風(fēng)機(jī)閥門控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳曉勇 齊麗曼

【摘要】本設(shè)計(jì)硬件部分采用可編程控制器PLC、變頻器和觸摸屏作為主要控制、編程、顯示設(shè)備，軟件部分采用了STEP7 Micro-WIN/SMART編程軟件。本文從軟件和硬件兩大主線并結(jié)合現(xiàn)場應(yīng)用出發(fā)，介紹了風(fēng)機(jī)閥門控制系統(tǒng)的應(yīng)用、設(shè)計(jì)要求、設(shè)計(jì)框圖、設(shè)計(jì)方式、硬件設(shè)計(jì)、軟件程序、觸摸屏組態(tài)畫面等，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)機(jī)閥門控制系統(tǒng)的自動(dòng)可視化運(yùn)行，達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)目的。

【關(guān)鍵詞】風(fēng)機(jī)閥門；變頻器；可編程邏輯控制器

【DOI編碼】10.3969/j.issn.1674-4977.2023.03.061

Design of Fan Valve Control System

CHEN Xiaoyong，QI Liman

（Fushun Product Quality Supervision and Inspection Institute，F(xiàn)ushun 113006，China）

Abstract：The hardware part of the design uses programmable controller PLC，frequency converter and touch screen as the main control，programming and display equipment，and the software part uses STEP7 Micro-WIN/SMART programming software. This paper introduces the application，design requirements，design block diagram，design method，hardware design，software program，touch screen configuration screen，etc. The fan valve control system from the two main lines of software and hardware and combined with the field application，realizing the automatic visual operation of the fan valve control system and achieving the expected design purpose.

Key words：fan valve；frequency converter；PLC

1風(fēng)機(jī)閥門控制系統(tǒng)應(yīng)用概述

依靠輸入的機(jī)械能，提高氣體壓力并排送氣體的機(jī)械簡稱為風(fēng)機(jī)。風(fēng)機(jī)按氣體流動(dòng)的方向可以分為：離心式、軸流式、斜流式等。目前風(fēng)機(jī)在我國各行各業(yè)的機(jī)械和電氣設(shè)備制造中被廣泛應(yīng)用。從日常生活的通風(fēng)，工業(yè)生產(chǎn)廠房的通風(fēng)，到礦井、地鐵等特殊場合的通風(fēng)，都需要用風(fēng)機(jī)作為動(dòng)力設(shè)備，某些工廠采氣力輸送系統(tǒng)，也需要以風(fēng)機(jī)作為動(dòng)力設(shè)備，但在使用中依然存在風(fēng)量大小無法調(diào)節(jié)或“大馬拉小車”的現(xiàn)象。這種情況不僅造成了能源的浪費(fèi)，也無法自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)量或調(diào)節(jié)精度低，不能滿足現(xiàn)代化生產(chǎn)的要求。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國電力生產(chǎn)規(guī)模劇增，電能的使用效率、節(jié)能問題日益受到社會(huì)的重視。

為了解決上述問題，我們采用變頻器對風(fēng)機(jī)進(jìn)行控制，通過改變變頻器頻率的大小實(shí)現(xiàn)對風(fēng)機(jī)風(fēng)量的控制。變頻器具有調(diào)速范圍寬、集成化精度高、適應(yīng)性強(qiáng)、運(yùn)行穩(wěn)定控制方便等優(yōu)點(diǎn)，不僅可以提高工作效率，同時(shí)也推動(dòng)了工業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化發(fā)展和進(jìn)程。

可編程控制器PLC易于和自動(dòng)控制系統(tǒng)相連接，可以方便靈活地構(gòu)成不同要求、不同規(guī)模的控制系統(tǒng)，其環(huán)境適應(yīng)性和抗干擾能力極強(qiáng)，故將可編程邏輯控制器為主要控制核心，通過程序編寫發(fā)出相應(yīng)的指令，對現(xiàn)場變頻器及風(fēng)機(jī)進(jìn)行控制。

隨著生產(chǎn)過程自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，特別是在工業(yè)控制領(lǐng)域中，觸摸屏技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛。觸摸屏因其組態(tài)形式方便、硬件回路簡單、兼容性強(qiáng)、組態(tài)畫面直觀等優(yōu)點(diǎn)逐漸取代了傳統(tǒng)的電氣控制回路控制方式。本設(shè)計(jì)加入了觸摸屏，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程和集中控制，可以更加直觀地了解生產(chǎn)過程和動(dòng)作方式。

2設(shè)計(jì)要求

1）本設(shè)計(jì)控制方式分為現(xiàn)場控制和集控（觸摸屏控制）；2）本項(xiàng)目現(xiàn)場共有6臺風(fēng)機(jī)，采用變頻器控制，現(xiàn)場控制方式頻率為固定輸出，當(dāng)采用集控方式控制可以設(shè)定不同頻率改變風(fēng)機(jī)速度的大小；3）每臺風(fēng)機(jī)對應(yīng)10個(gè)電動(dòng)閥門，采用現(xiàn)場和集控兩種控制方式來控制電動(dòng)閥門的動(dòng)作，當(dāng)采用現(xiàn)場手動(dòng)控制每個(gè)閥門的啟停時(shí)，風(fēng)機(jī)的頻率為固定輸出，當(dāng)通過集控觸摸屏來控制電動(dòng)閥門的動(dòng)作時(shí)，變頻器的頻率可以進(jìn)行設(shè)定；4）現(xiàn)場保護(hù)方式有熱繼電器、斷路器、熔斷器和急停按鈕。

3設(shè)計(jì)框圖

風(fēng)機(jī)閥門控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框圖見圖1。

4設(shè)計(jì)方式

本設(shè)計(jì)從硬件設(shè)計(jì)、PLC控制程序及畫面軟件設(shè)計(jì)兩方面出發(fā)。

4.1硬件設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目現(xiàn)場閥門數(shù)量多、距離遠(yuǎn)，需要大量的開關(guān)量點(diǎn)位。基于西門子PLC產(chǎn)品配置靈活，實(shí)現(xiàn)通信端口的多樣化，在滿足不同需要的同時(shí)又可以經(jīng)濟(jì)便捷的特點(diǎn)。所以系統(tǒng)采用西門子PLC，配合模擬量模塊和分布式IO以及觸摸屏的硬件方式。

本項(xiàng)目通過對PLC進(jìn)行編程，變頻器的起動(dòng)與停止通過對變頻器進(jìn)行宏設(shè)置與PLC的AO輸出可以實(shí)現(xiàn)不同頻率的輸出，從而改變風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。利用現(xiàn)場反饋的D1點(diǎn)參與程序的執(zhí)行，然后利用D0點(diǎn)對現(xiàn)場中間繼電器實(shí)現(xiàn)控制，從而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)閥門的啟停。

4.2軟件程序

STEP 7-Micro/WIN SMART是S7-200 SMART控制器的組態(tài)、編程和操作軟件。一次可將STEP 7-Micro/WIN SMART的一個(gè)實(shí)例連接至一個(gè)S7-200 SMART CPU。

軟件程序編寫從主程序和每臺風(fēng)機(jī)對應(yīng)的子程序進(jìn)行編寫。主程序段用來調(diào)用子程序，在MAIN程序塊（見圖2）中分別調(diào)用1～6號電機(jī)對應(yīng)的子程序。

每臺風(fēng)機(jī)對應(yīng)一個(gè)子程序。子程序包含設(shè)備現(xiàn)場/集控啟停方式程序、變頻器頻率輸出程序、風(fēng)機(jī)正反轉(zhuǎn)啟動(dòng)程序以及每臺風(fēng)機(jī)對應(yīng)電動(dòng)閥門的啟停程序，見圖3。

4.3觸摸屏畫面

觸摸屏的加入可以了解設(shè)備能否正常工作，直接反映出設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，對風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)控有很重要的意義。

當(dāng)采用集控方式時(shí)，用觸摸屏控制，觸摸屏與PLC采用通信的方式連接。通過對觸摸屏畫面的設(shè)計(jì)編程，做出相關(guān)的組態(tài)畫面。

當(dāng)觸摸屏開機(jī)時(shí)，采用用戶和密碼登錄的方式，可以防止非工作人員誤操作，在觸摸屏通信界面（見圖4），在此界面可以了解PLC連接的狀態(tài)，包括一些報(bào)警信息。

在觸摸屏主畫面中（見圖5），可以顯示控制方式，現(xiàn)場或集控狀態(tài)。在主畫面可以設(shè)置1～6號變頻器的輸出頻率，并將頻率的限定值設(shè)置為0～50 Hz。當(dāng)輸入不在此范圍時(shí)系統(tǒng)報(bào)警，無法輸出頻率值。在主畫面可以選擇每臺風(fēng)機(jī)對應(yīng)的閥門啟停畫面。

在每臺風(fēng)機(jī)的控制畫面中，可以起動(dòng)停止風(fēng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)并以動(dòng)態(tài)方式顯示在畫面中（見圖6）。每臺風(fēng)機(jī)對應(yīng)10個(gè)電動(dòng)閥的啟停，并以動(dòng)畫顯示其動(dòng)作狀態(tài)。還可以在觸摸屏加入一些其他顯示功能，如時(shí)間、用戶名稱、變頻器頻率、趨勢圖等，觸摸屏與PLC很好地結(jié)合，滿足用戶人機(jī)互動(dòng)、控制和驅(qū)動(dòng)的全方位要求。

當(dāng)轉(zhuǎn)換開關(guān)選擇現(xiàn)場控制方式時(shí)，觸摸屏則無法控制現(xiàn)場設(shè)備，風(fēng)機(jī)的起動(dòng)和停止依靠控制面板上的按鈕來控制。每個(gè)風(fēng)機(jī)對應(yīng)的電動(dòng)閥門在現(xiàn)場通過啟停按鈕來控制。

無論選擇現(xiàn)場還是集控方式，當(dāng)按下急停按鈕后，現(xiàn)場設(shè)備就會(huì)停止，或者出現(xiàn)保護(hù)電氣元件的動(dòng)作，相應(yīng)的風(fēng)機(jī)及閥門也會(huì)停止運(yùn)行，進(jìn)而起到安全保護(hù)作用。

5總結(jié)

目前設(shè)計(jì)方案是以理論為基礎(chǔ)建立起來的，并通過實(shí)物模擬現(xiàn)場的方式實(shí)現(xiàn)程序的控制、指令的發(fā)出、變頻器頻率的調(diào)節(jié)、觸摸屏的畫面組態(tài)以及現(xiàn)場信號的采集和反饋。通過這樣的理論設(shè)計(jì)并結(jié)合實(shí)物模擬現(xiàn)場的方式，為風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制提供了發(fā)展方向，并具有一定的指導(dǎo)意義，同時(shí)也易于組建成整體的自控系統(tǒng)。

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【作者簡介】

陳曉勇，男，1984年出生，高級工程師，學(xué)士，研究方向?yàn)楫a(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)檢測。

齊麗曼，女，1977年出生，高級工程師，學(xué)士，研究方向?yàn)楫a(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)檢測。

（編輯：謝飛燕）