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基于PLC的离心风机变频调速控制系统设计论文.doc基于PLC的离心风机变频调速控制系统设计论文.doc -- 6 元

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www.88doc88.comwww.yanziedu.com目录1绪论12总体设计方案12.1控制系统的要求12.2系统构成及工作原理12.3变频调速节能分析22.4变频调速的依据32.5离心风机控制原理分析33硬件设计63.1温度传感器的选择63.2PLC的选择73.2.1FP0系列PLC的特点73.2.2PLC控制系统设计流程73.3变频器的选择84软件设计114.1PLC程序设计114.1.1离心风机转换过程分析144.1.2系统工作状态144.1.3状态转换过程的实现方法154.2程序设计的梯形图165系统可靠性设计166系统调试196.1软件系统的调试196.2硬件系统的调试196.3软硬件结合调试197结论19谢辞20参考文献20附录程序清单2111绪论在工业生产、产品加工制造业中,风机设备主要用于锅炉的燃烧系统、其他设备的烘干系统、冷却系统、通风系统等场合,根据生产需要对炉膛压力、风速、风量、温度等指标进行控制和调节以适应工艺要求和运行工况。而最常用的控制手段则是调节风门、挡板开度的大小来调整受控对象。这样,不论生产的需求大小,风机都要全速运转,而运行工况的变化则使得能量以风门、挡板的节流损失的形式消耗掉了。在生产过程中,不仅控制精度受到限制,而且还造成大量的能源浪费和设备损耗。从而导致生产成本增加,设备使用寿命缩短,设备维护、维修费用高居不下。为此,需要采用多项措施实现对离心风机的自动控制,以使系统的各种性能达到合理的要求。近年来,出于节能的迫切需要和对产品质量不断提高的要求,加之采用PLC和变频器易操作、易维护、控制精度高,并可以实现高功能化等特点,采用基于PLC的变频器驱动方案开始逐步取代风门、挡板、阀门的控制方案。从而大大的降低生产成本,减少能量损耗和对环境的污染,为企业带来可观的经济效益和社会效益1。2总体设计方案2.1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。2.2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2.3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30.40.6//PQQeQQePe(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2.4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601/nfsp(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。2.5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KM1KM6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3.1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
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