风机阀门控制系统设计

陈晓勇 齐丽曼

【摘要】本设计硬件部分采用可编程控制器PLC、变频器和触摸屏作为主要控制、编程、显示设备，软件部分采用了STEP7 Micro-WIN/SMART编程软件。本文从软件和硬件两大主线并结合现场应用出发，介绍了风机阀门控制系统的应用、设计要求、设计框图、设计方式、硬件设计、软件程序、触摸屏组态画面等，实现了风机阀门控制系统的自动可视化运行，达到预期的设计目的。

【关键词】风机阀门；变频器；可编程逻辑控制器

【DOI编码】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，Fushun 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风机阀门控制系统应用概述

依靠输入的机械能，提高气体压力并排送气体的机械简称为风机。风机按气体流动的方向可以分为：离心式、轴流式、斜流式等。目前风机在我国各行各业的机械和电气设备制造中被广泛应用。从日常生活的通风，工业生产厂房的通风，到矿井、地铁等特殊场合的通风，都需要用风机作为动力设备，某些工厂采气力输送系统，也需要以风机作为动力设备，但在使用中依然存在风量大小无法调节或“大马拉小车”的现象。这种情况不仅造成了能源的浪费，也无法自动调节风量或调节精度低，不能满足现代化生产的要求。随着经济的发展，我国电力生产规模剧增，电能的使用效率、节能问题日益受到社会的重视。

为了解决上述问题，我们采用变频器对风机进行控制，通过改变变频器频率的大小实现对风机风量的控制。变频器具有调速范围宽、集成化精度高、适应性强、运行稳定控制方便等优点，不仅可以提高工作效率，同时也推动了工业生产的自动化发展和进程。

可编程控制器PLC易于和自动控制系统相连接，可以方便灵活地构成不同要求、不同规模的控制系统，其环境适应性和抗干扰能力极强，故将可编程逻辑控制器为主要控制核心，通过程序编写发出相应的指令，对现场变频器及风机进行控制。

随着生产过程自动化技术的发展，特别是在工业控制领域中，触摸屏技术的应用越来越广泛。触摸屏因其组态形式方便、硬件回路简单、兼容性强、组态画面直观等优点逐渐取代了传统的电气控制回路控制方式。本设计加入了触摸屏，实现了远程和集中控制，可以更加直观地了解生产过程和动作方式。

2设计要求

1）本设计控制方式分为现场控制和集控（触摸屏控制）；2）本项目现场共有6台风机，采用变频器控制，现场控制方式頻率为固定输出，当采用集控方式控制可以设定不同频率改变风机速度的大小；3）每台风机对应10个电动阀门，采用现场和集控两种控制方式来控制电动阀门的动作，当采用现场手动控制每个阀门的启停时，风机的频率为固定输出，当通过集控触摸屏来控制电动阀门的动作时，变频器的频率可以进行设定；4）现场保护方式有热继电器、断路器、熔断器和急停按钮。

3设计框图

风机阀门控制系统的设计框图见图1。

4设计方式

本设计从硬件设计、PLC控制程序及画面软件设计两方面出发。

4.1硬件设计

本项目现场阀门数量多、距离远，需要大量的开关量点位。基于西门子PLC产品配置灵活，实现通信端口的多样化，在满足不同需要的同时又可以经济便捷的特点。所以系统采用西门子PLC，配合模拟量模块和分布式IO以及触摸屏的硬件方式。

本项目通过对PLC进行编程，变频器的起动与停止通过对变频器进行宏设置与PLC的AO输出可以实现不同频率的输出，从而改变风机的转速。利用现场反馈的D1点参与程序的执行，然后利用D0点对现场中间继电器实现控制，从而实现电动阀门的启停。

4.2软件程序

STEP 7-Micro/WIN SMART是S7-200 SMART控制器的组态、编程和操作软件。一次可将STEP 7-Micro/WIN SMART的一个实例连接至一个S7-200 SMART CPU。

软件程序编写从主程序和每台风机对应的子程序进行编写。主程序段用来调用子程序，在MAIN程序块（见图2）中分别调用1～6号电机对应的子程序。

每台风机对应一个子程序。子程序包含设备现场/集控启停方式程序、变频器频率输出程序、风机正反转启动程序以及每台风机对应电动阀门的启停程序，见图3。

4.3触摸屏画面

触摸屏的加入可以了解设备能否正常工作，直接反映出设备运行状态，对风机实现在线监控有很重要的意义。

当采用集控方式时，用触摸屏控制，触摸屏与PLC采用通信的方式连接。通过对触摸屏画面的设计编程，做出相关的组态画面。

当触摸屏开机时，采用用户和密码登录的方式，可以防止非工作人员误操作，在触摸屏通信界面（见图4），在此界面可以了解PLC连接的状态，包括一些报警信息。

在触摸屏主画面中（见图5），可以显示控制方式，现场或集控状态。在主画面可以设置1～6号变频器的输出频率，并将频率的限定值设置为0～50 Hz。当输入不在此范围时系统报警，无法输出频率值。在主画面可以选择每台风机对应的阀门启停画面。

在每台风机的控制画面中，可以起动停止风机的运转并以动态方式显示在画面中（见图6）。每台风机对应10个电动阀的启停，并以动画显示其动作状态。还可以在触摸屏加入一些其他显示功能，如时间、用户名称、变频器频率、趋势图等，触摸屏与PLC很好地结合，满足用户人机互动、控制和驱动的全方位要求。

当转换开关选择现场控制方式时，触摸屏则无法控制现场设备，风机的起动和停止依靠控制面板上的按钮来控制。每个风机对应的电动阀门在现场通过启停按钮来控制。

无论选择现场还是集控方式，当按下急停按钮后，现场设备就会停止，或者出现保护电气元件的动作，相应的风机及阀门也会停止运行，进而起到安全保护作用。

5总结

目前设计方案是以理论为基础建立起来的，并通过实物模拟现场的方式实现程序的控制、指令的发出、变频器频率的调节、触摸屏的画面组态以及现场信号的采集和反馈。通过这样的理论设计并结合实物模拟现场的方式，为风机实现自动化控制提供了发展方向，并具有一定的指导意义，同时也易于组建成整体的自控系统。

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【作者简介】

陈晓勇，男，1984年出生，高级工程师，学士，研究方向为产品质量检验检测。

齐丽曼，女，1977年出生，高级工程师，学士，研究方向为产品质量检验检测。

（编辑：谢飞燕）