西门子6ES7214-2AS23-0XB8详细解读
一、矿用对旋轴流通风机的变频改造的必要性
长期以来，煤矿由于受复杂的生产条件和环境影响，在矿用设备选型上都采用功率比较大的型号，电机全速运行，大马拉小车现象非常普遍，耗能十分严重。如何以技术进步和技术创新为先导，降低企业的生产成本，提高劳动生产率是煤炭生产企业需要解决的迫切课题。
煤矿主通风机是煤矿的四大主要设备之一，作为矿井主通风，它每天24小时不停地运转，是整个矿井的“呼吸”系统。随着开采及掘进的不断延伸，巷道延长，所需的风量也将不断增加，风机所用功率也将加大。四季的交替，冷热的变化，所需的风量也需不断调节。但煤矿原根据反风及开采后期运行工况所设计的通风机及拖动的电动机的功率，通常远大于煤矿正常生产所需的运行功率。
矿井一般按开采各阶段中通风困难时期选择风机型号。一般矿山选型时，按实际通风参数配备电机功率，计算方法如下：
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K－功率贮备系数，一般取K＝1.1～1.15。
传统的调节系统，是根据风量所需的多少，靠调节风门、叶片角度来实现的。从通风机选型的过程和煤炭生产的实际情况，通风机恒速运行存在以下几个问题:
1．电能的严重浪费
大型煤矿的服务年限大多在几十年以上，投产初期到井田稳定开采一般在十年以上，一般主扇风机设计上余量特别大，在相当长的时间主扇风机一直处在较轻负载下运行。由于煤矿主扇风机一般采用档板调节，造成能源浪费，增加了生产成本。
2、启动困难，机械损伤严重
主扇风机采用直接启动，启动时间长，启动电流大，对电动机的绝缘有着较大的威胁，严重时甚至烧毁电动机。而高压电动机在启动过程中所产生的单轴转矩现象使风机产生较大的机械振动应力，严重影响到电动机、风机及其它机械的使用寿命。
3、自动化程度低
主扇风机依靠人工调节档板，更不具备风量的自动实时调节功能，自动化程度低。在故障状态下，如风流短路，将对矿井正常生产造成严重影响。
变频调速器作为一种新型的电力变换装置，已成熟地应用到工业生产的各个方面，不但启动容易，节能效果显著，对电机保护功能齐全。为保证矿井生产的安全，降低生产成本，提高自动化程度，对矿井通风机的变频改造就成为势在必行的工程了。
二、对旋轴流通风机的特点
两级的轴流通风机中，有一种很好的设计方案。它是将一个叶轮装在另一个叶轮的后面，而叶轮的转向彼此称为对旋型轴流通风机，或对置式轴流风机。
煤矿对旋风机因其主要由该通风机采用两级叶轮对旋式结构，两级叶轮分别由容量及相同型号电动机驱动，两个叶轮旋转方向从进风口看，级叶轮顺时针方向旋转，第二级叶轮则逆时针方向旋转。当空气流入级叶轮获得能量后并经第二级叶轮排出，第二级叶轮兼备普通轴流风机中静叶的功能，在获得整直圆周方向速度风量增加气流的能量，从而达到普通轴流式通风机不能达到的高效率，高风压。
它与普通轴流风机相比有以下几个优点
1)可以省略导叶，具有较短的结构尺寸。
2)传动效率高。叶轮直接安装在电机轴上，改变了传统的传动结构，既避免了传动装置的频繁损坏，消除了能量损耗，也提高了风机装置的传动效率，也提高了使用效率。对旋轴流式通风机因为没有静叶,不存在静叶损失,其效率比普通通风机要高；
3)对旋轴流式通风机具有较大的逆向送风量,其一般可达70%～80%,而普通通风机的逆向送风量仅为30%～40%；
4)轴流对旋风机使用灵活。对旋风机两级工作轮分别由两台电机驱动，对旋风机对应不同的使用状态，可进行各式各样的组合，使其中一级空转可组成前导加动叶级或动叶加后导叶级，亦可配备一个静叶作为附件，可以调节栅距以实现变风量调节。对旋风机可变转速和两转子的转速比来调节流量，这是对旋风机所特有的。
三、矿用对旋轴流通风机的变频改造的案例
煤矿主通风机在煤矿的安全生产中起着至关重要的作用。矿井的瓦斯爆炸，与巷道的通风是否顺畅，风量的充足与否都有着直接关系，一旦通风不畅，瓦斯浓度升高到一定程度，即会造成爆炸塌井，造成重大事故，危及矿工的生命安全。如此重要的安全生产关键设备，如果因某种故障而停机运行，将会给整个矿山的安全生产带来巨大威胁，要求与之配套的高压变频器必须具备非常高的可靠性才能够满足安全生产的要求。
神华宁煤集团汝箕沟煤矿在矿井通风系统技术改造中，东风井BD-Ⅱ-10NO24/2×200KW、西风井BD-Ⅱ-10NO30/2×280KW对旋轴流通风机选用了北京利德华福公司生产的HARSVERT-A系列高压变频器。2006年11月30日，正式投运，运行稳定，一般都运行在35～40Hz，节能效果良好。
（一）HARSVERT-A系列高压变频器具有以下技术特点：
ARSVERT-A系列高压变频调速系统采用单元串联多电平技术，属高-高电压源型变频器，直接6KV输入，直接6KV高压输出。变频器主要由移相变压器、功率模块和控制器组成。
1.功率模块结构：功率模块为基本的交-直-交单相逆变电力，整流侧为二极管三相全桥，通过对IGBT逆变桥进行正弦PWM控制，可得到单相交流输出。每个功率模块结构及电气性能上完全一致，可以互换。
2.输入侧结构：输入侧由移相变压器给每个功率模块供电，移相变压器的副边绕组分为三组，根据电压等级和模块串联级数，一般由24脉冲系列、30脉冲系列、42脉冲系列、48脉冲系列等构成多级相叠加的整流方式，可以大大改善网侧的电流波形（网侧电压电流谐波指标满足IEEE519-1992和GB/T14549-93的要求）。使其负载下的网侧功率因数接近1，无需任何功率因数补偿、谐波抑制装置。由于变压器副边绕组的独立性，使每个功率单元的主回路相对独立，类似常规低压变频器，便于采用现有的成熟技术。
3.输出侧结构：输出侧由每个功率模块的U、V输出端子相互串接而成星型接法给电机供电，通过对每个单元的PWM波形进行重组，可得到阶梯正弦PWM波形。这种波形正弦度好，dv/dt小，对电缆和电机的绝缘无损坏，无须输出滤波器，就可以延长输出电缆长度，可直接用于普通电机。电机的谐波损耗大大减少，消除负载机械轴承和叶片的振动。
当某一个功率模块出现故障时，通过控制使输出端子短路，可将此单元旁路退出系统，变频器可降额机械运行；由此可避免很多场合下停机造成的损失。
4.控制器：控制器由高速单片机、嵌入式人机界面和PLC共同构成。单片机实现PWM控制。嵌入式人机界面提供友好的全中文bbbbbbS监控和操作界面，可以实现远程监控和网络化控制。内置PLC则用于柜体内开关信号的逻辑处理，可以和用户现场灵活接口，满足用户的特殊需要。
控制器与功率单元之间采用光纤通讯技术，低压部分和高压部分完全可靠隔离，系统具有极高的安全性，具有很好的抗电磁干扰性能，可靠性大大提高。交流220V控制电源掉电时，控制器可由配备的UPS继续供电，（散热风机电源取自移相变压器）变频器可以继续运行。
（二）概括起来其主要应用效果如下：
1．变频起动对电网没有任何冲击。由于变频器改造后风机可以实现变频软起动，避免了起动电流的冲击，不仅对电网没有任何冲击，还可以随时起动或停止；
2．按需调节风量，避免浪费。进行变频改造后，风机的送风量不再需要由风门来调节，而是由变频器通过变频调节风机的转速来实现，调节范围可以从0%—；可以根据生产需要随意调节风量，减少了不必要的浪费；
3．变频节能运行，节约了大量能源。由于变频改造后不再使风机一直处于满负荷工作状态，节能率高达63%以上；
4．降低风机工作强度，延长使用寿命。进行变频改造后，风机的大部分工作时间都在较低的速度下运行，大大降低了风机工作的机械强度和电气冲击，将会大大延长风机的使用寿命，降低维修强度；
5．可使电动机与风机直接相连接，减少传动环节的费用；
6．电机和风机运转速度下降，润滑条件改善，传动装置的故障下降；
7．系统压力降低，对管道的压力和密封等条件缓解，延长使用寿命；
8．系统完善的监控性能和高可靠性提高了工作效率，减少了检修和维护的工作量。
9．需要注意的是煤矿对旋风机变频调速后，一般情况下要求两台电机的运行频率尽量一致，从而保证电机转速一致。避免一台转速高，一台转速低，形成风阻，影响风机的正常运行。
四、结束语
矿用通风机采用变频调速，不但实现了软起停，节约了电能，可根据巷道的风量需求方便的进行调速，应用效果是十分理想的。我国的煤矿企业相当多，高压变频器在这一方面的应用应当是十分广泛的。
1. 引言
我公司从原东德进口的几台ZSTZ315/630C3磨齿机，加工精度好，效率高。但由于是七十年代设计的产品，电气控制采用继电器逻辑，不仅体积大，结构复杂，维修困难，特别是经过近二十年的使用，备件耗尽，继电器触点损坏严重，近几年故障率高。由于润滑充分，该机床的导轨，丝杠，丝母，滑台及工作台的蜗轮蜗杆等磨损不大，机床机械精度保持较好。近我们用NUM1040数控系统和相应的驱动及伺服电机对分度工作台1、X轴进行了数控化改造，机械上取掉了所有挂轮，不仅操作简单，还提高了传动精度。电气控制全部用PLC代替原来的继电器逻辑，简化了电路结构。经检测加工出的齿轮累积误差达到0.0052mm，齿距偏差0.0038mm，6齿距差0.0046mm，径跳0.009mm，加工工件精度一致性好，改造取得完全成功。
2. 数控改造方案
ZSTZ315/630 C3磨齿机的主要参数如下：
工作台直径：315mm/630mm 工作台承载：200kg/400kg
X轴行程：360mm 砂轮磨削角：14~26度
滑座冲程长度：20~225mm 冲程次数：75~315/Min
原机床的运动通过各类机械传动来完成，分度工作台（B轴）和X轴根据加工齿轮的大小，模数和齿数使用三级挂轮实现展成磨削运动。改造后X和B轴伺服电机轴分别通过连轴器直接与各自丝杠连接，取消挂轮减小传动误差。为了降低改造成本，缩短改造周期，经过研究论证，确定数控化改造方案如下：
（1）用NUM1040数控系统对磨削加工的展成运动进行控制，用交流数字驱动模块MDLA和BPH伺服电机驱动X和B轴，利用电机内置3072线编码器组成半闭环控制。运用数控系统对X和B二轴联动和插补运算完成各种齿轮型面的加工。
（2）利用NUM1040系统内置的PLC功能模块对机床操作、液压、冷却、润滑、砂轮起/停和滑台冲程等实现控制，取代了原机床的继电器逻辑线路，提高了机床稳定性和可靠性。
（3）保留原机床砂轮修整器的机械部分，将原来砂轮修整用的直流电机改为3 x 380V，1200R/Min，30W 的交流微型电机，增加一个小型换相接触器即可实现修整1和修整2的功能。
（4）保留砂轮驱动电机和滑台冲程电机，液压，润滑和冷却部分不变。
3. 数控系统的配置
（1）CNC硬件模块的组成
NUM1040是集CNC、PLC于一体的全功能数控系统，能控制1-6个轴（4轴插补），基本配置的输入/输出点数是64I/48O（可扩展为256I/O），1-3个手轮，8.4寸液晶彩显。能实现从刀具轨迹控制到外部设备的监控。CNC系统硬件采用了CMOS电路，光纤通讯技术及模块化设计思想，减少了系统和外界的连线，提高了整个机床电气系统的可靠性。系统主要由电源、CNC、驱动模块组成。系统软件具有开放性和友好界面，可提供帮助性编程方式和强大的通信功能，完善的丝杠螺距误差补偿和多种插补方式，用户可以方便地根据加工特性需要编写自己的固定循环。系统的硬件配置如下：
（2）PLC程序的模块化设计
NUM数控系统为内置式PLC结构，本机床外加二块32输入/24输出（输出带继电器，每只继电器有动合/动开触点各2对）I/O扩展板。采用梯形图编程语言，模块化程序设计，根据控制功能PLC程序编写成多个模块，每一个模块完成指定功能，各功能模块统一由主任务模块循环调用。这样设计的程序可读性强，逻辑控制可靠性高。主要模块有：
%INI—系统初始化模块：完成控制系统参数的设置与优化检查。I/O端口、定时器、计数器预置。堆栈、数据保护区、数据交换区的起始地址及容量的确定等。
%TS—主任务模块：完成对各功能模块% FP的循环调用。
%TP1~n—功能模块：处理与CNC的数据交换；伺服轴进给控制；功能代码处理，砂轮修整控制；滑台运动控制；操作面板处理，报警文本处理等。
%TH—中断处理模块：实时处理随机事件。
PLC控制程序流程图如下：
4. 结束语
该磨齿机床主要用于磨削渐开线圆柱型齿轮。采用展成 — 分度原理磨削渐开线齿形，用锥形砂轮按齿条和齿轮啮合原理生成渐开线齿廓。X和B两个数控轴合成实现展成运动，在展成运动的旋转的砂轮连同滑台一起沿齿向往复运动，一次展成循环过程，生成一个渐开线齿面。
工作台是数控回转运动，当展成到分度位置时，砂轮自动退回脱离与工件的接触，工件分度到下一个齿槽，分度的大小和精度由控制系统确定。对不同大小、模数和齿数的齿轮，数控系统自动计算，控制展成和分度运动。
该机床改造以来，因为提高了机械传动精度，加之合理使用间隙和螺距误差补偿能力，工件加工精度和工作效率有所提高。机床性能稳定可靠，运行以来未发生重大故障，据初步统计，故障率较改造前降低80%以上。
1 引言
传统的鼠笼式异步电动机起、制动控制方式一般有四种，即定子回路串电阻起动，Y/△起动，自耦变压器起动和延边三角形起动;制动方式有三种，反接制动，能耗制动和电容制动，其中任何一种起，、制动控制方式的实现通常由继电器-接触器控制系统来完成。下面就以定子回路串电阻降压起动和反接制动为例，分析由继电器-接触器实现的鼠笼式异步电动机的起、制动控制。
如图1所示，此控制电路含三个接触器和一个中间继电器线圈，12个触点。起动时，KM2、KM3线圈均处于断开状态，按下起动按钮SB1，KM1线圈通电并自锁，电动机串电阻减压起动。当电动机转速上升到某一定值时(此值为速度继电器KS1的整定值，可调节，如调至100r/min时动作)，速度继电器KS1的常开触点闭和，中间继电器KA通电并自锁，KA的常开触点接通接触器线圈KM3，KM3的主触点在主电路中短接定子电阻R，电动机转速上升至给定值时投入稳定运行。
制动时，按下停机按钮SB2，KM1线圈断电，其主触点断开三相电源;控制电路中常开触点断开，KM3失电，限流电阻串入;常闭触点闭合，接通反接制动接触器KM2，对调两相电源相序，电动机处于反接制动状态。当转速下降至某一定值时(比如100r/min),KS1常开触点断开KA，继而断开KM2，电动机失电，迅速停机。
这种传统的继电器接触器控制方式控制逻辑清晰，采用机电合一的组合方式便于普通机类或电类技术人员维修，但由于使用的电气元件体积大、触点多、故障率大，运行的可靠性较低。随着PLC技术的发展，使用PLC进行电机的运行控制已成为必然趋势。
2 采用PLC实现鼠笼式异步电动器起、制动控制
可编程序控制器是在继电器控制和计算机控制的基础上开发的产品，自60年代末，美国研制和使用可编程控制器以后，特别是日本和联邦德国也相继开发了各自的PLC(programmablelogiccontroller)，与传统的继电器接触器控制系统相比较，笔者认为采用PLC实现鼠笼式异步电动机起制动控制是明智的选择。下面就是笔者设计的采用PLC实现的鼠笼式异步电动机起制动控制电路的接线图、梯形图和指令程序，如图2和图3所示。
PLC控制逻辑与传统的继电器接触器控制系统基本一致，其工作过程如下:
起动时，按下起动按钮SB1,X400常开触点闭合，Y430线圈接通并自锁，KM1线圈接通，主触头吸合，电动机串入限流电阻R开始起动，Y430的两对常开触点闭合，当电动机转速上升到某一定值时，KS1的常开触点闭合，X402常开触点闭合，M100线圈接通并自锁，M100的一对常开触点接通Y432的线圈，KM3线圈有电主触头吸合，短接起动电阻，电机转速上升至给定值时投入稳定运行。
制动时，按下停机按钮SB2，X401常开触点断开Y430线圈，使KM1失电释放，而Y430的常闭触点接通Y431线圈，制动用的接触器KM2线圈通电，对调两相电源的相序，电动机处于反接制动状态。Y430的常开触点断开Y432的线圈，KM3失电释放，串入电阻R限制制动电流。当电动机转速迅速下降至某一定值时，KS1常开触点断开，X402常开触点断开M100的线圈，M100的常开触点断开Y431线圈，KM2失电释放，电动机很快停下来。过载时，热继电器FR常开触点闭合，X403的两对常闭触点断开Y430和M110的线圈，从而使KM1或KM2失电释放，起到过载保护作用。
上述控制过程指令程序如下:
3 PLC与继电器接触器控制系统的比较
通过对鼠笼式异步电动机起制动的传统控制方法和PLC控制方法的比较，从某种意义上看，PLC控制是从继电器接触器控制发展而来的。两者既有相似性又有很多不同处。
3.1 二种方案的不同点
(1)PLC内部大部分采用“软”逻辑
继电器接触器控制全部用硬器件、硬触点和“硬”线连接，为全硬件控制;PLC内部大部分采用“软”电器、“软”接点和“软”线连接，为软件控制;
(2) PLC控制系统结构紧凑
继电器接触器控制系统使用电器多，体积大且故障率大;PLC控制系统结构紧凑，使用电器少，体积小;
(3) PLC内部全为“软接点”动作快
电器接触器控制全为机械式触点，动作慢，弧光放电严重;PLC内部全为“软接点”动作快;
(4) PLC控制功能改变极其方便
继电器接触器控制功能改变，需拆线接线乃至更换元器件，比较麻烦;PLC控制功能改变，一般只需修改程序便可，极其方便;
(5) PLC控制系统制造周期短
PLC控制系统由于结构简单紧凑，基本为软件控制，设计、施工与调试比继电器接触器控制系统周期短。
由于PLC技术是计算机控制的基础上发展而来，它的软硬件设置上有着传统的继电器接触器控制无法比拟的优势，工作可靠性极高。
3.2 PLC方案的设计要点
(1) 设置滤波
在PLC中一般都在输入输出接口处设置π形滤波器，它不仅可滤除来自外界的高频干扰，还可减少内部模块之间信号的相互干扰;
(2) 设有隔离
在PLC系统中CPU和各I/O回路(主要指数字口)几乎都设有光耦合器作隔离，以防止干扰或可能损坏CPU等;
(3) 设置屏蔽
屏蔽有两类:一类是对变压器采取磁场和电场的双重屏蔽，这时要用既导磁又导电的材料作为屏蔽层;另一类是对CPU和编程器等模块仅作电磁场的屏蔽，此时可用导电的金属材料作屏蔽层;
(4) 采用模块式结构
PLC通常采用积木式结构，这便于用户检修和更换模板，在各模板上都设有故障检测电路，并用相应的指示器标志它的状态，使用户能迅速确定故障的位置;
(5) 设有联锁功能
PLC中个各输出通道之间设有联锁功能。以防止各被控对象之间误动作可能造成的事故;
(6) 设置环境检测和诊断电路
这部分电路负责对PLC的运行环境(例如电网电压、工作温度、环境的湿度等)进行检测，也完成对PLC中各模块工作状态的监测。这部分电路往往是与软件相配合工作的，以实现故障自动诊断和预报;
(7) 设置Watchdog电路
PLC中的这种电路是专门监视PLC运行进程是否按预定的顺序进行，如果PLC中发生故障或用户程序区受损，则因CPU不能按预定顺序(预定时间间隔)工作而报警;
(8) PLC的输入、输出控制简单
PLC是以扫描方式进行工作的，即PLC对信号的输入、数据的处理和控制信号的输出，分别在一个扫描周期内的不间间隔里，以批处理方式进行，这不仅使用户编程简单、不易出错，也使PLC的工作不易受到外界干扰的影响;PLC所处理的数据比较稳定，从而减少了处理中的错误;PLC的输入、输出的控制较简单，不容易产生由于时序不合适而造成的问题。
4 结束语
由于PLC在设计制造时充分考虑到工业控制的现场环境问题，并采取了多层次、多种有效措施来提高工作可靠性，采用PLC实现电机控制，特别是对工作环境条件较恶劣的工矿企业应该是一项明智之举。