基于PLC變頻器的智能風(fēng)電機(jī)組防火災(zāi)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

田 佳，張立新*，李繼霞，祁曉敏，常明清，王石安

（石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子 832000）

基于PLC變頻器的智能風(fēng)電機(jī)組防火災(zāi)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

田 佳，張立新*，李繼霞，祁曉敏，常明清，王石安

（石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子 832000）

針對(duì)風(fēng)電機(jī)組的火災(zāi)安全問(wèn)題，設(shè)計(jì)了基于PLC變頻器的智能風(fēng)電機(jī)組防火災(zāi)系統(tǒng)裝置。該系統(tǒng)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(zhí)行器、組態(tài)王監(jiān)控軟件為人機(jī)界面構(gòu)成了一套集中控制系統(tǒng)。并通過(guò)變頻器的PID控制實(shí)現(xiàn)控制參數(shù)的在線自動(dòng)調(diào)整功能。組態(tài)王監(jiān)控軟件作為控制系統(tǒng)的操作站，可以集中監(jiān)控系統(tǒng)模擬量和開(kāi)關(guān)量，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、控制模式轉(zhuǎn)換、控制參數(shù)輸入等功能。此系統(tǒng)通過(guò)自動(dòng)化技術(shù)檢測(cè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)現(xiàn)場(chǎng)的火災(zāi)情況，并經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)傳輸將采集到的信息上傳到一體化信息平臺(tái)，對(duì)設(shè)備進(jìn)行準(zhǔn)確的判斷，作出相應(yīng)的處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)室溫環(huán)境因子的數(shù)據(jù)采集、計(jì)算和控制功能。整套控制系統(tǒng)具有靈敏度高、控制靈活、可靠性強(qiáng)等特點(diǎn)，能夠滿足風(fēng)電機(jī)組防火災(zāi)系統(tǒng)控制的要求。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)；PLC可控制編程器；變頻器；組態(tài)王；防火災(zāi)系統(tǒng)

風(fēng)力發(fā)電是再生能源中最為迅速的發(fā)電技術(shù)之一，已經(jīng)成為應(yīng)對(duì)能源危機(jī)和環(huán)境污染的一個(gè)重要手段，是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)[1-7]。由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的單機(jī)成本越來(lái)越高，而且在火災(zāi)安全方面沒(méi)有完善的預(yù)防措施，只有少部分是在機(jī)艙內(nèi)部配有幾個(gè)手提式干粉滅火器，一旦風(fēng)機(jī)發(fā)生火災(zāi)，將會(huì)使風(fēng)機(jī)全部燒毀，造成巨額的損失。

本文提出了一種簡(jiǎn)單的防火災(zāi)系統(tǒng)自動(dòng)控制方法，將自動(dòng)噴水滅火器安置在風(fēng)機(jī)易燃的范圍內(nèi)，采用懸掛式淋浴噴頭進(jìn)行噴水，當(dāng)檢測(cè)到發(fā)生火災(zāi)時(shí)，通過(guò)PLC控制立刻切斷所有電源（除防火裝置外），來(lái)禁止風(fēng)機(jī)運(yùn)行。噴水量的多少通過(guò)PID控制來(lái)調(diào)節(jié)壓力大小來(lái)進(jìn)行滅火，有效的解決了由于風(fēng)機(jī)起火而造成的巨額損失。該系統(tǒng)通過(guò)變頻器PID調(diào)節(jié)功能對(duì)機(jī)艙采集到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行運(yùn)算、處理后，在通過(guò)可編程控制器PLC的相應(yīng)控制來(lái)達(dá)到自動(dòng)滅火效果，保證了滅火后風(fēng)機(jī)能夠正常運(yùn)行，達(dá)到良好的控制目的。

1 系統(tǒng)的組成

該系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)采集、處理以及運(yùn)算來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)風(fēng)機(jī)火情，對(duì)風(fēng)機(jī)火災(zāi)情況進(jìn)行有效地控制，來(lái)實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的正常運(yùn)行狀態(tài)。并且能夠自動(dòng)完成對(duì)風(fēng)機(jī)現(xiàn)場(chǎng)的信息進(jìn)行采集、顯示。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 中心控制模塊

本系統(tǒng)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(diǎn)，屬于FX系列中超小程序裝置，包括CPU、儲(chǔ)存器、輸入、輸出端口以及電源，它們是構(gòu)成PLC的主要部分。其工作采用周期掃描循環(huán)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(yōu)點(diǎn)。FX2N-48MR有6個(gè)基本單元，其中每個(gè)單元可擴(kuò)展256個(gè)I/O端口，包括8 K步內(nèi)置RAM寄存器，同時(shí)具有高速運(yùn)算功能，它的基本指令為0.08 us、應(yīng)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(shí)別的4～20 mA的電流信號(hào)傳輸?shù)絇ID調(diào)節(jié)的控制端口上，變頻器的PID調(diào)節(jié)功能通過(guò)火情的大小程度來(lái)對(duì)水壓進(jìn)行相應(yīng)的控制，實(shí)現(xiàn)大火多噴、小火少噴的目的?？删幊炭刂破鱌LC主要控制變頻器上的所有觸點(diǎn)的閉合與關(guān)閉來(lái)達(dá)到整個(gè)控制系統(tǒng)的全自動(dòng)滅火功能，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)消防安全系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

1.2 傳感器模塊

本系統(tǒng)采用DS18B20溫度傳感器、離子式煙霧傳感器來(lái)采集風(fēng)機(jī)內(nèi)部環(huán)境的溫度、煙度等數(shù)據(jù)信息（傳感器具體參數(shù)如表1所示）傳感器通過(guò)采集機(jī)艙內(nèi)部環(huán)境數(shù)據(jù)信息后傳送給變頻器4～20 mA電流的4、5端口上，通過(guò)PID控制來(lái)調(diào)節(jié)電機(jī)的輸出頻率，進(jìn)而達(dá)到對(duì)滅火器壓力大小的有效控制。

表1 傳感器技術(shù)參數(shù)

1.3 變頻器PID控制模塊

PID調(diào)節(jié)功能則是一種線性調(diào)節(jié)器，通過(guò)調(diào)整設(shè)定值與實(shí)際輸出值之間偏差的積分（Integration）、比例（Proportion）、微分（Differentiation），實(shí)現(xiàn)對(duì)控制對(duì)象的調(diào)節(jié)控制。當(dāng)變頻器用于過(guò)程量（溫度、風(fēng)量、壓力）控制時(shí)，為了讓變頻器自動(dòng)適應(yīng)負(fù)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(guò)矢量控制方法，把交流電通過(guò)整流器轉(zhuǎn)換成直流電，隨后把直流電轉(zhuǎn)換成頻率來(lái)對(duì)滅火裝置進(jìn)行相應(yīng)的控制。

圖2 設(shè)定值與反饋值的偏差關(guān)系

變頻器的PID控制有PID正作用和PID負(fù)作用，本文采用PID正作用，并設(shè)置上限和下限以及設(shè)定值，上限通過(guò)Pr.131設(shè)置，下限通過(guò)Pr.132設(shè)置，設(shè)定值通過(guò)Pr.133設(shè)置。當(dāng)設(shè)定值-反饋值為負(fù)，即變差為負(fù)時(shí)候，增加執(zhí)行量，若偏差為正，則減少執(zhí)行量（如圖2所示）。即當(dāng)反饋值小于設(shè)定值時(shí)，說(shuō)明火情比較小，則此時(shí)減小輸出頻率來(lái)達(dá)到滅火效果，當(dāng)反饋值大于設(shè)定值時(shí)，說(shuō)明火情比較大，則此時(shí)必須加大輸出頻率來(lái)達(dá)到滅火效果。同時(shí)也起到了小火少噴，大火多噴的目的。

1.4 人機(jī)交換模塊

整套系統(tǒng)的操作站采用組態(tài)王監(jiān)控軟件（King View）對(duì)傳感器的測(cè)量值進(jìn)行監(jiān)控和歷史數(shù)據(jù)的記錄，操作人員可以通過(guò)人機(jī)界面來(lái)設(shè)定PID參數(shù)，它包括組態(tài)和運(yùn)行環(huán)境2個(gè)部分（主監(jiān)控畫面如圖3所示）。

圖3 主監(jiān)控畫面

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的主控制器PLC通過(guò)EM231模擬量輸入模塊接受傳感器（溫度、煙度）發(fā)送來(lái)4～20 mA的信號(hào)，通過(guò)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后傳送給PLC，并對(duì)其進(jìn)行處理之后通過(guò)EM232模擬量輸出模塊轉(zhuǎn)化成4～20 mA數(shù)字信號(hào)給變頻器，將設(shè)定值與反饋值進(jìn)行PID運(yùn)算后，由變頻器來(lái)調(diào)節(jié)滅火器的壓力大小，實(shí)現(xiàn)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(yǔ)言程序設(shè)計(jì)，其中梯形圖是圖形語(yǔ)言，適宜處理邏輯控制[10]。它采用可編程的存儲(chǔ)器內(nèi)部存儲(chǔ)程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、參數(shù)定時(shí)等面向用戶的指令，并通過(guò)輸入/輸出來(lái)控制各種類型的機(jī)械或其生產(chǎn)過(guò)程。本文采用梯形圖語(yǔ)言集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，在該環(huán)境下可進(jìn)行程序的監(jiān)控、仿真以及調(diào)試，具有讀寫PLC程序功能。該系統(tǒng)主要對(duì)風(fēng)機(jī)內(nèi)部現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的信號(hào)識(shí)別與檢測(cè)、自動(dòng)控制滅火、煙霧及圖像的采集和傳輸進(jìn)行處理，經(jīng)處理之后達(dá)到風(fēng)電機(jī)組的防火災(zāi)報(bào)警控制系統(tǒng)（自動(dòng)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(shí)輸出Y0（即接變頻器STF觸點(diǎn)）來(lái)啟動(dòng)水泵自動(dòng)抽水，同時(shí)Y1為淋浴頭的電磁閥開(kāi)關(guān)（電磁閥啟動(dòng)則開(kāi)始噴水），Y2是報(bào)警器啟動(dòng)信號(hào)。變頻器的RH、RL是調(diào)節(jié)壓力的大與小來(lái)控制自動(dòng)噴水的水量大小。并將溫度、煙度傳感器同時(shí)安裝在變頻器的4、5端口來(lái)通過(guò)PID控制來(lái)檢測(cè)自動(dòng)噴水滅火控制裝置。將自動(dòng)噴水滅火控制裝置連接在變頻器輸出端口，報(bào)警裝置連接在PLC I/O輸出口Y0端端口。當(dāng)溫度傳感器或者煙霧傳感器檢測(cè)到其所控制數(shù)據(jù)的范圍時(shí)，則說(shuō)明風(fēng)機(jī)起火，此時(shí)必須啟動(dòng)自動(dòng)噴水滅火裝置，同時(shí)報(bào)警器立即報(bào)警。并通過(guò)變頻器的PID控制功能自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出頻率的大小，以滿足火災(zāi)大小滅火器使用量的問(wèn)題，既能在火情比較小的時(shí)候?qū)⒒饟錅?，又能在大火的情況下加大滅火器的噴水量來(lái)達(dá)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(fèi)。

圖4 控制系統(tǒng)的硬件構(gòu)成

圖5 自動(dòng)控制滅火流程

圖6 PLC核心程序

3 控制系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)

將現(xiàn)場(chǎng)的溫度設(shè)定為90℃，上限為100℃，下限為40℃，當(dāng)達(dá)到設(shè)定的范圍時(shí)，則說(shuō)明發(fā)生火災(zāi)，此時(shí)PLC將采集到的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)綔囟取熿F傳感器中，通過(guò)PID運(yùn)算，達(dá)到自動(dòng)噴水滅火器啟動(dòng)條件，此時(shí)通過(guò)PID調(diào)節(jié)來(lái)調(diào)節(jié)水壓大小，火情比較小時(shí)，此時(shí)變頻器通過(guò)運(yùn)算將噴水壓力減小，火情比較大時(shí)，變頻器通過(guò)運(yùn)算將噴水壓力加大。根據(jù)風(fēng)機(jī)機(jī)艙的現(xiàn)場(chǎng)情況通過(guò)PLC采集參數(shù)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)程序的檢測(cè)、判斷以及運(yùn)算來(lái)達(dá)到滅火裝置要求（PLC核心程序如圖6所示）。

4 小結(jié)

本系統(tǒng)基于PLC的智能風(fēng)電機(jī)組防火災(zāi)系統(tǒng)裝置，通過(guò)三菱公司的可編程邏輯控制器（PLC）的工作穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，研制出用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的自動(dòng)防火災(zāi)安全裝置系統(tǒng)，以PLC為核心構(gòu)成下位機(jī)，變頻器位執(zhí)行器，并且通過(guò)變頻器的PID控制功能達(dá)到對(duì)噴水量大小的控制，在達(dá)到滅火控制的前提下，對(duì)水量的多少進(jìn)行了控制，防止了水量的浪費(fèi)，從而達(dá)到風(fēng)力發(fā)電機(jī)組自動(dòng)控制防火災(zāi)系統(tǒng)裝置的效果。本文重點(diǎn)介紹了控制系統(tǒng)所需的硬件部分以及上變頻器PID控制功能，控制自動(dòng)滅火裝置怎樣達(dá)到滅火效果的應(yīng)用。較其它風(fēng)機(jī)滅火裝置相比更加智能化，使風(fēng)機(jī)消防的安全可靠性問(wèn)題得到了解決，并減少了人力、財(cái)力的浪費(fèi)，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(dǎo)師，教授，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)與制造方面的研究。E-mail：295796990@qq.com.