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基于PLC的鼓风机变频调速系统设计.doc

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基于PLC的鼓风机变频调速系统设计.doc

www.88doc88.comwww.yanziedu.com目录1引言............................................................................................................................12系统整体设计............................................................................................................22.1工业锅炉燃烧过程的变频调速系统..............................................................22.1.1系统的工作原理.....................................................................................42.2鼓风机调速的要求..........................................................................................42.2.1鼓风机的负载特性................................................................................52.2.2鼓风机调速方式....................................................................................52.2.3鼓风机变频调速....................................................................................63系统硬件设计............................................................................................................73.1变频器的选型..................................................................................................73.1.1变频调速的基本原理............................................................................73.1.2调速控制风量的节能原理....................................................................93.1.3变频调速控制的优点..........................................................................103.1.4变频器选型原则...................................................................................113.1.5变频器的接线.......................................................................................123.2PLC的选型....................................................................................................153.3PLC和变频器对系统的控制原理................................................................153.4I/O口的分配..................................................................................................163.5外部接线.........................................................................................................174系统软件设计..........................................................................................................174.1梯形图程序.....................................................................................................174.2程序说明.........................................................................................................185变频器的抗干扰.......................................................................................................185.1变频器的抗干扰措施.................................................................................196结束语.......................................................................................................................20致谢..............................................................................................................................20参考文献......................................................................................................................2111引言当前全球经济发展过程中,有两条显著的相互交织的主线能源和环境。能源的紧张不仅制约了相当多发展中国家的经济增长,也为许多发达国家带来了相当大的问题。能源集中的地方也往往成为全世界所关注的热点地区。而能源的开发与利用又对环境的保护有着重大影响。全球变暖、酸雨等一系列环境灾难都与能源的开发与利用有关。能源工业作为国民经济的基础,对于社会、经济的发展和人民生活水平的提高都极为重要。在高速增长的经济环境下,中国能源工业面临经济增长与环境保护的双重压力。有资料表明,受资金、技术、能源价格的影响,中国能源利用效率比发达国家低很多。90年代中国高耗能产品的耗能量一般比发达国家高1255左右,90以上的能源在开采、加工转换、储运和终端利用过程中损失和浪费。如果进行单位GNP能耗(吨标准煤/千美元)的国家比较(90年代中期),中国分别是瑞士、意大利、日本、法国、德国、英国、美国、加拿大的14.4倍、11.3倍、10.6倍、8.8倍、8.3倍、7.2倍、4.6倍、和4.2倍。1995年,中国火电厂煤耗为412克标准煤/kWh,是国际先进水平的1.27倍。由此可见,对能源的有效利用在我国已经非常迫切。作为能源消耗大户之一的电机在节能方面是大有潜力可挖的。我国电机的总装机容量已达4亿千瓦,年耗电量达6000亿千瓦时,约占工业耗电量的80。我国各类在用电机中,80以上为0.55220kW以下的中小型异步电动机。我国在用电机拖动系统的总体装备水平仅相当于发达国家50年代水平。因此,在国家十五计划中,电机系统节能方面的投入将高达500亿元左右,所以变频调速系统在我国将有非常巨大的市场需求。目前,国内变频调速系统的研究非常活跃,但是在产业化方面还不是很理想,市场的大部分还是被国外公司所占据。因此,为了加快国内变频调速系统的发展,就需要对国际变频调速技术的发展趋势和国内的市场需求有一个全面的了解。随着电力电子技术、微电子技术及控制理论的发展,变频器己经广泛应用于交流电动机速度控制,变频调速几乎成了自动化的代名词。变频器的最主要特点是具有良好的控制性能和高效率的驱动性能。机械行业中应用变频器是改造传统产业、实现机电一体化的重要乎段在工矿企业自动化技术中,交流伺服系统正在取代直流伺服系统应用变频器技术不但可以提高产品质量和数量,而目可以节约大量电能。过去,当需要调节风量或流量时,采用的办法是调节风门或节流阀的开启程度,不改变电动机的运行状况.这种方法虽然简单,但是不能节省电能,这是很不经济的.采用变频器对风机、水泵及油泵进行速度控制,实现调节风量和流量,对于节约能源,提高经济效益具有重要意义。22系统整体设计2.1工业锅炉燃烧过程的变频调速系统工业锅炉根据采用燃料不同,通常可分为燃煤、燃油和燃气三种。这三种锅炉的燃烧过程控制基本相同,只有燃料量的调节有所区别。对工业锅炉燃烧过程实现变频调速主要是通过变频器调节鼓风机的送风量、引风机的引风量和燃烧进给量。下面以20t燃煤蒸汽锅炉为例,介绍变频器的应用。(1)燃煤蒸汽锅炉燃烧过程。由于蒸汽锅炉的过程控制系统包括汽包水位控制和燃烧过程控制系统,两系统在锅炉运行过程中相互耦合,所以控制起来非常困难。我们以燃烧过程控制为例来介绍变频器的应用。不考虑系统间的耦合。图1是蒸汽锅炉燃烧控制过程系统的原理图。在图中,FT表示流量传感器,FIC表示流量控制器,PT表示压力传感器,FT1、FIC1和变频器1组成鼓风机控制回路。对于燃煤锅炉来讲,由于煤的燃烧需要一定的空气量,所以要保持锅炉的最佳燃烧过程,就必须使给煤量和送风量保持一定的比例。这主要通过变频器1调节鼓风机转速来实现。PT2、PIC2和变频器2组成引风机控制回路。通常燃煤锅炉的运行都要求炉膛负压保持在2040Pa的范围内,如果炉膛负压太小,炉膛容易向外喷火,既影响环境卫生,又可能危及设备及操作人员的安全。负压太大,炉膛漏风量增大,增加了引风机的电耗和烟气带走的热量损失。炉膛负压控制主要通过变频器2来实现。PT、PIC、PT3、PIC3、FT3、FIC3和变频器3组成了给煤量控制回路。锅炉运行时,蒸汽压力和蒸汽生产量直接反映了锅炉燃烧发热量。如果媒的进给量改变,在保持最佳燃烧工况的情况下,蒸汽的生产量也会相应改变,所以通过变频器3调节给煤机的转速,就可以调节煤的进给量,从而控制蒸汽生产的目的。13图1蒸汽锅炉燃烧控制过程系统的原理图(2)根据图一可得锅炉燃烧控制系统框图,如图2所示4图2锅炉燃烧控制系统框图2.1.1系统的工作原理当负载蒸汽量变化时,主调节器接受蒸汽压力信号P,输入给煤量调节器,及时调节给煤量,以适应负载的变化。同时,给煤量调节器将负载变化的信号输入给送风量调节器,以保持适当的风煤比例。由于送风量调节器与引风负压调节器之间有动态补偿信号,此时引风负压调节器也同时动作,这样就保证了燃烧控制系统的协调动作。以保证正确的风煤比例和适当的炉膛负压。送风量调节器接受风量反馈信号,及时反映送风量的变化,以提高调节的稳定性。引风机负压调节器也接受炉膛负压信号,作为静态时对炉膛负压的校正作用。本系统通过压力传感器和流量传感器将锅炉的蒸汽压力、蒸汽流量、风量等信号送给PLC,然后通过PLC将信号送给变频器,以控制鼓风机的变频调速,实现系统的功能。2.2鼓风机调速的要求风机作为锅炉用量最大的通用耗电设备,其能耗对生产成本影响很大。但目前的情况是,很大一部分风机不是在设计工况下运行,而是处于变工况下运行,为满足其要求,就需对风机进行调节。但传统的调节方式诸如改变风门开度等,5达不到最佳效果。而随着变频器技术的飞速发展和日益广泛的应用,越来越多的风机采用变频器进行调节,节能效果明显。2.2.1鼓风机的负载特性风机负载的转矩与转速有关,基本上与速度的平方成正比,即MHKHnH2式中KH为比例常数nH为风机转速MH为风机负载转矩。风机的基本参数有风量Q,风压H及风阻R。风机的重要特性曲线是HQ曲线。根据风机参数的比例定律,在不同转速时的HQ曲线如图3所示。由流体力学可知,当风机的速度由额定转速度nHe变化到nH后,风量Q,风压H及轴功率PH的变化规律为QQenHnHeK1n,K1Qe/nHeHHenHnHe2K2n,K2He/nHe2PHPHenHnHe3K3n,K3PHe/nHe3。其中Qe是风机额定风量He是风机的额定风压PHe是风机的额定轴功率nHe是风机的额定转速。由Q,H和PH的表达式可见风量与速度成正比风压与速度平方成正比轴功率与速度立方成正比。图3HQ曲线当风机的管网风阻保持不变时,其风量Q与通风阻力f按阻力定律变化,即fRQ2,它对应的曲线称为风阻特性曲线。风机的HQ曲线与管网阻力曲线相交点称为工作点M(图1中,M1及M1′为同一风机在两种不同速度下的HQ曲线与R1风阻特性曲线相交的工作点,M2及M′2为与R2风阻曲线相交的工作点).22.2.2鼓风机调速方式鼓风机调节的基本原理是通过改变风机本身的特性曲线,或者外部的管网阻6力曲线,或者同时改变二者,得到所需的工况。风量调节又具体分为2类鼓风机恒速的调节和鼓风机变速的调节。(1)鼓风机恒速的调节改变鼓风机工作轮叶片安装角,此为轴流风机基本调节方法前倒流器调节,此为离心式风机基本调节方式,轴流风机亦可用风门挡板调节更换工作轮调节改变叶片数调节改变叶片宽度调节联合调节等等。(2)鼓风机变速的调节对于鼓风机变速调节,一般选用效率不高而简单的调速方式时,初期投资低而运行费用高采用效率高而复杂的调节时,效果相反。调节时要兼顾高效和初投资。2.2.3鼓风机变频调速(1)鼓风机实施变频调速应结合发生炉的特点来考虑,综合考虑频率对风量、风压的影响,否则实施后效果可能会很差。如鼓风机初始风量选型过大而风压合适,这种情况下不宜单纯从降低风量节能的角度实现变频调速,并且鼓风机更不能仅实现低频恒定运转。如某鼓风机设计风量为10000m3/h,实际仅需6000m3/h,因转速与频率成正比,风量与频率成正比,风压与频率的平方成正比,风机消耗功率与频率的立方成正比,若将频率降低至30Hz可满足要求,节电率也非常高,但风压却降低至36,不能满足水煤气生产过程要求。(2)鼓风机实施变频调速后,要达到与生产同步,应合理确定升频、降频信号的选取点。根据水煤气的生产特点,鼓风机的高频全速运转应在吹风阶段,而低频运转应在制气阶段,那么可以在对发生炉鼓完风后取一个信号使鼓风机低速运行,而在制气结束后取一个信号使鼓风机全速运行。问题是信号从哪一个地方取最合适、最经济、最方便。大致有3个方案①从时间段上取,如吹风定为70s,在吹风时间达到70s时,发出降频信号,使变频器带动鼓风机电机低速运转。②从程序段上取,如在程序段上显示1时发出信号,使变频器动作,鼓风机高频全速运转。③从各气动或液动阀门上行程开关取信号。综合这3种方案来看,第2种方案应为优选,原因是除了经济、方便外,更重要的是其简单及高可靠性。具体实施时,还应充分考虑变频器带动鼓风机的时间,否则生产阶段进入吹风过程时,鼓风机从低速开始加速,风量风压还远未达到要求,对生产影响大。所以启动信号应从第5个程序段上取,即显示5时,即是变频器的升频信号,而降频信号可在吹风结束程序段上显示2时取,确保了变频器带动鼓风机与生产的同步性,同时也给变频器的升降频过程留出了足够的时间。(3)鼓风机实施变频调速后应掌握好节电和节能的关系,找出最佳平衡点,达到既节电而发生炉产气能力、产气率变化又不大的目的。变频调速技术在鼓风

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