基于plc的风机控制系统设计毕业设计论文(编辑修改稿)

基于plc的风机控制系统设计毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

保持并网运行的低电压穿越运行要求。 应 该说，这还只是一个初步的、相对较低的运行要求。 在今后可能还会出台更为严格的上网限制措施。 这些要求的实现，主要靠 控制系统中变频器算法及结构的改善，当然和主控和变桨系统也有密切联 系。 （ 3）实现在功率预估条件下的风电场有功及无功功率自动控制。 目前，风电机组都是运行在不调节的方式，也就是说，有多少风、发多少电，这在风电所占比例较小的情况下也没有多大问题。 但是，随着风电上网电量的大幅度增加，在用电低谷段往往是风机出力最大的时段，造成电网调峰 异常困难，电网频率、电压均易出现较大波动。 当前，电网对这一问题已 相当重视，要 求开展。 安徽工程大学毕业设计（论文） 5 第二章 总体方案设计 控制系统的要求 （ 1）高可靠性，以适应工业现场十分恶劣和复杂的工作条件。 （ 2）具有实时响应处理能力，以满足工业生产过程实时控制要求。 （ 3）有丰富的可与工业现场信号相连接的工业接口，方便实现在线 监 控。 （ 4）控制系统结构应能组配灵活，易于扩展。 （ 5）有先进的系统环境和应用软件便于开发。 （ 6）有自动 /手动转换系统，保证在自动控制系统出现故障时，可以 手 动控制。 （ 7）有可靠的报警系统，在风机电机过热，变频器出现故障时能及 时 发出报警信号。 系统构成及工作原理 工业离心风机的工作要求是指在特定的工作环境中，风机输出的风量要随着外界条件的变化，保持在设定的参数值上。 这样，既可满足工作要求，又不使电动机空转，而造成电能的浪费。 为实现上述目标，本系统采用闭环控制的方式。 工业现场的温度由温度传感器检测，变换成模拟输入反馈信号，经 A/D转换后与 PLC中给定值比较，再经 D/A转换变成模拟量输出信号，控制变频器调节风机转速，从而达到控制工厂车间温度的目的 系统组成简图如图 21所示。 图 21 自动控制系统组成框图 变频调速节能分 变频调速应用于风机系统电机的自动控制中，其节能效果明显。 由流体力学的基本定律可知：风机、泵类设备均属平方转矩负载，其转速 n与流黄炜 ： 基于 PLC的 风机 控制 系统设计 6 量 Q，压力 H以及轴功率 P具有如下关系： Q∝ n， H∝ n2， P∝ n3，即流量与转速成正比，压力与转速的平方成正比，轴功率与转速的立方成正比。 图 2给出了风机中风门调节和变频调速两种控制方式下风路的压力 风量 (HQ)关系及功率 风量 (PQ)关系。 其中，曲线 1是风机在额定转速下的 HQ曲线，曲线 2是风机在某一较低速度下的 HQ曲线，曲线 3是风门开度最大时的 HQ曲线， 曲线 4是风机在某一较小开度下的 HQ曲线。 可以看出，当实际工况风量由 Q1下降到 Q2时，如果在风机以额定转速运转的条件下调节风门开度，则工况点沿曲线 1由 A点移到 B点；如果在风门开度最大的条件下用变频器调节风机的转速，则工况点沿曲线 3由 A点移到 C点。 显然， B点与 C点的风量相同，但 C点的压力要比 B点压力小得多。 因此，风机在变频调速 运行 方式下，风机转速可大大降低，节能效果明显。 曲线 5为变频控制方式下的 PQ曲线，曲线 6为风门调节方式下的 PQ曲线。 可以看出，在相同的风量下，变频控制方式比风门调节方式能耗更小，二者之 差可由下述经验公式 （ 2l）表示： 30 . 4 0 . 6 / ( / )P Q Q e Q Q e P e   （ 21） （ l）其中 Q为风机运行时实际风量。 Qe为风门开度为最大，且电机运行在额定转速时的风量。 Pe为风门开度为最大，且电机运行在额定转速时的功率。 通过以上分析得出，采用转速进行调节风量，比起用挡板调节风量节省能源，风量调节幅度越大，节电效果越高。 对我国风机现有的运行状况进行调查后得出，其中大多数风机处于大马拉小车的状态，用 挡板进行运行流量的调节，极大的浪费了电能，若采用调速方式运行，则可以大量节约电能，并能在 1至 2年内收回投资成本。 图 22 变频调速在风机中的节能分析 变频调速的依据 变频调速技术的基本原理是根据电机转速与工作电源输入频率成正 比 的关系，如公式（ 22）所示： 60 (1 ) /n f s p （ 22） 其中 n表示电机转速； 安徽工程大学毕业设计（论文） 7 f为电动机工作电源频率； s为电机转差率； p为电机磁极对数。 通过改变电动机工作电源频率达到改变电机转速的目的。 交流 电动 机 调速方法有三种，主要有： （ 1） 变极对数调速， （ 2）变转差率调速， （ 3）变频调速，即改变电源的频率来改变电机的转速。 这三种方法前两种有一定的局限性，而变频调速具有其他调速方法无可比拟的优势，变频调速的性能和经济指标己赶上直流调速系统。 变频调速传动效率高，因变频调速属于电气调速，无中间机械设备，也就没有附加的转差损耗，属于低损耗的高效调速，而且其调速范围广，反应速度快，精度高，装置安全可靠，安装调试方便，容易实现闭环控制，能达到自动调节。 另外，使用变频调速还具有高效节能的效果。 目前，变频调速控制器 作为一种新型的节能控制装置，已开始在各行各业逐渐得到推广和应用。 变频系统的 主电路原理图如图 23所示。 图 23 变频器主电路原理图 离心风机控制原理分析 三台大容量的离心风机 (1, 2, 3)根据工作状态的不同，具有变频、工频两种运行方式，因此每台离心风机均要求通过两个接触器分别与工频电源和变频电源输出相联。 QS1, QS2, QS3, QS4分别为主电路、变频器和各电机的工频运行控制开关， KM1， KM2， KM3为三台风机工频运行时的交流接触器， KM4， KM5， KM6为三台风机变频运行 时的交流接触器， FR1, FR2, FR3为工频和变频运行时的电机过载保护用热继电器，变频运行时由变频器也可实现电机过载保护。 变频器的主电路输出端子 (U, V, W)经接触器接至三相电动机上，当旋转方向与工频时电机转向不一致时，需要调换输出端子 (U, V, W)的相序，否则无法工作。 主电路见图 24所示。 在控制电路的设计中，必须要考虑弱电和强电之间的隔离问题。 为了保护 PLC设备， PLC输出端口并不是直接和交流接触器连接，而是在 PLC输出端口和交流接触器之间引入中间继电器，通过中间继电器控制接触器线黄炜 ： 基于 PLC的 风机 控制 系统设计 8 圈的得电 /失电，进而控制电机或者阀门的动作。 通过隔离，可延长系统的 使 用寿命，增强系统工作的可靠性。 控制电路之中还要考虑电路之间互锁的关系，这对于变频器安全运行十分重要。 变频器的输出端严禁和工频电源相连，也就是说不允许一台电机同时接到工频电源和变频电源的情况出现。 因此，在控制电路中，对各风机电机的工频 /变频运行接触器作了互锁设计；另外，变频器是按单台电机容量配置，不允许同时带多台电机运行，为此对各电机的变频运行也作了互锁设计。 为提高互锁的可靠性，在 PLC控制程序设计时，进一步通过 PL C内部的软继 电器来做互锁。 出于可靠性及检修方面的考虑，设计了手动 /自动转换控制电路。 通 过 转换开关及相应的电路来实现。 电气控制线路图见图 25所示。 图 25中， SA为手动 /自动转换开关， KA为手动 /自动转换用中间继电器，打在 ① 位置为手动状态，打在 ② 位置 KA吸合，为自动状态。 在手动状态，通过按钮 SB1SB12控制各台风机的起停。 在自动状态时，系统执行 PLC的控制程序，自动控制风机的起停。 中间继电器 KA的 6个常闭触点串接在三台风机的手动控制电路上，控制三台风机的手动运行。 中间继电器 KA的常开触点接 PLC的 X0，控制自动变频运行程序的执行。 在自动状态时，三台风机在 PLC的控制下能够有序而平稳地切换、运行。 风机电机电源的通断，由中间继电器 KA1KA6控制接触器 KM 1KM6的线圈来实现。 HL0为自动运行指示灯。 FR1, FR2, FR3为三台风机的热继电器的常闭触点，对电机进行过流保护。 图 24 离心风机主电路图 安徽工程大学毕业设计（论文） 9 图 25 离心风机控制线路图 黄炜 ： 基于 PLC的 风机 控制 系统设计 10 第 3章 系统 硬件设计 温度传感器 选择 本系统是将传感器安装在工厂车间中，通过实时检测车间内的温度，换算出与设定温 度之间的调整值， 通过变频器自动调节到合适的风机转速 ， 从而使车间内温度达到设定的温度值。 中间继电器 KA1KA6控制接触器KM1KM6的接线图如图 31所示。 图 31 KAKM接线图 根据本系统的具体情况，经认真比较最后选定热电偶传感器，它是工业测量中应用最广泛的一种温度传感器，它与被测对象直接接触，不受中间介质的影响，具有较高的精确度；测量范围广，可从 50℃ ～ 1600℃ 进行连续测量，当工作端的被测介质温度发生变化时，热电势随之发生变化 将热电势送入 PLC进行处理，即可得到温度值。 PLC的选择 对于主控设备 PLC的选择，从收集的国内外各种 PLC产品的资料来看，充分考虑了工业离心风机工作状况和本控制系统的特点以及现有条件，最终选择了日本松下电工 FP0系列 PLC产品。 FP0系列 PLC的特点 FP0系列 PLC在小机壳内汇聚了先进的功能和优异的表现，包括脉冲捕捉，两路脉冲输出， PID， PWM，高速计数，网络通信，模拟量设定和时钟功能等。 主机单元是集成了 CPU，电源 (AC)，输入输出单元的独立模块，可单独使用，也可以和扩展单元任意组合使用，最多可配置 3个扩展模块。 I/O点可以从最少的 10点扩展 到最多的 128点。 使用时可根据实际情况进行适当的 组合。 主机和扩展单元都有专门的扩展接口，在扩展时可以直接连接， 不 需要连接电缆。 本设计根据需要，主模块选用 FP0C32，扩展模块选用FP0E16， A/D转换模块采用 FP0A80模块。 PLC控制系统设计流程 安徽工程大学毕业设计（论文） 11 PLC控制系统的设计步骤 如图 32所 示，在本系统的设计中，使用了一个主模块，一个扩展模块，一个 A/D转换模块，共使用 19个输入口， 12个输出口，在 I/O口的使用上，充分考虑了系统在以后扩展的需要，对一些有特殊用途的端口如 A/D转换模块 的接口尽量不用或者少用。 为了提高系统的可靠性，在软件设计时除了编制正常工作下的自动控制程序外，还在 PLC中编制了手动控制程序，这样做较之以往的控制系统有三个好处：第一，可以在系统安装完成后，对各个设备进行单个调试，以检查设备是否工作正常；第二，可以在系统自动控制程序出现错误时，用手动方式在 PLC上控制系统的运行；第三，当系统工作单元如电机出了故障时，可以手动切换出现故障的电机，使之停止运行，把没有故障的电机切换入系统保证系统正常运行；正是因为有这些好处，在 PLC上用了 12个输入口实现对手动控制程序的支持，从 而大大提高了系统可靠性。 PLC模块接线图如图 32所示， I/O分配 如表 31所示。 变频器的选择 本系统设计选用变频器为森兰 BT12S系列，变频器的连接端子图如图33所示。 输入端 R， S， T通过主电路接至电源，输出端 U， V， W通过主电路接至离心风机，使用时绝对不允许接反，控制端子 FWD为正转启动端，为保证电动机 单向正转运行，将 FWD与公共端 CM相接。 变频器的功能预置为： F01=5 频率由 X4， X5设定。 F02=1 使变频器处于外部 FWD控制模式。 F28=0 使变频器的 FMA输出功能为 频率。 F40=4 设置电动机极数为 4极。 FMA为模拟信号输出端，可在 FMA和 GND两端之间跨接频率表，用于监视 变频器的运行频率。 F69=0 选择 X4， X5端子功能，即用于控制端子的通断实现变频器的 升 降速。 X5与公共端 CM接通时，频率上升； X5与公共端 CM断开时，频率保持。 X4与公共端 CM接通时，频率下降； X4与公共端 CM断开时，频率保持。 本系统中使用 S1和 S2两个按钮分别与 X4和 X5相接，按下按钮 S2使 X5与公共端 CM接通，控制频率上升；松开按钮 S2， X5与公共端 CM断开，频率保 持。 同样，按下按钮 S1使 X4与公共端 CM接通，控制频率下降；松开按钮S1， X4与公共端 CM断开，频率保持。 VRF， Y1接至 PLC，接收和发送与 PLC主机之间的控制信号。 变频器频率参数设置为： （ 1） 最高频率：风机属于平方转矩负载，转矩 T与转速的平方成正比 当转速超过其额定转速时，转矩将按平方规律。