〔大学论文〕PLC和变频技术在离心风机调速控制系统中的应用(含word文档) .pdf
《〔大学论文〕PLC和变频技术在离心风机调速控制系统中的应用(含word文档) .pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《〔大学论文〕PLC和变频技术在离心风机调速控制系统中的应用(含word文档) .pdf(22页珍藏版)》请在三一文库上搜索。
1、目目目目录录录录 1 绪论.1 1.1 PLC 和变频器的离心风机控制系统目的和意义1 1.2 离心风机的控制存在的问题.1 2 离心风机变频器技术调速控制系统总设计方案2 2.1 离心风机控制系统的要求.2 2.2 离心风机调节系统的构建.2 2.2.1 离心风机系统的组成2 2.2.2 调节系统的传递函数3 2.2.3 调速原理4 2.3 离心风机主电路.6 2.4 离心风机的控制电路.6 3 硬件设计8 3.1 压力传感器的选择.8 3.2 PLC 的选择8 3.2.1 FP0 系列 PLC 的特点.8 3.2.2PLC 控制系统设计流程 8 3.3 变频器容量的确定及型号选择.10 4
2、 软件设计12 4.1 PLC 程序设计12 4.1.1 离心风机转换过程分析.13 4.1.2 系统工作状态.14 4.1.3 状态转换过程的实现方法.14 4.2 程序设计的梯形图.14 5 系统可靠性设计16 6 系统调试17 6.1 软件系统的调试.17 6.2 硬件系统的调试.17 6.3 软硬件结合调试.17 7 结论18 致谢18 参考文献19 附录 1.20 附录 2.21 1 1 1 1 1 绪论绪论绪论绪论 变频调速技术发展起来,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
3、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 弦脉宽调性能好、输出制控制方式,具有调速稳定、工作效率高、使用方便等特 点,优于早先变级的调速、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的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。通风系统的主离心风机是大件之一,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
4、寿命 21 。 1.11.11.11.1 PLCPLCPLCPLC 和变频器的离心风机控制系统目的和意义和变频器的离心风机控制系统目的和意义和变频器的离心风机控制系统目的和意义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 及各种意外的情况做出反应, 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
5、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。 离心风机是消耗电能较大的机械产品, 并且在一年四季中用风量变化较大, 所以要求离心风机的设计工矿和使用工矿都要有较高的效率, 这就要求对离心 风机的设计和运行都要从节能的观点出发。在实际运行中,离心风机的工矿有时 需根据生产要求进行调节, 使离心风机输出的工作流量与实际需要的流量相平 衡。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。 1.21.21.21.2 离心风机的控制存在的问题离心风机的控制存在的问题离心风机的
6、控制存在的问题离心风机的控制存在的问题 离心风机系统运行上有多处应用离心风机设备主要用于通风系统、锅炉的 燃烧系统、其他设备的烘干系统、冷却系统等。经常生产时,离心风机耗电占总 用耗电的 40%。排风系统,在整个使用过程中,电机始终处于恒速运动,存在以 下问题: (1)离心风机采用异步电机,恒速运转,风速风压不可调,无法实现自动 2 控制。 (2)产前期,所需风量低于设计风量,而离心风机速度不可调,只能通过 调节闸板的开角度,即改变风阻来改变风量,增加了电能损耗。 (3)电机启动时,启动电流大。 (4)运动噪声大,发热程度高。 (5)控制柜一般安装在现场电机附近,电击功率较大,无法实现异地控制
7、。 为了解决以上问题,进行研究和广泛的调研,确定解决问题的主要方向是离 心风机节能、调速。 2 2 2 2 离心风机变频器技术调速控制系统总设计方案离心风机变频器技术调速控制系统总设计方案离心风机变频器技术调速控制系统总设计方案离心风机变频器技术调速控制系统总设计方案 2.12.12.12.1 离心风机控制系统的要求离心风机控制系统的要求离心风机控制系统的要求离心风机控制系统的要求 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
8、制系统结构应能够组配灵活,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,在离心风机电机过热,变频器出现故障时能及时 发出报警信号。 2.22.22.22.2 离心风机调节系统的构建离心风机调节系统的构建离心风机调节系统的构建离心风机调节系统的构建 2.2.12.2.12.2.12.2.1 离心风机系统的组成离心风机系统的组成离心风机系统的组成离心风机系统的组成 由图 1 知, 离心风机在运行中将压力传感器的压力检测点(管网的中部)的管 网压力 H 信号由压力变送器传送给 PLC,经过
9、PLC 的智能扩展模块 A21 来进行模 数转换,A21 根据变送器传递来的标准的电流或电压信号的大小,把模拟量按照 一定的关系转换成 PLC 内部的数字信号, 然后由 PLC 将转换后的数字信号与事先 设定的压力值相比较,当管网压力H低于设定压力 0 H时,PLC 向变频器发出提 高电源频率的信号, 变频调速器将电机转速提高后, 离心风机的转速也相应提高, 出气量增大,管道压力H也随之升高;反之当H高于 0 H时,PLC 向变频器发出 降低电源频率的信号,离心风机的转速相应下降,离心风机转速的提高与降低完 全根据压力检测点的压力高于或低于设定压力 0 H来调节。因此,系统供气压力 其本上维持
10、在设定压力 0 H的范围内供气,也就是基本保持恒压供气。 3 图图图图 1 1 1 1系统工作原理图系统工作原理图系统工作原理图系统工作原理图 离心风机在变频调速恒压供气过程中,离心风机工矿点的变化见图 2 所示。 图图图图 2 2 2 2离心风机工矿点的变化离心风机工矿点的变化离心风机工矿点的变化离心风机工矿点的变化图图图图 3 3 3 3离心风机变速恒压工矿离心风机变速恒压工矿离心风机变速恒压工矿离心风机变速恒压工矿 当, 21 HH高于 0 H时,说明管网系统用气量减少,管路阻力特性曲线 21,A A, 向 0 A方向变化,此时离心风机转速逐渐降低,管道压力也由 12,H H 逐渐下降,
11、当 1 H低于 0 H时,其工矿点变化与上述相反即由 1 A逐渐向 0 A移动, 使管网系统供气始终保持恒压。 当管网用气量由 12,Q Q向 0 Q移动时,通过改变离心风机转速使 H保持恒 定,见图 3。 2.2.22.2.22.2.22.2.2 调节系统的传递函数调节系统的传递函数调节系统的传递函数调节系统的传递函数 取流量为调节对象,其传递函数框图如图 4。其中: 0 H-总管压力给定值; )(t H-被调总管压力,kPa; -偏差, 0 H- )(t H; v(t)-变频器转速指令函数; )(sWa-PID调节器传递函数; 4 )( 0 sW-调节对象传递函数(包括变频器转速特性,压力
12、变送器特性等)。 )(sWa=1 /(1 + 1/Ts)(1) )( 0 sW= k / 1+Ts(2) 图图图图 4 4 4 4控制框图控制框图控制框图控制框图 2.2.32.2.32.2.32.2.3 调速原理调速原理调速原理调速原理 基本原理: 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基本 原理: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
13、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: n= 60 f (1+s)/P(3) 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。 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)改变级对数调速,(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
14、速,无中间机械设备,也就没 5 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 3。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: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
15、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: 图图图图 5 5 5 5QH曲线曲线曲线曲线图图图图 6 6 6 6风阻特性曲风阻特性曲风阻特性曲风阻特性曲 Q=Q)/( nn(4) 2 )/(nnHH=(5) 3 )/(nnPP=(6) 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
16、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。 6 2.32.32.32.3 离心风机主电路离心风机主电路离心风机主电路离心风机主电路 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,KM
17、3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7所示。 图图图图7 7 7 7 离心风机主电路图离心风机主电路图离心风机主电路图离心风机主电路图 2.42.42.42.4 离心风机的控制电路离心风机的控制电路离心风机的控制电路离心风机的控制电路 控制电路的设计中,
18、必须要考虑弱电和强电之间的隔离问题。为保护 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 N L1 L2 L3 RST U VW FU1 QS1QS2QS3QS4 KM 1KM 2KM 3 KM 4KM 5 KM 6 FR1FR2FR3 M1M2M3 333 7 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
19、 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 8 所示。 图图图图 8 8 8 8 离心风机控线制路图离心风机控线制路图离心风机控线制路图离心风机控线制路图 8 3 3 3 3 硬件设计硬件设计硬件设计硬件设计 3.13.13.13.1
20、 压力传感器的选择压力传感器的选择压力传感器的选择压力传感器的选择 本系统是将传感器安装在矿井中,通过实时检测矿井内的压力,换算出与设 定压力之间的调整值,通过变频器自动调节到合适的离心风机转速,从而使矿井 内压力达到设定的压力值。 根据系统的具体情况,选定 MPX2000 压阻式压力传感器,压阻式压力传感 器是利用单晶硅的压阻效应制成的器件。 它是在单晶硅基片上用扩散工艺制成一 定形状的应变元件,当受到压力作用时,使应变元件的电阻率发生变化,电阻变 化引起电路输出电压发生变化。压阻式传感器的特点有:易于小型化、易于集成 化、灵敏度高、测量范围宽、频率响应宽、工作可靠寿命长、受压力影响大。 压
21、 阻式压力传感器广泛应用于流体压力、压差的测量。 3.23.23.23.2 PLCPLCPLCPLC 的选择的选择的选择的选择 主控设备 PLC 选择国内外各种 PLC 资料看充分考虑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,最终选择松下电工 FP0 系列 PLC 产品。 3.2.13.2.13.2.13.2.1 FP0FP0FP0FP0 系列系列系列系列 PLCPLCPLCPLC 的特点的特点的特点的特点 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 CP
22、U,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 FP0-A80 模块。 3.2.23.2.23.2.23.2.2PLCPLCPLCPLC 控制系统设计流程控制系统设计流程控制系统设计流程控制系统设计流程 PLC 控制系统的设计步骤附录 1 所示, 在本系统的设计中, 使用了
23、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 9 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
24、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 9 所示,I/O 分配表如表 1 所示 4。 图图图图 9 9 9 9PLCPLCPLCPLC 接线图接线图接线图接线图 10 表表表表 1 1 1 1 I/OI/OI/OI/O 分配表分配表分配表分配表 X0系统启动Y0电源指示灯 X1系统停止Y1压力过高指示灯 X2变频器信号输入Y2接变频器 VRF 端 X3压力传感器 1 信号输入Y4变频器报警 X4压力传感器 2 信号输入Y5电机线圈过热报警 X
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 大学论文PLC和变频技术在离心风机调速控制系统中的应用含word文档 大学 论文 PLC 变频 技术 离心 风机 调速 控制系统 中的 应用 word 文档
链接地址:https://www.31doc.com/p-3698483.html