基于PLC變頻器的智能風電機組防火災系統設計

田 佳，張立新*，李繼霞，祁曉敏，常明清，王石安

（石河子大學機械電氣工程學院，新疆 石河子 832000）

基于PLC變頻器的智能風電機組防火災系統設計

田 佳，張立新*，李繼霞，祁曉敏，常明清，王石安

（石河子大學機械電氣工程學院，新疆 石河子 832000）

針對風電機組的火災安全問題，設計了基于PLC變頻器的智能風電機組防火災系統裝置。該系統利用日本三菱公司的可控制編程器PLC為主控制器，變頻器為執行器、組態王監控軟件為人機界面構成了一套集中控制系統。并通過變頻器的PID控制實現控制參數的在線自動調整功能。組態王監控軟件作為控制系統的操作站，可以集中監控系統模擬量和開關量，能夠實現數據的實時采集、控制模式轉換、控制參數輸入等功能。此系統通過自動化技術檢測風力發電機現場的火災情況，并經過數據傳輸將采集到的信息上傳到一體化信息平臺，對設備進行準確的判斷，作出相應的處理，實現對室溫環境因子的數據采集、計算和控制功能。整套控制系統具有靈敏度高、控制靈活、可靠性強等特點，能夠滿足風電機組防火災系統控制的要求。

風力發電機；PLC可控制編程器；變頻器；組態王；防火災系統

風力發電是再生能源中最為迅速的發電技術之一，已經成為應對能源危機和環境污染的一個重要手段，是當前國內外研究的重點和熱點[1-7]。由于風力發電機組的單機成本越來越高，而且在火災安全方面沒有完善的預防措施，只有少部分是在機艙內部配有幾個手提式干粉滅火器，一旦風機發生火災，將會使風機全部燒毀，造成巨額的損失。

本文提出了一種簡單的防火災系統自動控制方法，將自動噴水滅火器安置在風機易燃的范圍內，采用懸掛式淋浴噴頭進行噴水，當檢測到發生火災時，通過PLC控制立刻切斷所有電源（除防火裝置外），來禁止風機運行。噴水量的多少通過PID控制來調節壓力大小來進行滅火，有效的解決了由于風機起火而造成的巨額損失。該系統通過變頻器PID調節功能對機艙采集到的數據信息進行運算、處理后，在通過可編程控制器PLC的相應控制來達到自動滅火效果，保證了滅火后風機能夠正常運行，達到良好的控制目的。

1 系統的組成

該系統采用數據采集、處理以及運算來實時監測風機火情，對風機火災情況進行有效地控制，來實現風機的正常運行狀態。并且能夠自動完成對風機現場的信息進行采集、顯示。系統的結構圖如圖1所示。

圖1 系統結構

1.1 中心控制模塊

本系統將PLC可編程控制器作為中心控制模塊。選用三菱FX2N-48MR型可編程控制器PLC。FX2N系列具有高速度、高性能、小型化的特點，屬于FX系列中超小程序裝置，包括CPU、儲存器、輸入、輸出端口以及電源，它們是構成PLC的主要部分。其工作采用周期掃描循環的方式，具有可靠性好、自診斷功能、程序掃描、輸入采樣、輸出刷新的優點。FX2N-48MR有6個基本單元，其中每個單元可擴展256個I/O端口，包括8 K步內置RAM寄存器，同時具有高速運算功能，它的基本指令為0.08 us、應用指令為1.52至幾百us行。其中變頻器將（溫度、煙霧）傳感器采集到的信息傳送到變頻器識別的4～20 mA的電流信號傳輸到PID調節的控制端口上，變頻器的PID調節功能通過火情的大小程度來對水壓進行相應的控制，實現大火多噴、小火少噴的目的。可編程控制器PLC主要控制變頻器上的所有觸點的閉合與關閉來達到整個控制系統的全自動滅火功能，實現了自動消防安全系統的設計。

1.2 傳感器模塊

本系統采用DS18B20溫度傳感器、離子式煙霧傳感器來采集風機內部環境的溫度、煙度等數據信息（傳感器具體參數如表1所示）傳感器通過采集機艙內部環境數據信息后傳送給變頻器4～20 mA電流的4、5端口上，通過PID控制來調節電機的輸出頻率，進而達到對滅火器壓力大小的有效控制。

表1 傳感器技術參數

1.3 變頻器PID控制模塊

PID調節功能則是一種線性調節器，通過調整設定值與實際輸出值之間偏差的積分（Integration）、比例（Proportion）、微分（Differentiation），實現對控制對象的調節控制。當變頻器用于過程量（溫度、風量、壓力）控制時，為了讓變頻器自動適應負載的變化，就要使用變頻器的PID控制功能[8]。本文采用MITSUBISHI S500變頻器，通過矢量控制方法，把交流電通過整流器轉換成直流電，隨后把直流電轉換成頻率來對滅火裝置進行相應的控制。

圖2 設定值與反饋值的偏差關系

變頻器的PID控制有PID正作用和PID負作用，本文采用PID正作用，并設置上限和下限以及設定值，上限通過Pr.131設置，下限通過Pr.132設置，設定值通過Pr.133設置。當設定值-反饋值為負，即變差為負時候，增加執行量，若偏差為正，則減少執行量（如圖2所示）。即當反饋值小于設定值時，說明火情比較小，則此時減小輸出頻率來達到滅火效果，當反饋值大于設定值時，說明火情比較大，則此時必須加大輸出頻率來達到滅火效果。同時也起到了小火少噴，大火多噴的目的。

1.4 人機交換模塊

整套系統的操作站采用組態王監控軟件（King View）對傳感器的測量值進行監控和歷史數據的記錄，操作人員可以通過人機界面來設定PID參數，它包括組態和運行環境2個部分（主監控畫面如圖3所示）。

圖3 主監控畫面

2 系統硬件設計

控制系統的主控制器PLC通過EM231模擬量輸入模塊接受傳感器（溫度、煙度）發送來4～20 mA的信號，通過轉換成數字信號后傳送給PLC，并對其進行處理之后通過EM232模擬量輸出模塊轉化成4～20 mA數字信號給變頻器，將設定值與反饋值進行PID運算后，由變頻器來調節滅火器的壓力大小，實現滅火的效果[9]（如圖4所示）。

GX Developer是三菱PLC控制器專用軟件。能夠支持梯形圖LD（Ladder Diagram）、控制指令、SFC語言程序設計，其中梯形圖是圖形語言，適宜處理邏輯控制[10]。它采用可編程的存儲器內部存儲程序，執行邏輯運算、順序控制、參數定時等面向用戶的指令，并通過輸入/輸出來控制各種類型的機械或其生產過程。本文采用梯形圖語言集成開發環境，在該環境下可進行程序的監控、仿真以及調試，具有讀寫PLC程序功能。該系統主要對風機內部現場環境的信號識別與檢測、自動控制滅火、煙霧及圖像的采集和傳輸進行處理，經處理之后達到風電機組的防火災報警控制系統（自動控制滅火流程圖如圖5所示）。將溫度傳感器連接在PLC I/O輸入口X0端，煙度傳感器連接在PLC I/O輸入口X1端。同時輸出Y0（即接變頻器STF觸點）來啟動水泵自動抽水，同時Y1為淋浴頭的電磁閥開關（電磁閥啟動則開始噴水），Y2是報警器啟動信號。變頻器的RH、RL是調節壓力的大與小來控制自動噴水的水量大小。并將溫度、煙度傳感器同時安裝在變頻器的4、5端口來通過PID控制來檢測自動噴水滅火控制裝置。將自動噴水滅火控制裝置連接在變頻器輸出端口，報警裝置連接在PLC I/O輸出口Y0端端口。當溫度傳感器或者煙霧傳感器檢測到其所控制數據的范圍時，則說明風機起火，此時必須啟動自動噴水滅火裝置，同時報警器立即報警。并通過變頻器的PID控制功能自動調節輸出頻率的大小，以滿足火災大小滅火器使用量的問題，既能在火情比較小的時候將火撲滅，又能在大火的情況下加大滅火器的噴水量來達到滅火的效果，使得滅火器用水能夠有效地使用，不至于浪費。

圖4 控制系統的硬件構成

圖5 自動控制滅火流程

圖6 PLC核心程序

3 控制系統的程序設計

將現場的溫度設定為90℃，上限為100℃，下限為40℃，當達到設定的范圍時，則說明發生火災，此時PLC將采集到的現場數據傳輸到溫度、煙霧傳感器中，通過PID運算，達到自動噴水滅火器啟動條件，此時通過PID調節來調節水壓大小，火情比較小時，此時變頻器通過運算將噴水壓力減小，火情比較大時，變頻器通過運算將噴水壓力加大。根據風機機艙的現場情況通過PLC采集參數數據經過程序的檢測、判斷以及運算來達到滅火裝置要求（PLC核心程序如圖6所示）。

4 小結

本系統基于PLC的智能風電機組防火災系統裝置，通過三菱公司的可編程邏輯控制器（PLC）的工作穩定、結構簡單、抗干擾能力強等特點，研制出用于風力發電機組的自動防火災安全裝置系統，以PLC為核心構成下位機，變頻器位執行器，并且通過變頻器的PID控制功能達到對噴水量大小的控制，在達到滅火控制的前提下，對水量的多少進行了控制，防止了水量的浪費，從而達到風力發電機組自動控制防火災系統裝置的效果。本文重點介紹了控制系統所需的硬件部分以及上變頻器PID控制功能，控制自動滅火裝置怎樣達到滅火效果的應用。較其它風機滅火裝置相比更加智能化，使風機消防的安全可靠性問題得到了解決，并減少了人力、財力的浪費，并值得研究與推廣。

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2016—08—17

*通訊作者：張立新，漢族（1967-），石河子人，博士生導師，教授，主要從事機械設計與制造方面的研究。E-mail：295796990@qq.com.