功率较大。对于传统风机控制方式，风机长期处于全功率下运行，造成大量电能浪费，利用变频器驱动通风机运行结合PLC控制技术，选择适合的变频器，通过改变风机的转速，达到改变风机风量的目的，根据生产工艺的需要，调节合适的风量，降低风机的运行能耗，节省大量的电能，同时还可以实现局部通风机的无级平滑调速，大幅度提高煤矿自动化安全生产的水平。

本文以陕西旬邑青岗坪煤矿通风机房为例，简述PLC在通风机自动化变频中的应用。青岗坪煤矿通风机房配备两台通风机，每台风机配备两台200 kW的电动机，通风机设备一用一备。

首先，针对风机设备的性能要求和需要实现的自动化功能，选择合理可行的最佳控制方案。其次，根据控制方案，对PLC控制系统、变频器等进行选型配置，最终设计系统的主回路和控制电路。

1 控制系统网络结构及PLC选型

1.1 控制系统网络结构

控制系统网络采用三层网络结构：信息层、控制层和设

备层。

1）信息层：通过以太网传输信息，用于风机设备的数据采集和程序维修，最终通过工业以太网接入矿井综合自动化系统网络，实现通风机房集中控制系统信息的上传。

2）控制层：采用控制网、ControlNet网和第三方SFK网等通讯技术，通过实时I/O控制、控制器互锁和报文传送，实现全系统的高效集成。

3）设备层：PLC的I/O控制分站与外界电气设备硬连接线，完成现场信号的采集、命令执行等功能。与第三方设备采用总线通讯协议通信，实现信息交换。

三级网络之间的互联互通将由带背板通讯功能的ControlLogix网关来桥接或传送网络之间的控制及信息数据，通过软件编程配置，实现异构网络之间及异型数据库之间的无障碍贯通。

通风机监测仪中有小型的PLC，数据可通过总线接口连接至ControlLogix的各分站的ControlNet或DH+总线上，构成一个现场总线控制网络。

1.2 系统软、硬件选型

1）上位机采用研华高档工控机。

2）通讯采用以太网。

3）组态软件采用INTOUCH。

4）集控显示屏采用LCD显示器，直接把工控机上的组态画面传给显示器，使风机的运行状态更直观。

1.3 PLC的基本构成及选型

PLC由电源单元、中央处理单元（CPU）、存储器、输入输出接口电路、功能模块及通信模块构成。

本系统选用Rockwell Automation的新一代控制平台ControlLogix的PLC作为主控站。ControlLogix通过高性能的工业控制网络EtherNet/IP、ControlNet及其处理单元、过程I/O、人机接口和过程控制软件Logix5000以及RSView等来完成风机的控制，并与变频器连接完成高速的逻辑控制和调节控制动能，将风机设备的状态和事件通过标准的EtherNet/IP和ControlNet通讯网络传递给操作员工作站，并将控制命令通过该网络传递给控制系统，在机旁设有手动操作按钮用于手动试车、维护和应急操作以满足各种运行工况的要求，以确保通风设备安全、高效运行。

该系统选用AB的1756系列PLC，本着安全性、实用性、经济性等设计原则，选用1756-L62系列CPU、1756-IM16I型的16点数字量交流220 V输入模块、1756-OW16I型的16点数字量交流220 V输出模块、1756-IF16型的16点模拟量交流

220 V输入模块，1756-OF8型的8点模拟量交流220V输出模块，1756-ENBT联网模块通过EtherNet网络上传信号，1756-PA75电源模块。此外，为了能够实时监测风机电机的轴承及定子温度，采用风机监测仪来进行温度的实时巡检。

2 变频器的分类

变频器按变化环节来分，分为交-直-交变频器和交-交变频器两种。目前，交-直-交变频器是使用最多的通用变频器。变频器的调速过程就是将变频器的频率和电压同步进行调整的一个过程。实现方式为：先把交流电，通过整流电流，变成直流电，再把直流电通过逆变电路，变成我们所需要的、电机可以接受的交流电，从而达到了变频、变压、调速的目的。

通风机设备负载的特点是转矩与转速的平方成正比，低速转矩小，实际运行负载基本不变，可选用通用变频器，改变风机的转速，从而改变风量。

3 系统的总体设计

3.1 远程控制系统原理

我们设计两台通风机采用4台高压开关柜，每台高压柜上加装上海南自的微机综合自动化保护装置，形成10 kV综合自动化系统。该系统采用面向对象的设计方法，以用电间隔为一基本单元，保护、测控功能综合考虑，配合先进的网络通讯功能，可实现遥测、遥信、遥控、遥调四遥功能。微机综合自动化系统采用通讯管理机RS一485接口，将四台10 kV电机的实时运行状态参数同步传送至PLC，再通过以太网将实时数据发往远程的计算机服务器，同时将远程服务器发来的控制信号传给PLC，实现风机的实时控制与监测，并通过集控室的人机界面将各被监控状态进行显示报警。

3.2 设计主回路

青岗坪煤矿通风机房应业主要求，采用变频一拖二模式。为保障风机设备运行安全，主回路设计为两种运行方式：工频运行和变频运行。变频主回路由一台智能变频器和两台断路器组成，为通风机的主运行回路；工频部分设计为变频部分的备用回路，当变频系统发生故障时，工频系统启动并全速正常运行风机。

主回路图设计如图2。

4 系统评价

应用PLC控制的变频调速监控系统，实现了煤矿自动化操作。变频调速技术应用于通风机上，延长了风机的使用寿命、实现了软启动的功能、减少风机启动时对电网的冲击，降低风机故障率同时起到了节能的作用。变频技术结合PLC控制，操作简单、便于管理，实现通风机房自动化操作。但变频器造价高，尤其中高压变频器，占地空间大且安装不方便。

参考文献

[1]变频器的分类.百度文库，2012.

[2]GB 50450-2008煤矿主要通风机站设计规范.

[3]Controllogix系列可编程序控制器产品目录.

[4]变频器产品目录及选型指南.endprint

摘 要 （PLC）Programmable Logic Controller可编程逻辑控制器是计算机家族中的一员，1968年诞生于美国通用汽车生产线上。它代替了继电器实现逻辑控制，是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。伴随着节能的理念，PLC变频技术也得到了快速的发展，广泛应用于各种自动化控制领域。

关键词 可编程序控制器；PLC；通风机；变频控制

中图分类号：TD635 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）14-0103-02

在当今煤炭行业中，保障煤矿安全的主要通风设备是煤矿风机，365天昼夜运转且功率较大。对于传统风机控制方式，风机长期处于全功率下运行，造成大量电能浪费，利用变频器驱动通风机运行结合PLC控制技术，选择适合的变频器，通过改变风机的转速，达到改变风机风量的目的，根据生产工艺的需要，调节合适的风量，降低风机的运行能耗，节省大量的电能，同时还可以实现局部通风机的无级平滑调速，大幅度提高煤矿自动化安全生产的水平。

本文以陕西旬邑青岗坪煤矿通风机房为例，简述PLC在通风机自动化变频中的应用。青岗坪煤矿通风机房配备两台通风机，每台风机配备两台200 kW的电动机，通风机设备一用一备。

首先，针对风机设备的性能要求和需要实现的自动化功能，选择合理可行的最佳控制方案。其次，根据控制方案，对PLC控制系统、变频器等进行选型配置，最终设计系统的主回路和控制电路。

1 控制系统网络结构及PLC选型

1.1 控制系统网络结构

控制系统网络采用三层网络结构：信息层、控制层和设

备层。

1）信息层：通过以太网传输信息，用于风机设备的数据采集和程序维修，最终通过工业以太网接入矿井综合自动化系统网络，实现通风机房集中控制系统信息的上传。

2）控制层：采用控制网、ControlNet网和第三方SFK网等通讯技术，通过实时I/O控制、控制器互锁和报文传送，实现全系统的高效集成。

3）设备层：PLC的I/O控制分站与外界电气设备硬连接线，完成现场信号的采集、命令执行等功能。与第三方设备采用总线通讯协议通信，实现信息交换。

三级网络之间的互联互通将由带背板通讯功能的ControlLogix网关来桥接或传送网络之间的控制及信息数据，通过软件编程配置，实现异构网络之间及异型数据库之间的无障碍贯通。

通风机监测仪中有小型的PLC，数据可通过总线接口连接至ControlLogix的各分站的ControlNet或DH+总线上，构成一个现场总线控制网络。

1.2 系统软、硬件选型

1）上位机采用研华高档工控机。

2）通讯采用以太网。

3）组态软件采用INTOUCH。

4）集控显示屏采用LCD显示器，直接把工控机上的组态画面传给显示器，使风机的运行状态更直观。

1.3 PLC的基本构成及选型

PLC由电源单元、中央处理单元（CPU）、存储器、输入输出接口电路、功能模块及通信模块构成。

本系统选用Rockwell Automation的新一代控制平台ControlLogix的PLC作为主控站。ControlLogix通过高性能的工业控制网络EtherNet/IP、ControlNet及其处理单元、过程I/O、人机接口和过程控制软件Logix5000以及RSView等来完成风机的控制，并与变频器连接完成高速的逻辑控制和调节控制动能，将风机设备的状态和事件通过标准的EtherNet/IP和ControlNet通讯网络传递给操作员工作站，并将控制命令通过该网络传递给控制系统，在机旁设有手动操作按钮用于手动试车、维护和应急操作以满足各种运行工况的要求，以确保通风设备安全、高效运行。

该系统选用AB的1756系列PLC，本着安全性、实用性、经济性等设计原则，选用1756-L62系列CPU、1756-IM16I型的16点数字量交流220 V输入模块、1756-OW16I型的16点数字量交流220 V输出模块、1756-IF16型的16点模拟量交流

220 V输入模块，1756-OF8型的8点模拟量交流220V输出模块，1756-ENBT联网模块通过EtherNet网络上传信号，1756-PA75电源模块。此外，为了能够实时监测风机电机的轴承及定子温度，采用风机监测仪来进行温度的实时巡检。

2 变频器的分类

变频器按变化环节来分，分为交-直-交变频器和交-交变频器两种。目前，交-直-交变频器是使用最多的通用变频器。变频器的调速过程就是将变频器的频率和电压同步进行调整的一个过程。实现方式为：先把交流电，通过整流电流，变成直流电，再把直流电通过逆变电路，变成我们所需要的、电机可以接受的交流电，从而达到了变频、变压、调速的目的。

通风机设备负载的特点是转矩与转速的平方成正比，低速转矩小，实际运行负载基本不变，可选用通用变频器，改变风机的转速，从而改变风量。

3 系统的总体设计

3.1 远程控制系统原理

我们设计两台通风机采用4台高压开关柜，每台高压柜上加装上海南自的微机综合自动化保护装置，形成10 kV综合自动化系统。该系统采用面向对象的设计方法，以用电间隔为一基本单元，保护、测控功能综合考虑，配合先进的网络通讯功能，可实现遥测、遥信、遥控、遥调四遥功能。微机综合自动化系统采用通讯管理机RS一485接口，将四台10 kV电机的实时运行状态参数同步传送至PLC，再通过以太网将实时数据发往远程的计算机服务器，同时将远程服务器发来的控制信号传给PLC，实现风机的实时控制与监测，并通过集控室的人机界面将各被监控状态进行显示报警。

3.2 设计主回路

青岗坪煤矿通风机房应业主要求，采用变频一拖二模式。为保障风机设备运行安全，主回路设计为两种运行方式：工频运行和变频运行。变频主回路由一台智能变频器和两台断路器组成，为通风机的主运行回路；工频部分设计为变频部分的备用回路，当变频系统发生故障时，工频系统启动并全速正常运行风机。

主回路图设计如图2。

4 系统评价

应用PLC控制的变频调速监控系统，实现了煤矿自动化操作。变频调速技术应用于通风机上，延长了风机的使用寿命、实现了软启动的功能、减少风机启动时对电网的冲击，降低风机故障率同时起到了节能的作用。变频技术结合PLC控制，操作简单、便于管理，实现通风机房自动化操作。但变频器造价高，尤其中高压变频器，占地空间大且安装不方便。

参考文献

[1]变频器的分类.百度文库，2012.

[2]GB 50450-2008煤矿主要通风机站设计规范.

[3]Controllogix系列可编程序控制器产品目录.

[4]变频器产品目录及选型指南.endprint

摘 要 （PLC）Programmable Logic Controller可编程逻辑控制器是计算机家族中的一员，1968年诞生于美国通用汽车生产线上。它代替了继电器实现逻辑控制，是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。伴随着节能的理念，PLC变频技术也得到了快速的发展，广泛应用于各种自动化控制领域。

关键词 可编程序控制器；PLC；通风机；变频控制

中图分类号：TD635 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）14-0103-02

在当今煤炭行业中，保障煤矿安全的主要通风设备是煤矿风机，365天昼夜运转且功率较大。对于传统风机控制方式，风机长期处于全功率下运行，造成大量电能浪费，利用变频器驱动通风机运行结合PLC控制技术，选择适合的变频器，通过改变风机的转速，达到改变风机风量的目的，根据生产工艺的需要，调节合适的风量，降低风机的运行能耗，节省大量的电能，同时还可以实现局部通风机的无级平滑调速，大幅度提高煤矿自动化安全生产的水平。

本文以陕西旬邑青岗坪煤矿通风机房为例，简述PLC在通风机自动化变频中的应用。青岗坪煤矿通风机房配备两台通风机，每台风机配备两台200 kW的电动机，通风机设备一用一备。

首先，针对风机设备的性能要求和需要实现的自动化功能，选择合理可行的最佳控制方案。其次，根据控制方案，对PLC控制系统、变频器等进行选型配置，最终设计系统的主回路和控制电路。

1 控制系统网络结构及PLC选型

1.1 控制系统网络结构

控制系统网络采用三层网络结构：信息层、控制层和设

备层。

1）信息层：通过以太网传输信息，用于风机设备的数据采集和程序维修，最终通过工业以太网接入矿井综合自动化系统网络，实现通风机房集中控制系统信息的上传。

2）控制层：采用控制网、ControlNet网和第三方SFK网等通讯技术，通过实时I/O控制、控制器互锁和报文传送，实现全系统的高效集成。

3）设备层：PLC的I/O控制分站与外界电气设备硬连接线，完成现场信号的采集、命令执行等功能。与第三方设备采用总线通讯协议通信，实现信息交换。

三级网络之间的互联互通将由带背板通讯功能的ControlLogix网关来桥接或传送网络之间的控制及信息数据，通过软件编程配置，实现异构网络之间及异型数据库之间的无障碍贯通。

通风机监测仪中有小型的PLC，数据可通过总线接口连接至ControlLogix的各分站的ControlNet或DH+总线上，构成一个现场总线控制网络。

1.2 系统软、硬件选型

1）上位机采用研华高档工控机。

2）通讯采用以太网。

3）组态软件采用INTOUCH。

4）集控显示屏采用LCD显示器，直接把工控机上的组态画面传给显示器，使风机的运行状态更直观。

1.3 PLC的基本构成及选型

PLC由电源单元、中央处理单元（CPU）、存储器、输入输出接口电路、功能模块及通信模块构成。

本系统选用Rockwell Automation的新一代控制平台ControlLogix的PLC作为主控站。ControlLogix通过高性能的工业控制网络EtherNet/IP、ControlNet及其处理单元、过程I/O、人机接口和过程控制软件Logix5000以及RSView等来完成风机的控制，并与变频器连接完成高速的逻辑控制和调节控制动能，将风机设备的状态和事件通过标准的EtherNet/IP和ControlNet通讯网络传递给操作员工作站，并将控制命令通过该网络传递给控制系统，在机旁设有手动操作按钮用于手动试车、维护和应急操作以满足各种运行工况的要求，以确保通风设备安全、高效运行。

该系统选用AB的1756系列PLC，本着安全性、实用性、经济性等设计原则，选用1756-L62系列CPU、1756-IM16I型的16点数字量交流220 V输入模块、1756-OW16I型的16点数字量交流220 V输出模块、1756-IF16型的16点模拟量交流

220 V输入模块，1756-OF8型的8点模拟量交流220V输出模块，1756-ENBT联网模块通过EtherNet网络上传信号，1756-PA75电源模块。此外，为了能够实时监测风机电机的轴承及定子温度，采用风机监测仪来进行温度的实时巡检。

2 变频器的分类

变频器按变化环节来分，分为交-直-交变频器和交-交变频器两种。目前，交-直-交变频器是使用最多的通用变频器。变频器的调速过程就是将变频器的频率和电压同步进行调整的一个过程。实现方式为：先把交流电，通过整流电流，变成直流电，再把直流电通过逆变电路，变成我们所需要的、电机可以接受的交流电，从而达到了变频、变压、调速的目的。

通风机设备负载的特点是转矩与转速的平方成正比，低速转矩小，实际运行负载基本不变，可选用通用变频器，改变风机的转速，从而改变风量。

3 系统的总体设计

3.1 远程控制系统原理

我们设计两台通风机采用4台高压开关柜，每台高压柜上加装上海南自的微机综合自动化保护装置，形成10 kV综合自动化系统。该系统采用面向对象的设计方法，以用电间隔为一基本单元，保护、测控功能综合考虑，配合先进的网络通讯功能，可实现遥测、遥信、遥控、遥调四遥功能。微机综合自动化系统采用通讯管理机RS一485接口，将四台10 kV电机的实时运行状态参数同步传送至PLC，再通过以太网将实时数据发往远程的计算机服务器，同时将远程服务器发来的控制信号传给PLC，实现风机的实时控制与监测，并通过集控室的人机界面将各被监控状态进行显示报警。

3.2 设计主回路

青岗坪煤矿通风机房应业主要求，采用变频一拖二模式。为保障风机设备运行安全，主回路设计为两种运行方式：工频运行和变频运行。变频主回路由一台智能变频器和两台断路器组成，为通风机的主运行回路；工频部分设计为变频部分的备用回路，当变频系统发生故障时，工频系统启动并全速正常运行风机。

主回路图设计如图2。

4 系统评价

应用PLC控制的变频调速监控系统，实现了煤矿自动化操作。变频调速技术应用于通风机上，延长了风机的使用寿命、实现了软启动的功能、减少风机启动时对电网的冲击，降低风机故障率同时起到了节能的作用。变频技术结合PLC控制，操作简单、便于管理，实现通风机房自动化操作。但变频器造价高，尤其中高压变频器，占地空间大且安装不方便。

参考文献

[1]变频器的分类.百度文库，2012.

[2]GB 50450-2008煤矿主要通风机站设计规范.

[3]Controllogix系列可编程序控制器产品目录.

[4]变频器产品目录及选型指南.endprint