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PLC和变频器在离心风机控制系统中的应用正文.doc
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PLC和变频器在离心风机控制系统中的应用正文.doc
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1 绪论∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙1
1.1 离心风机通风系统的传统控制方法∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙1
1.2 PLC 和变频器的离心风机控制系统目的和意义 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙1
2 变频调速恒压供气理论分析∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙2
2.1 序言∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙2
2.2 工艺调节过程简介∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙2
2.3 调节系统的构建∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙2
2.3.1 调速原理∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙2
2.3.2 恒压供气系统的组成∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙5
2.3.3 调节系统的传递函数∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙6
2.3.4 变频恒压供气频率变化分析∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙7
3 恒压供气系统∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙8
3.1 系统总述∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙8
3.2 控制系统的组成∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙8
3.3 调速系统的构成及硬件选择∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙8
3.4 变频器∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙11
3.5 变频调速恒压系统的基本特点∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙13
4 控制系统∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙13
4.1 PLC 输入输出 I/O 分配 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙14
4.1.1 输入口∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙14
4.1.2 输出口∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙14
4.2 PLC 控制程序 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙14
5 系统调试∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙14
5.1 变频器关键参数的设定故障处理∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙14
5.1.1 变频器有关参数设定∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙15
5.1.2 变频器装置类故障处理∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙16
5.2 PLC 的调试 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙17
6 结束语∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙18
致谢∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙18
参考文献∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙18
附录一(PLC 控制程序的梯形图) ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙20
附录二(PLC 控制程序的指令表) ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙22
1 绪论
八十年代初发展起来的变频调速技术,正是顺应了工业生产自动化发展的要
求,开创了一个全新的智能电机时代。随着控制理论与功率电子技术的发展,交
流电机变频驱动得到推广,随着能源的紧张和人们环保意识的加强, 市场及时
推出了适用于驱动各种普通三相异步电动机的各种变频器。这些变频器大多使用
了 SPWM 正弦脉宽调制控制方式,具有调速性能好、输出稳定、工作效率高、
使用方便等特点,优于以往的变极调速、转子串电阻调速、串级调速、调压调速
等交流电机调速方式。一改普通电动机只能以定速方式运行的陈旧模式,使得电
动机及其拖动负载在无须任何改动的情况下即可以按照生产工艺要求调整转速
输出,从而降低电机功耗达到系统高效运行的目的。通风系统的主风机是大件之
一,具有高耗能的特点,如果通过对电动机采取变速驱动来调节风量,可以达到
较好的节能效果,同时还会减少设备的维护,增长设备的使用寿命
]21[ �
。
1.1 离心风机通风系统的传统控制方法
传统的离心风机通风系统中风机流量的设计均以最大风量需求来设计,目前
在需要调节的地方普遍用挡板、风门、回流等方法来实现,用电效率非常低。是
一个耗能大户,其电能消耗诸如阀门、挡板相关设备的节流损失以及维护、维修
费用占到生产成本的 7%-25%,是一笔不小的生产费用开支。随着经济改革的不
断深入,市场竞争的不断加剧,节能降耗业已成为降低生产成本、提高产品质量
的重要手段之一。为此,设计一套安全、可靠、高质量的通风系统,己显得迫在
眉睫
]3[
。
1.2 PLC 和变频器的离心风机控制系统目的和意义
PLC 和变频器的离心风机控制系统,是现今通风系统的一个新兴课题。首先,
它将自动控制和节能降耗融为一体,既能保证矿井通风系统的在线自动控制,又
能对原来系统进行节能降耗改造。其次,它能根据不同的季节,不同的时段,以
及各种意外的情况作出反应,保证根据实际的需要调节和控制风流流动路线的作
业,改变了传统利用调节挡板、风门、回流等方法来实现。使设备和系统平稳和
可靠,同时节能显著。此外,构造这样一个控制系统可减小占地面积,降低一次
性投资,系统安全可靠,维修管理方便
]4[
。
本论文就如何构造这样一个系统提出了一套较完备的方案,对方案的实际运
行,做了较深入的理论的探讨,并结合工作实际,做了一套切实可行的系统。
2 变频调速恒压供气理论分析
2.1 序言
在电气拖动设备的运行过程中,经常遇到这样的问题,即拖动设备的负荷变
化较大,而动力源电机的转速却不变,也就是说输出功率的变化不能随负荷的变
化而变化。在实际中这种“大马拉小车”的现象较为普遍,浪费能源。在许多生产
过程中采用变频调速实现电动机的变速运行,不仅可以满足生产的需要,而且还
能降低电能消耗,延长设备的使用寿命。这里介绍的煤气鼓风机系统采用变频调,
并应用 PLC 构成风压闭环自动控系统,实现了电机负荷的变化变速运行自动调
节风量,即满足了生产需要,又达到了节能降耗的目的。利用变频调速装置和压
力传感器组成闭环控制系统来控制风机的转速,保持气压恒定。下面就详细介绍
双恒压供气系统的理论构置情况
]76[ �
。
2.2 工艺调节过程简介
系统由二台变频变速风机和一台备用恒速风机及可编程控制器,压力传感器、
控制柜等单元设备和器件组成。其中变频变速风机是利用变频器改变电机工作频
率来改变风机的输出流量,利用速度变化来恒定系统压力的。
当系统投入运行时,压力传感器检测管网压力并将信号传给 PLC 和变频器,
在变频控制软件和 PLC 的作用下,系统根据不断收取到的管网压力信号与系统
设定压力相比较,根据比较结果改变变频变速风机运行频率和备用恒速风机投入
运行和休息的指令,从而实现无论用气量怎样变化,管网压力始终保持在设定压
力范围。当供气压力小于最低压力时,自动关闭两台变频风机,同时打开备用恒
速风机来满足低压供气要求,而且达到节能的效果。
2.3 调节系统的构建
2.3.1 调速原理
基本原理:在三、四十年代,电机调速理论和技术已在一些工业发达国家开
始研究和应用,如通过改变电机的磁极对数,利用变频改变交流电源的频率值,
在转子电路中加入调速变阻器或磁性放大器等方法对交流电机进行调速。但都由
于技术及设备复杂而不能在工业生产实际中广泛应用,随着微机应用技术的发展
特别是到了 80 年代采用大功率晶体管后,使得工业交流电机调速技术有了广泛
应用的可能。 目前,离心风机电机绝大部分是三相交流异步电动机,根据交
流电机的转速特性,电机的转速 n 为
psfn /)1(60 ��
(1)
式中
n
是电机转速;
f
是电源频率;
s
是转差率;
P
是电机的级对数。
当风机电机选定后,p 为定值,也就是说电机转速的大小与电源的频率高低
成正比,频率越高,转速越高;反之,转速越低。变频调速就是根据这一原理,
通过改变电源的频率值来实现风机电机的无级调速,并达到节能降耗的目的。可
见,在满足同样风量的情况下,风压大幅度降低,功率明显减小,节省的功率损
耗与面积成正比,节能效果十分明显。所以,采用改变风机转速的方法对风量和
风压进行控制是最合理和经济的。
变频调速恒压供气系统的控制特性分析:电动机稳定运行时实际输出转矩由
负载的需要来决定,在不同的转速下,不同的负载需要的转矩也是不同的,调速
方法和控制特性应适应负载的要求。
离心风机负载转矩特性:
(图 1)
QH �
曲线 (图 2) 风阻特性曲线
(图 3) 鼓风机的性能曲线
表示风机性能的特性曲线有:
QH �
曲线:当转速恒定时,风压与风量间的关系特性;
QP �
曲线:当转速恒定时,功率与风量间的关系特性;
Q�
�
曲线:当转速恒定时,风机的效率特性;对于同类型的风机。
根据风机参数的比例定律,在不同转速时的
QH �
曲线如图根据风机相似方
程;当风机转速从
n
变到
'
n
,风量
Q
、风压
H
及轴功率
P
的变化关系:
'
Q
=
Q
)/(
'
nn
(2)
2''
)/( nnHH �
(3)
3''
)/( nnPP �
(4)
上面的公式说明,风量与转速成正比。风压与转速的二次方成正比,轴功率
与转速的三次方成正比。
变频调速时电动机的机械特性:变频调速时,为了使电动机的运行性能好,
励磁电流和功率因数应基本保持不变,即希望气隙磁通
�
也保持不变,若
�
>
N
�
(
N
�
为额定运行时的磁通),将引起电机磁路过分饱和而使励磁电流增加,
功率因数降低;若
N
��
�
,将使电机的容许输出转矩下降,电机的功率得不到充
分利用,因此变频调速一般应使气隙磁通保持不变。
根据电动机的等效电路,如图 5 所示,在忽略定子漏阻抗压降
(图 4)
CfU �
11
/
变频调速的机械特性 (图 5) 感应电机的 T 型等效电路
)(
11
11
�
jxRII ��
��
(5)
的条件下,定子的相电压 U
1
与气隙磁通 Φ 和频率 f
1
之间的关系为
�
11111
44.4
N
kNfEU ��
(6)
式中,
11 N
kN
为定子绕组每相的有效匝数,当电机确定后,为一常数。由式(6)
可知,在
f
变化时,电机的端电压
U
,必须与频率
f
成正比变化,才能保持。不
变,即
�
11
/ fU
常数 (7)
电动机的电磁转矩
T
为
])()[(
2
3
2
'
21
2
'
2
11
'
2
2
1
��
�
xx
s
R
Rf
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(8)
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