PLC和变频技术在离心风机调速控制系统中的应用【毕业论文+答辩稿+外文翻译】
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PLC和变频技术在离心风机调速控制系统中的应用
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研究课题的目的和意义 在工业生产中通风系统场合，离心风机设备被大量应用。但不论生产的需求大小，离心风机都要全速运转，而运行工矿的变化则使得能量以风门、挡板的节流损失消耗掉了。在生产过程中，不仅造成大量的能源浪费和设备损耗，而且控制精度受到限制，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。 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 护简单快捷、控制精度高，并可以实现高智能化等特点，采用基于 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。事实证明离心风机采用 电率可达到 20 节能效果显著。 （ 1）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。 （ 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）高可靠性，以适应工业现场十分恶劣和复杂的工作条件。 系统的设定 系统工作原理 离心风机总电路图 离心风机控制原理图 变频调速原理 系统控制原理 通过安装在矿井内部的压力传感器，将信号传给压力变送器变成标准信号送入 运算与给定压力参数进行比较，得出调节参数送给变频器，由变频器控制风机电机的转速，调节矿井内风量大小，使井内风量达到所需风量。 采用变频器控制通风电机的转速，并自动调节风机的运行台数，完成风力的闭环控制，达到稳定的风量和节能的目的。这与传统的手动控制相比，该控制系统具有通风质量高、灵活性强、能耗少、电动机启、停平稳等许多优点。 离心风机主电路图 1Q S 1 Q S 2 Q S 3 Q S 4K M 1 K M 2 K M 3K M 4 K M 5 K M 6F R 1 F R 2 F R 32 3变频器离心风机控线制路图 变速调速原理 对通风机的调速是通过对其电机转速的调节来实现。我们知道：异步电动机转速 n=60f(1P。在这个公式中， 3%或 0 6%)。由上述电机的转速公式可见：要想改变电机的转速，可以通过三种方法来实现： (1) 改变电动机的频率 f； (2) 改变电动机的转差率 S； (3) 改变电动机的磁极对数 P。 通过对上面三种方法的分析可以知道：改变电动机的转速的最好方法是改变电动机电源的频率。 硬件的选择及接线 本系统选择松下电工 括脉冲捕捉，两路脉冲输出， 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 源 (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/28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 展模块选用 A/ 结论 全通风优点。采用 件结构简单，成本低。 此系统构成了三台通风电机自动控制的循环结构 ,在设计中充分考虑变频和工频的切换，每台风机合理分配变频，这是解决一问题的关键。 控制系统目前是针对矿井内对压力的特定要求而设计的，以后可以考虑在其它的系统如除尘系统中应用。在硬件选取时也留有一定的扩展空间，目前只进行了压力测量来控制离心风机转速，以后还可以进行其它参数测量现实更多的自动控制。在工业实际应用中，系统可连入工业控制网络，从而实现远程上位机控制，在本系统的设计中，没有涉及此方面的具体探讨，可在以后的系统设计中，再进行认真的分析。 谢谢各位老师！ 目 录 1 绪论 . 1 变频器的离心风机控制系统目的和意义 . 2 心风机的控制存在的问题 . 2 2 离心风机变频器技术调速控制系统总设计方案 . 3 心风机控制系统的要求 . 3 心风机调节系统的构建 . 3 心风机系统的组成 . 3 节系统的传递函数 . 4 速原理 . 5 心风机主电路 . 7 心风机的控制电路 . 7 3 硬件设计 . 9 力传感器的选择 . 9 选择 . 9 列 特点 . 9 制系统设计流程 . 9 频器容量的确定及型号选择 . 11 4 软件设计 . 13 序设计 . 13 心风机转换过程分析 . 14 统工作状态 . 15 态转换过程的实现方法 . 15 序设计的梯形图 . 15 5 系统可靠性设计 . 17 6 系统调试 . 18 件系统的调试 . 18 件系统的调试 . 18 硬件结合调试 . 18 7 结论 . 19 致谢 . 19 参考文献 . 20 1 摘 要 随着电力电子技术以及控制技术的发展，使得交流变频调速在工业电子拖动领域得到了广泛应用。本文介绍了运用 术对离心风机 控制系统进行的技术改造，实现了离心风机变频调速，并详述了该系统的工作原理、软硬件设计。以 核心的 系统实现对数据的采集、比较，以及对变频器、电机等设备的控制任务，并能实现控制系统的参数设置、故障诊断等功能。 软器件代替大量的继电 触点接触不良造成的故障大为减少，因此控制系统具有功能强大、容易使用、节能降耗和高可靠性等的特点。 关键词： 频器，变频调速，离心风机 ,节能 降耗 of to at to to LC is to to to to of LC as to of to as of of a of of in of in to so to of 绪论 2 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 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，增长设备的使用寿命 21 。 变频器的离心风机控制系统目的和意义 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。 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 3 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。 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 离心风机变频器技术调速控制系统总设计方案 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。 心风机调节系统的构建 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 过 智能扩展模块 进行模数转换， 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 部的数字信 号，然后由 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此，系统供气压力其本上维持在设定压力0就是基本保持恒压供气。 4 图 1 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 2 离心风机工矿点的变化 图 3 离心风机变速恒压工矿 当 , 21 高于0明管网系统用气量减少，管路阻力特性曲线21,向 0A 方向变化，此时离心风机转速逐渐降低，管道压力也由 12,逐渐下降，当 1H 低于0工矿点变化与上述相反即由 1A 逐渐向0管网系统供气始终保持恒压。 当管网用气量由 12,向0过改变离心风机转速使 H 保持恒定，见图 3。 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 )( 0( v (t) )(节器传递函数； 5 )(0 包括变频器转速特性，压力变送器特性等 )。 )( /（ 1 + 1/ （ 1） )(0 k / 1+ （ 2） 图 4 控制框图 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速 ，无中间机械设备，也就没 6 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： 曲线：当转速恒定时，风压与风量间的关系特性； 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 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 5 曲线 图 6 风阻特性曲 Q =Q )/( （ 4） 2 )/( （ 5） 3 )/( （ 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。 7 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。 频器和各电机的工频运行控制开关， 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 7 离心风机主电路图 心风机的控制电路 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。为保护 备，出端口并不是直接和交流接触器连接，而是在 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 1Q S 1 Q S 2 Q S 3 Q S 4K M 1 K M 2 K M 3K M 4 K M 5 K M 6F R 1 F R 2 F R 32 3 3变频器 8 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 制程序设计时，进一步通过 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 8 离心风机控线制路图 9 3 硬件设计 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 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。压阻式压力传感器广泛应用于流体压力、压差的测量。 选择 主控设备 择国内外各种 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 列 品。 列 特点 列 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， 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 电源 (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 展模块选用 A/D 转换模块采用块。 制系统设计流程 制系统的设计步骤附录 1 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 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 10 出现错误时，用手动方式在 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 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。 块接线图如图 9 所示， I/O 分配表如表 1 所示 4。 图 9 线图 11 表 1 I/O 分配表 统启动 源指示灯 统停止 力过高指示灯 频器信号输入 变频器 力传感器 1 信号输入 频器报警 力传感器 2 信号输入 机线圈过热报警 力电偶传感器信号输入 #风机工频运转 接上位机 #风机变频运转 #风机工频选择 用系统 #风机变频选择 #风机工频运转 #风机启动 #风机变频运转 #风机停止 #风机工频运转 #风机工频选择 #风机变频运转 #风机变频选择 #风机启动 #风机停止 #风机工频选择 #风机变频选择 #风机启动 #风机停止 频器容量的确定及型号选择 变频调速是通过变频器来实现的，对于变频器的容量确定至关重要。合理的 容量选择本身就是一种节能降耗措施。根据现有资料和经验，比较简便的方法有三种： (1) 电机实际功率确定发 首先测定电机的实际功率，以此来选用变频器的容量。 (2) 公式法：设安全系数取 变频器的容量 ： M （ 7） 式中， 电机负载； 电机功率。 计算出 ，按变频器产品目录可选出具体规格。 第 n 台电动机的额定电流， n 为电机的台数。在任何情况下，都不能在连续使用时超过额定电流 5。 (3) 电机额定电流法变频器 变频器容量选定过程，实际上是一个变频器与电机的最佳匹配过程，最常见、也较安全的是使变频器的容量大于或等于电机的额定功率，但实际匹配中要考虑电机的实际功率与额定功率相差多少，通常都是设备所选能力偏大，而实际需要的能力小，因此按电机的实际功率选择变频器是合 12 理的，避免选用的变频器过大，使投资增大。 根据系统中离心风机电机的功率，选用变频器的具体型号为： 10 110”表示最大适用电机功率为 110 千瓦。“ 示输入电源为三相380V。 德国西门子公司 列变频器 是新一代 频器，内置 能可以方便地实现 环控制，控制方式多样，保护及报警功能完善，可以进行实时控制，内置 讯接口， 口板可选购，能最大限度的满足用户的多种需求。节能运行可以最大限度地提高电机功率因数和电机效率。它具的制有以下优点： 低速额定转矩输 出运行稳定，超静音稳定运行； 制动转矩大，最高可达 125额定转矩，方便实现以最快速度准确停车； 快速适应负载变化，提供最高效率的输出电压，适应于不同负载的 V/F 特性均可自动调整； 内置 讯接口，完全支持 讯协议； 先进的自动转矩补偿功能设计，可使系统性能达到最优； 可设定节能运行方式； 多达 28 种的完善保护功能及报警功能； 内置调整更加方便的 节器； 多种参数的在线监视功能及在线调整功能； 控制方式多样，自动化程度高； 中文显示，界面友好，降低了对操作人员的要求，便于一般的工 人进行操作 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 。 表 2 主电路端子及功能表 端子符号 端子名称 功能说明 R， S， T 交流电源输入端子 连接三相交流电源 U， V， W 变频器输出端子 连接三相电动机 P+ 直流电抗器连接端子 改善功率因数和抗干扰 P+， 部制动电阻器连接端子 连接外部制动电阻 P+， N 制动单元连接端子 连接外部制动单元 频器接地端子 变频器机壳接地 变频器频率参数设置为： （ 1） 最高频率：风机属于平方转矩负载，转矩 T 与转速的平方成 正比，当转速超过其额定转速时，转矩将按平方规律增加，导致电动机严重过载。因此，变频器的最高频率只能与电动机额定频率相等。本系统中最高输出频率设定为 13 50 （ 2） 上限频率：由于变频器内部具有转差补偿功能，在 50情况下，电动机在变频运行时的实际转速要高于工频运行时的转速，从而增大了电动机的负载，因此实际预置的频率应略低于额定频率。本系统中上限频率设定为 表 3 控制电路端子及功能表 端子符号 端子名称 功能说明 5V 电位器电源 压电源（最大输出电流： 10 压输 入 V 或 0V，输入电阻 10流输入 0入电阻 240 地 端子 5V， 公共端 转运行设定 通，正转；断开，减速停止 转运行设定 通，反转；断开，减速停止 部故障报警设定 开，产生外部报警信号，变频器立即关断输出 位 通，变频器复位 拟量输出 模拟信号输出（ 020010V） 30A,30B,30C 故障输出 变频器故障输出，常开 30A， 30B 闭合，常闭 30B， 30C 断开 极转速选择 合能选择不同频率 减速时间选择 合能选择不同的加减速时间 共端 控制输入端及运行状态输出端的公共端 （ 3） 下限频率：在风机系统中，转速过低，会出现电机的全扬程小于基本扬程 (实际扬程 )，形成电机“空转”的现象。所以，在多数情况下，下限频率不能太低，可根据实际情况适当调整。本系统中下限频率设定为 35 （ 4） 启动频率：风机在启动时，存在一定的阻力，在从 0始启动的一段频率内，实际上转不起来。因此，应适当预置启动频率值，使其在启动瞬间有一定的冲击力。本系统中启动频率设定为 10。 变频器接线图如图 10 所示。 4 软件设计 软件设计可包括以下几部分：初始化，离心风机的启动 /停止，信号显示，模拟量输入，测量值与设定值的比较，模拟量输出等。 序设计 离心风机控制系统可以实现的主要功能有自动变频恒压运行、自动工频运行、远程手动控制和现场手动控制。全自动变频恒压运行方式是系统中最主要的运行 方式，也是系统的主要功能，是指利用 制，通过变频调速自动调节 14 图 10 变频器接线图 车间内的温度，其核心是根据恒压条件下离心风机系统中电机运行的状态及转换过程中设计的 制程序；自动工频运行是指在变频器故障状态下，为维持压力的相对恒定，系统根据压力高低自动调节工频运行的电机台数，这种运行方式只是在特殊情况下的一种备用方案，目的是提高系统可靠性的冗余度；远程手动控制是指在控制室，通过计算机和 信远程操控离心风机电机的运行，是一种辅助方案；现场手动控制运行是指通过现场按钮，人工控制电机工频、变频运行，这一方式完全通过电气控制线路来实现， 参与，主要用于检修、调试及 障时的运行。 制程序设计的主要任务是接收来自压力传感器的信号，判断当前的压力大小，通过程序处理，输出信号去控制变频器、继电器、接触器、信号灯等电器的动作，进而调整离心风机的运行，从而达到控制矿井压力的目的。 心风机转换过程分析 启动自动变频运行方式时，首先启动 1#离心 风机变频运行，当压力达到要求时，保持该频率，如果达到上限频率压力仍达不到设定要求，则延时 10s 后，出控制信号，切换 1#离心 风机工 频运行， 2#离心 风机变频运行。在 2#离心 风机变频运行过程中，变频器根据压力的变化通过 节器调整 1#离心 风机电动机的转速来控制风量，使压力达到设定值。若压力仍然达不到设定值，则由 出控制信号，将 2#离心 风机与变频器断开，转为工频恒速运行，同时 15 3#离心 风机变频运行。系统工作于 1#离心 风机工频运行、 2#离心 风机工频运行、3#离心 风机变频运行的状态。若压力仍高于设定值， 3 台 离心 风机同时工频运行也不能满足要求时，将启动备用系统，直到满足温度要求。整个转换过程中，总是保证原来工作于变频运行状态的 离心 风机转入 工频恒速运行，新开 离心 风机运行在变频状态，保证只有一台 离心 风机运行在变频状态。 当外界压力降低时，变频器通过 节器降低 离心 风机电机转速来调节风量。并按“先起先停”的原则，由 出控制信号，将当前最先工作在工频方式的 离心 风机关闭，同时 节器将根据调整值自动升高变频器输出频率，加大风量，维持压力的恒定。当压力继续降低时，系统继续按“先起先停”原则逐台关闭处于工频运行的 离心 风机。 当系统处于单台 离心 风机变频运行状态时，如变频器输出频率达到下限频率，压力低于设定值时，则关闭变频器运行，此时三台 离心 风 机都已关停，系统通过压力传感器时时检测车间内压力值，一旦温度高于设定值，则启动风机进行压力调节。 统工作状态 工作状态之间的转换条件是依据变频器输出频率是否到达极限频率及压力是否达到设定值。设变频器输出频率达到极限频率时的信号为 际压力高于设定压力值的信号为 际压力达到设定压力值的信号为 际压力低于设定压力值的信号为 从停机到开启 1#离心风机的条件为 ： 满足 保持现有工作状态的条件为 ： 满足 增开离心风机条件 ： 同时满足 减开离心风机条件 ： 同时满足 态转换过程的实现方法 从传感器检测状态到开启 1#离心风机，只需用变频器以起始频率起动 1#离心风机电机运行即可；减开离心风机过程是在满足减开离心风机条件的前提下，通过 制，断开工频运行状态电机的接触器主触点即可。增开离心风机过程的实现相对复杂一些，首先要将运行在变频状态的电机和变频器脱离后，再切换到电网运行，同时变频器又要以起始频率起动一台新的电机运行。 本控制系统的主程序流程图附录 2 所示。 序设计的梯形图 （ 1） 启动 /停止程序 16 启动 /停止程序主要控制系统的启动和停止， 按下启动按钮时自动控制系统开始运行，按下停止按钮自动控制系统停止运行。程序梯形图见图 11 所示。 图 11启动 /停止程序 （ 2） 模拟量输入程序 由于本控制系统采用两个压力传感器测量车间内不同两点的压力信号，所以要分别读取两次模拟量值。按系统要求，模拟量输入与比较采取以下程序设计方法，程序梯形图见图 12所示。 图 12模拟量输入程序 （ 3） 比较程序 将温度传感器的两次测量值的平均值分别与前次测量值进行滤波，然后取平均值与设定值比较，与设定值不等则进行 节控制，此程序梯形图如图 13所示。 （ 4） 模拟量输 出程序 把通过比较计算的输出模拟量，输送到变频器中，从而调节离心风机的转速，此程序梯形图如图 14 所示。 17 图 13 比较程序 图 14 模拟量输出程序 5 系统可靠性设计 系统中采用的工控设备变频器和 具有抗干抗能力强，可靠性好的特点。但作为一个完整的系统，应用于工业现场，还是有必要考虑加强抗干扰措施，保证运行的稳定性。 （ 1）变频器和 安装于专门的控制柜中，但一定要保证良好的通风环境和散热， 周留有 50上的净空间。尽量不要安装在多尘、有油烟、有导电灰尘、有腐蚀性气体、振动 、热源或潮湿的地方。 （ 2）控制柜和离心风机现场距离不要太远，尤其是信号传输电缆要尽可能短，而且要尽量远离那些会产生电磁干扰的装置。 （ 3）外围设备信号线、控制信号线和动力线应分开敷设，不能扎在一起，应采用屏蔽线且屏蔽层接地。 （ 4）变频器和 要可靠接地。接地电阻要小，接地线须尽可能短和粗， 18 并且应连接于专用接地极或公用接地极上，不要使用变频器、 壳或侧板上的螺钉作为接地端。而且二者在接地时，应尽量分开，不要使用同一接地线。 （ 5）电动机在低速运行时，电机冷却效果下降，应保证电动机具有良好的通风 条件。 （ 6）在电气设计和软件设计中，充分考虑电气设备之间的互锁关系。 （ 7）选用性能可靠的继电器、接触器对于系统的可靠运行也具有十分重要的意义。 （ 8）要考虑防雷设计。如电源是架空进线，在进线处装设变频器专用避雷器，或按规范要求在离变频器 20m 远处预埋钢管做专用接地保护。如果电源是电缆引入，则应做好控制室的防雷系统，以防雷电窜入破坏设备 。 6 系统调试 件系统的调试 软件系统的调试主要是 序的调试，包括错误的校验，逻辑性分析，控制要求的合理性和正确性。 件系统的调试 硬件系统 的调试主要是各个装置的调试，包括 频器，传感器，继电器等电气装置的安装，连线，初始化设置等，检查其是否存在断线，连线，错线以及设置错误。 硬件结合调试 软硬件结合调试是系统调试中的最后一个步骤，实际上就是在装备正式投入运行前的功能测试和安全性测试，这是最容易出现问题的一步，往往在单独进行硬件和软件调试时系统运行正常，但一旦结合起来，就会出现各种各样的问题，需要考虑多方面的因素才可以解决。软硬件结合调试的主要内容包括： 序运行控制硬件是否达到预定要求，在非正常情况下是否有报警提示和相应 的安全措施，系统的抗干扰措施是否达到效果。这一阶段的调试可分为以下几部分： （ 1）系统的启动 /停止调试。 （ 2）系统的自动 /手动转换调试。 （ 3） 制系统现场调试。 （ 4）系统工作过程调试。 （ 5）在线监控调试。 （ 6）报警系统调试。 （ 7）系统安全性能调试。 19 7 结论 利用 控制变频器实现离心风机变频调速自动控制是完全可行的。采用控制系统可以根据风机现场的实际情况，按照当时压力要求，实时地调节离心风机叶轮转速，既不影响工作效果又能达到节能要求，满足了当初的设计要求。 本系统利用 现就地控 制，并有自动 /手动互相切换两种工作方式，既能在正常生产中实现自动控制保证工作效果，又能在变频器或元器件出现故障，或需要检修调整自控系统且不影响生产等出现故障时，切换到手动控制进行应急处理。而且系统的抗干扰能力强，能在恶劣的环境中可靠地工作，平均无故障时间长，故障修复时间短。系统控制程序可根据需要而改变，具有很好的柔性。 控制系统目前是针对矿井内对压力的特定要求而设计的，以后可以考虑在其它的系统如除尘系统中应用。在硬件选取时也留有一定的扩展空间，目前只进行了压力测量来控制离心风机转速，以后还可以进行其它参数测 量实现更多的自动控制。在工业实际应用中，系统可连入工业控制网络，从而实现远程上位机控制，在本系统的设计中，没有涉及此方面的具体探讨，可在以后的系统设计中，再进行认真的分析。 致谢 本论文的完成，自始至终渗透着 指导 老师的悉心指导，从论文选题、理论研究、系统开发的整个过程，处处渗透着 指导 老师的心血和辛劳 。 在几年的学习中，我学到了丰富、系统的专业知识、独立进行科研工作的方法、求真务实的工作作风、勇于探索的精神以及对科学孜孜不倦的追求也深深教育和鞭策着我。这将使我在今后的生活、工作和学习中受益非浅 。 特向刘老师表示衷 心的感谢，并致以崇高的敬意， 并 感谢老师们几年来对我的培养、帮助和关怀。 20 参考文献 1 范永胜 J2004,17(3): 642 王永华，宋寅卯，郑安平，陈玉国，现代电气控制及 用技术 2006 3杨铃 ,变频调速技术在离心式风机控制中的节能分析 J2006(4): 474 沈朝阳 ,胡雪峰 ,锅炉引风机变频调速节能改造南京卷烟厂 ,南京 ,2005 5姚永亮 ,黄华 J2005年 01期 : 11 5 李剑峰 J2006 年35 卷 5 期 : 155 6冯薇 M 北京工业出版社 7刘明勤 频调速恒压供水在生活消防的应用 J期 8李国厚 ,理与应用设计 M 化学工业出版社 ,2005 9 齐占庆， 机床电气控制技术 山大学， 2007 10范德祥，风机水泵的节能改造无锡市微电热中试基地， 1994 11姚福强 ,高正中 ,孙惠民等 J 2003(12): 112 徐普荣，高压变频调速技术应用实践。中国电力出版社 2007 13徐迎军，傅戈雁， 合变频技术在定位控制中的应用 J. 江苏苏州 ,苏州大学机电工程学院 ,2008(9) 第 22 卷第 5 期 14何超 ,交流变频调速技术 M2006 15 王廷才 ,王伟 M :机械工业出版社 ,2005 1 范永胜 J2004,17(3): 6416续魁昌 ,风机手册 . 机械工程出版社 ,1999 17变频调速恒压供气控制系统 M2000 第 5 期 18 咚纯厚 M中国电工技术学会电控系统与装置专业委员会 ,1985 附录 1 21 22 附录 2 系统总控制流程图 中期进展情况检查表 学生姓名 班级 指导教师 论文（设计）题目 统中的应用 目前已完成任务 （ 1） 从图书馆及网上阅读资料，分析原有离心风机控制系统的工作原理及其特性，对其控制系统存在的问题进行分析，从而总结出自己的改造方案。 （ 2） 结合题目我选定了一套离心风机输送系统，并对其工作情况进行分析，做出具体的改造方案 。 （ 3） 绘制出了系统控制框图。 （ 4） 完成了 型。 （ 5） 完成了变频器选型。 是否符合任务书要求进度： 是 尚需完成的任务 （ 1） 绘制硬件 接线图。 （ 2） 绘制软件梯形图。 （ 3） 论文中还存在些格式问题。 能否按期完成论文（设计）： 能 存在问题和解决办法 存 在 问 题 （ 1） 变频器离心风机控制系统 的手动 /自动转换，在线监控及其软件功能设计 还需要进行调试。 （ 2） 变频器原理掌握不足，系统结构不是很合理。 拟 采 取 的 办 法 （ 1） 分析自动控制系统的软件设计方案，结合系统程序的独立功能模块，对其功能进行逐步完善。 （ 2） 对梯形图进行优化采用分段调试的方法。 指导教师签 字 日期 年 月 日 教学院长（系主任） 意 见 签字： 年 月 日 as it a is a or It a of a of or a As , on a of 0 to as it 1 1 in in 1. he of a or 2. of he of to be of 1 he be to of an is to s of be is : a in a of on of is in . to of of to of be 1 of of an in or of of to 1 An of is by of an of at an to of be on or on of or on a is to on to to to to 1 3. as (b), of s of an of in to to be be to a of be a to 4. as (c), A is on it is to on it is by in 3 5. in on as a m), at of a 0F (21C). a to at to of be in a a of of If a is to at a be to At is at to be a is a of at a ,000 28 m/0 F (21 C) it ,000 28 m/00 F (93 C). by is by 00 F (93 C) 0 F (21 C) a to at to a is a FM at an be to to 00 F (93 C) 0% 0 F (21 C) To 00 F (93 C), to at by an to to To 00 F (93 C), to at by 离心风机 离心风机（也鼠笼式风扇，因为它看起来像仓鼠轮）是一种机械装置移动空气或气体。它有一个风扇 轮组成若干风扇叶片，或肋骨，装在一个枢纽。如图 1所示，该中心将在驱动轴，穿越风扇住房。气体进入从侧面的风扇方向盘，把90度，并加快由于离心力因为它流动的风扇叶片和出口风扇住房。 1 离心式风机可产生压力上升气流。因此，他们非常适合工业加工和空气污染控制系统。他们还共同在中央供暖 /冷却系统。 图 1 主要组成部分典型的离心式风机包括风扇轮，风扇住房，驱动机制，进口和/或出口闸。 2 类型的驱动机制 风扇驱动器决定的速度，风扇轮（叶轮）以及在何种程度上这样的速度可以多种多样。有三种基本类型的风机驱动器。
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