基于plc的离心风机变频调速控制系统设计论文

基于plc的离心风机变频调速控制系统设计论文内容摘要：

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 2 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 [2]。 系统组成简图如图 1 所示。 图 1 自动控制系统组成框图 变频调速节能分析 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 （ l） 表示： 30 .4 0 .6 / ( / )P Q Q e Q Q e P e   （ 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， 3 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 [3]。 图 2 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 （ 2） 所示： 60 (1 ) /n f s p （ 2） 其中 n 表示电机转速； 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 [4]。 变频系统的主电路原理图如图 3 所示。 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 4 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 4 所示。 图 3 变频器主电路原理图 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 PLC 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 5 所示。 图 5 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， 5 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。 中间继电器 KA1KA6控制接触器 KM1KM6 的接线图如图 6 所示。 图 4 离心风机主电路图 6 图 5 离心风机控制线路图 3 硬件设计 温度传感器的选择 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 7 内温度达到设定的温度值。 图 6 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 [5]。 PLC 控制系统设计流程 PLC 控制系统的设计步骤如图 7 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 8 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 8 所示， I/O 分配表如 表 1 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 9 所示。 主电路端子及功能表如表 2 所示，控制电路端子 及功能表如表 3 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。