基于PLC变频器的智能风电机组防火灾系统设计

田 佳，张立新*，李继霞，祁晓敏，常明清，王石安

（石河子大学机械电气工程学院，新疆 石河子 832000）

基于PLC变频器的智能风电机组防火灾系统设计

田 佳，张立新*，李继霞，祁晓敏，常明清，王石安

（石河子大学机械电气工程学院，新疆 石河子 832000）

针对风电机组的火灾安全问题，设计了基于PLC变频器的智能风电机组防火灾系统装置。该系统利用日本三菱公司的可控制编程器PLC为主控制器，变频器为执行器、组态王监控软件为人机界面构成了一套集中控制系统。并通过变频器的PID控制实现控制参数的在线自动调整功能。组态王监控软件作为控制系统的操作站，可以集中监控系统模拟量和开关量，能够实现数据的实时采集、控制模式转换、控制参数输入等功能。此系统通过自动化技术检测风力发电机现场的火灾情况，并经过数据传输将采集到的信息上传到一体化信息平台，对设备进行准确的判断，作出相应的处理，实现对室温环境因子的数据采集、计算和控制功能。整套控制系统具有灵敏度高、控制灵活、可靠性强等特点，能够满足风电机组防火灾系统控制的要求。

风力发电机；PLC可控制编程器；变频器；组态王；防火灾系统

风力发电是再生能源中最为迅速的发电技术之一，已经成为应对能源危机和环境污染的一个重要手段，是当前国内外研究的重点和热点[1-7]。由于风力发电机组的单机成本越来越高，而且在火灾安全方面没有完善的预防措施，只有少部分是在机舱内部配有几个手提式干粉灭火器，一旦风机发生火灾，将会使风机全部烧毁，造成巨额的损失。

本文提出了一种简单的防火灾系统自动控制方法，将自动喷水灭火器安置在风机易燃的范围内，采用悬挂式淋浴喷头进行喷水，当检测到发生火灾时，通过PLC控制立刻切断所有电源（除防火装置外），来禁止风机运行。喷水量的多少通过PID控制来调节压力大小来进行灭火，有效的解决了由于风机起火而造成的巨额损失。该系统通过变频器PID调节功能对机舱采集到的数据信息进行运算、处理后，在通过可编程控制器PLC的相应控制来达到自动灭火效果，保证了灭火后风机能够正常运行，达到良好的控制目的。

1 系统的组成

该系统采用数据采集、处理以及运算来实时监测风机火情，对风机火灾情况进行有效地控制，来实现风机的正常运行状态。并且能够自动完成对风机现场的信息进行采集、显示。系统的结构图如图1所示。

图1 系统结构

1.1 中心控制模块

本系统将PLC可编程控制器作为中心控制模块。选用三菱FX2N-48MR型可编程控制器PLC。FX2N系列具有高速度、高性能、小型化的特点，属于FX系列中超小程序装置，包括CPU、储存器、输入、输出端口以及电源，它们是构成PLC的主要部分。其工作采用周期扫描循环的方式，具有可靠性好、自诊断功能、程序扫描、输入采样、输出刷新的优点。FX2N-48MR有6个基本单元，其中每个单元可扩展256个I/O端口，包括8 K步内置RAM寄存器，同时具有高速运算功能，它的基本指令为0.08 us、应用指令为1.52至几百us行。其中变频器将（温度、烟雾）传感器采集到的信息传送到变频器识别的4～20 mA的电流信号传输到PID调节的控制端口上，变频器的PID调节功能通过火情的大小程度来对水压进行相应的控制，实现大火多喷、小火少喷的目的。可编程控制器PLC主要控制变频器上的所有触点的闭合与关闭来达到整个控制系统的全自动灭火功能，实现了自动消防安全系统的设计。

1.2 传感器模块

本系统采用DS18B20温度传感器、离子式烟雾传感器来采集风机内部环境的温度、烟度等数据信息（传感器具体参数如表1所示）传感器通过采集机舱内部环境数据信息后传送给变频器4～20 mA电流的4、5端口上，通过PID控制来调节电机的输出频率，进而达到对灭火器压力大小的有效控制。

表1 传感器技术参数

1.3 变频器PID控制模块

PID调节功能则是一种线性调节器，通过调整设定值与实际输出值之间偏差的积分（Integration）、比例（Proportion）、微分（Differentiation），实现对控制对象的调节控制。当变频器用于过程量（温度、风量、压力）控制时，为了让变频器自动适应负载的变化，就要使用变频器的PID控制功能[8]。本文采用MITSUBISHI S500变频器，通过矢量控制方法，把交流电通过整流器转换成直流电，随后把直流电转换成频率来对灭火装置进行相应的控制。

图2 设定值与反馈值的偏差关系

变频器的PID控制有PID正作用和PID负作用，本文采用PID正作用，并设置上限和下限以及设定值，上限通过Pr.131设置，下限通过Pr.132设置，设定值通过Pr.133设置。当设定值-反馈值为负，即变差为负时候，增加执行量，若偏差为正，则减少执行量（如图2所示）。即当反馈值小于设定值时，说明火情比较小，则此时减小输出频率来达到灭火效果，当反馈值大于设定值时，说明火情比较大，则此时必须加大输出频率来达到灭火效果。同时也起到了小火少喷，大火多喷的目的。

1.4 人机交换模块

整套系统的操作站采用组态王监控软件（King View）对传感器的测量值进行监控和历史数据的记录，操作人员可以通过人机界面来设定PID参数，它包括组态和运行环境2个部分（主监控画面如图3所示）。

图3 主监控画面

2 系统硬件设计

控制系统的主控制器PLC通过EM231模拟量输入模块接受传感器（温度、烟度）发送来4～20 mA的信号，通过转换成数字信号后传送给PLC，并对其进行处理之后通过EM232模拟量输出模块转化成4～20 mA数字信号给变频器，将设定值与反馈值进行PID运算后，由变频器来调节灭火器的压力大小，实现灭火的效果[9]（如图4所示）。

GX Developer是三菱PLC控制器专用软件。能够支持梯形图LD（Ladder Diagram）、控制指令、SFC语言程序设计，其中梯形图是图形语言，适宜处理逻辑控制[10]。它采用可编程的存储器内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、参数定时等面向用户的指令，并通过输入/输出来控制各种类型的机械或其生产过程。本文采用梯形图语言集成开发环境，在该环境下可进行程序的监控、仿真以及调试，具有读写PLC程序功能。该系统主要对风机内部现场环境的信号识别与检测、自动控制灭火、烟雾及图像的采集和传输进行处理，经处理之后达到风电机组的防火灾报警控制系统（自动控制灭火流程图如图5所示）。将温度传感器连接在PLC I/O输入口X0端，烟度传感器连接在PLC I/O输入口X1端。同时输出Y0（即接变频器STF触点）来启动水泵自动抽水，同时Y1为淋浴头的电磁阀开关（电磁阀启动则开始喷水），Y2是报警器启动信号。变频器的RH、RL是调节压力的大与小来控制自动喷水的水量大小。并将温度、烟度传感器同时安装在变频器的4、5端口来通过PID控制来检测自动喷水灭火控制装置。将自动喷水灭火控制装置连接在变频器输出端口，报警装置连接在PLC I/O输出口Y0端端口。当温度传感器或者烟雾传感器检测到其所控制数据的范围时，则说明风机起火，此时必须启动自动喷水灭火装置，同时报警器立即报警。并通过变频器的PID控制功能自动调节输出频率的大小，以满足火灾大小灭火器使用量的问题，既能在火情比较小的时候将火扑灭，又能在大火的情况下加大灭火器的喷水量来达到灭火的效果，使得灭火器用水能够有效地使用，不至于浪费。

图4 控制系统的硬件构成

图5 自动控制灭火流程

图6 PLC核心程序

3 控制系统的程序设计

将现场的温度设定为90℃，上限为100℃，下限为40℃，当达到设定的范围时，则说明发生火灾，此时PLC将采集到的现场数据传输到温度、烟雾传感器中，通过PID运算，达到自动喷水灭火器启动条件，此时通过PID调节来调节水压大小，火情比较小时，此时变频器通过运算将喷水压力减小，火情比较大时，变频器通过运算将喷水压力加大。根据风机机舱的现场情况通过PLC采集参数数据经过程序的检测、判断以及运算来达到灭火装置要求（PLC核心程序如图6所示）。

4 小结

本系统基于PLC的智能风电机组防火灾系统装置，通过三菱公司的可编程逻辑控制器（PLC）的工作稳定、结构简单、抗干扰能力强等特点，研制出用于风力发电机组的自动防火灾安全装置系统，以PLC为核心构成下位机，变频器位执行器，并且通过变频器的PID控制功能达到对喷水量大小的控制，在达到灭火控制的前提下，对水量的多少进行了控制，防止了水量的浪费，从而达到风力发电机组自动控制防火灾系统装置的效果。本文重点介绍了控制系统所需的硬件部分以及上变频器PID控制功能，控制自动灭火装置怎样达到灭火效果的应用。较其它风机灭火装置相比更加智能化，使风机消防的安全可靠性问题得到了解决，并减少了人力、财力的浪费，并值得研究与推广。

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2016—08—17

*通讯作者：张立新，汉族（1967-），石河子人，博士生导师，教授，主要从事机械设计与制造方面的研究。E-mail：295796990@qq.com.