基于PLC的电厂引风机变频调速系统设计.doc

范文 ：基于PLC的电厂引风机变频调速系统设计 - 43 - 摘 要通过对变频调速技术的研究，利用变频技术对电厂引风机进行调速是可行的。经分析确立采用交直交变频器，来完成引风机的调速，根据风机的要求选择了变频器并进行了参数设定，PLC和变频器组合构成自动控制系统实现对电厂引风机的控制。本文介绍了PLC对电厂引风机系统进行技术改造，采用变频器调速，详述了该系统的设计。根据电厂引风机的控制要求，给出了控制系统的组成，控制原理，控制流程，比较了风机挡板控制与变频控制的节能效果。该系统运行稳定、操作简便，能满足生产工艺的要求，实现引风机的平稳运行，取得了很好的节能效果。关键词：可编程控制器；电厂；引风机；变频调速AbstractAccording to the study of frequency-conversion technology, it is available to convert the speed of drawing fan motor, adopting AC-DC-AC transducer, realizing to convert the speed. The parameter is selected according to needing of the drawing fan motor, PLC with VVVF combine the automatic control in composing system to realize the control of the drawing fan motor in power plant.This paper presents the transformation in technology about the electrical control system of drawing fan motor by use of the PLC and variable frequency speed-adjusting system, as well as details the design of the system. According the control of the drawing fan motor in power plant, we give the control the system constitute, control principle, system control process, and compare the breeze machine blocks and plank control with become soon the economy energy result that control.This system can meet the technique requirement as a result of easiness to operate and running stably，the performance of the equipment is better than before, and the energy cost is lower than before also.Keywords: Programmable Logical Controller; power plant; drawing fan motor; variable frequency speed-adjusting目录摘 要IAbstractII第1章 引言11.1概述11.2变频调速在国内外的发展现状211.3本课题的研究意义2第2章 变频调速技术32.1变频调速的基本原理、技术及其特点32.2 变频器的基本构成242.2.1 交-直-交变频器62.2.2 控制电路82.2.3保护回路92.3 VVVF实现210102.3.1 脉幅调制112.3.2 脉宽调制（PWM)112.4 控制方式2122.4.1 U/F控制122.4.2 转差频率控制122.4.3 矢量控制132.5 变频器的节能效果279142.6本章小节15第3章 可编程控制器173.1可编程控制器的发展史173.2 可编程控制器的定义183.3 可编程控制器的特点41415193.4 PLC和继电器控制系统的比较203.5 PLC的基本结构415203.6 PLC的工作原理41415233.7 本章小结24第4章 系统设计254.1 引风机的原理、结构、选择和主要性能参数254.2 变频器的选择和主要技术参数2021274.3 可编程控制器（PLC）的选择2021304.4 工作过程、补充、流程图以及控制系统的结构框图81617314.5系统梯形图及控制原理354.6 系统的PLC程序如下：364.7 本章小节39第5章 结束语40致谢41参考文献42第1章 引言1.1概述工厂自动化支柱之一的可编程控制器（PLC），因其安全可靠而被广泛用于数据采集与控制。在当今社会，PLC与电厂引风机相结合，使其变频调速有着重要意义。电厂引风机采用PLC控制和变频器调速，有着许多优势：1）该系统自动化程度高、稳定性好，运行可靠。2）对于减少能源浪费也有着重要的作用，如果对引风机电机采用变频调速，通过其转速的变化来调节风量变化，就可以节约大量电能。3）其中调节转速比调节挡板能多节约达40%-50%。4）变频器和PLC的有机结合使管理，操作方便、简单，为现场人员创造了一个高效率的工作环境，使其工作量大大减少。鉴于此，PLC对电厂引风机进行变频调速系统的设计，运用可编程控制器进行操作，使操作过程更加得简单、方便。并且，这种方法节能效果明显，风机的运行更加的稳定，为现场操作人员创造了一个高效率的工作环境，实现了引风机较为先进的控制技术。1.2变频调速在国内外的发展现状220世纪90年代初，中国企业开始认识到通用变频器的作用并尝试使用，当时全是国外品牌，经过十余年的推广与使用，已得到各行各业的认可，并显示出它的活力。目前为止，我国自行生产的公司、厂家也达数十家，有些品牌还大量出口，在产品种类、性能和应用上都有了很大的提高。欧美国家的产品主要以性能先进，适应环境性强而著称。日韩的产品以外型小巧，功能多而闻名。而国产的产品则以大众化、功能简单专用、价格低的优势广泛应用。1964年德国人首先提出把通信技术中的脉宽调制PWM技术应用到交流传动中至今，通用变频器已得到广泛应用。国外在交流变频调速技术的发展方面有以下特点：1）应用范围扩大，致力于使每台交流电动机都是变频驱动控制；2）高电压、大电流功率器件的生产及其并联、串联技术发展迅速，促进了高电压、大中功率变频器的生产和使用；3）通用变频器相关配件社会化、专业化生产，小功率通用变频器已实现全数字化，正向以网络化、软件化、智能化为基础高动态性能方向发展。1.3本课题的研究意义在现代社会，变频调速技术和可编程控制器已经运用到很多的领域，并且取得了显著的成效。在这样的前提下,我们对引风机也采用PLC的变频调速设计，将使引风机在工厂管理与生产中发挥更好的运用。本次毕业设计是为了加深对变频器和PLC的了解，以及使我们对变频调速技术有一个较为深刻的认识。与此同时，引风机的变频调速设计在节能上能起到很好的效果，使工厂节约大量资源，运行方便，且具有可观的经济效益，对于工厂的发展能够有较大的帮助。第2章 变频调速技术现代工业生产过程中，各种设备的传动部件大都离不开电动机，且电动机的传动在许多场合要求能够调速。电动机的调速运行方式很多，以电动机类型分大致可分为直流调速与交流调速两种，而交流调速方式又可分为串级调速、变极调速、滑差电机调速、调压调速以及变频调速等几种方式。自从1958年世界上第一个晶闸管（SCR）的面市，晶闸管就以其在功率放大倍数、快速响应性、小功耗、高效率等方面的优越性迅速取代了机组和水银整流器。直流调速系统在6070年代迅速发展起来，但其造价高，且换相环节有不足。80年代中期随着第三代电力半导体器件如门极可关断晶闸管GTO、绝缘栅双极晶体管IGBT的相继出现，交流变频调速技术得到了飞速发展。日、美、德、英等国家在结合现代微处理器控制技术、电力电子技术、电极传动技术的基础上，相继推出了一系列的变频器，且不断进行更新换代。这些高精度、多功能、智能化的变频器将调速效率和精度提高到了前所未有的水平。2.1变频调速的基本原理、技术及其特点交流异步电动机的转子转速可用下式表示： (2-1)式中：f定子供电电源的频率；p电动机的极对数；s电动机的转差率。由此可见，当平滑地改变f时，即可改变n。由此可知，变频调速技术的关键是如何调制出可变频率的正弦波电源。由(2-1)式可见，当转差率s变化不大时电动机的转速n基本上正比于定子供电频率f。故改变f就可得到极大的调速范围，很好的调节平滑性以及足够硬度的机械特性。变频调速是目前异步电动机较理想的调速方法。它具有效率高、调速范围宽、精度高、平滑性好等优点，但目前变频器的价格还比较高。随着计算机技术和电力电子技术的不断发展，通用变频器的功能越来越强大，性能也越来越好. 2.2 变频器的基本构成2随着电力半导体器件的发展，变频器的发展也经历了几个阶段。电力电子器件的自动化、模块化、交流电路开关的高频化和控制手段的全数字化，促进了变频器的小型化、多功能化、高性能化。尤其是控制手段的全数字化，利用了微机的强大信息处理能力，使软件功能不断强化，变频器的灵活性和适用性不断增强。随着网络时代的到来，变频器的网络功能和通信不断增强，它不仅可以与设备网的现场总线直接相连，还可以与信息交换实时数据。工业中使用的变频器按应用分，可分为通用变频器和专用变频器。这里着重介绍通用变频器。变频器的工作原理是把电通过整流器变成平滑直流，然后利用半导体器件（GTO、GTR或IGBT）组成的三相逆变器，将直流电变成可变电压和可变频率的交流电，由于采用微处理器编程的正弦脉宽调制（SPWM）方法，使波形近似正弦波，用于驱动异步电机，实现无级调速。变频器的主要任务就是把恒压频的交流电转换为变压变频的交流电，以满足交流电动机变频调速的需要。从结构上看，变频器可分为直接变频和间接变频两类。间接变频器先将工频交流电源通过整流器变成直流，然后再经过逆变器将直流变换为可控频率的交流，因此又称它为有中间直流环节的变频装置或交直交变频器。直接变频器将工频交流一次变换为可控频率交流，没有中间直流环节，即所谓的交交变频器。因此，可以认为变频器的基本构成如图2-1所示：整流电路交流电中间直流电路逆变电路交流电电压频率可控控制电路图2-1 变频器的基本构成目前应用较多的是交-直-交变频器，所以对其进行详细介绍。交直交变频器是将恒压恒频的交流电通过整流电路变换成直流，然后再经过逆变将直流变换成调压调频的交流电。这种交频器虽然多了一个中间直流环节，但是输出交流电的频率可高于电网的频率。按控制方式的不同交直交变频器可分为三种：（1）用可控整流器调压、逆变器调频的交直交变频器。（2）用不可控整流器整流、用斩波器调压、再用逆变器调频的交直交变频器。（3）用不控整流器整流、用PWM逆变器同时调压调频的交直交变频器。2.2.1 交-直-交变频器 图2-2 交-直-交变频器的典型主电路图交-直-交变频器的典型主电路图如图2-2所示 1.整流管Vdl-Vd6Vdl-Vd6组成三相整流桥，将电源的三相交流电全波整流成直流。如电源的线电压为V1则三相全波整流后平均直流电压Vd的大小是Vd=1.35V1。我国三相电源的线电压为380V，故全波整流后的平均电压为Vd=1.35x380=513V。2.滤波电容器Cf其功能是滤平全波整流后的电压波形及负载变化，使直流电压保持平稳。3.限流电阻RL与开关SL当变频器刚合上电源的瞬间，滤波电容器Cf的充电电流是很大的，过大的冲击电流可能将三相整流桥的二极管损坏。为了保护整流桥，在变频器刚接通电源后的一段时间里，电路中串入限流电阻RL，其作用是将电容器Cf的充电电流限制在允许范围内。开关S1.的作用是当充电到一定程度时，令晶闸管接通，将R1短路掉。4.源指示HLH1除了表示电源是否接通以外，还有一个十分重要的功能，即在变频器切断电源后，表示滤波器上的电荷是否已经释放完毕。5.逆变管V1-V6V1-V6组成逆变桥，把V1-V6整流所得的直流电再“逆变”成频率可调的交流电。这是变频器实现变频的具体环节，因而是变频器的核心部分。逆变桥与直流传动中的整流桥类似，这是因为感应电机具有滞后的功率因数。6.续流二极管Vd7-Vd12其重要功能有：1)电动机的绕组是电感性的，其电流具有无功分量。Vd7-Vdl2为无功电流返回直流电源时提供“通道”。2)当频率下降，电动机处于再生制动状态时，再生电流将通过Vd7-Vd12返回直流电路。3)V1-V6进行逆变的基本工作过程是同一桥臂的两个逆变管处于不停地交替和截止状态。在这交替通和截止的换相过程中，也不是需要Vd7-Vd12提供通路。7.缓冲电路(R01Vd01C0l-R06Vd06C06其功能如下:1) C0l-C06逆变管V1-V6每次由导通状态切换成截止状态的关断瞬间，集电极和发射极间的电压将极为迅速的由近乎0V上升至直流电压值Vd。这过高的电压增长率将导致逆变管的损坏。因此，C01-C06的功能便是减小V1-V6在每次关断时的电压增长率。2) R01-R06逆变管V1-V6每次由截止状态切换到导通状态接通瞬间，C0l-C06上所充的电压将向V1-V6放电。此放电电流的初始值很大，并且将叠加到负载电流上，导致V1-V6损坏。因此R01-R06的功能是限制逆变管V1-V6在接通瞬间C0l-C06的放电电流。3) Vd01- Vd06R01-R06的接入，又会影响C0l-C06在V1-V6关断时减小电压增长率的效果。Vd01- Vd06接入后C0l-C06在V1-V6关断过程中，使R01-R06不起作用，而在V1-V6的接通过程中又迫使C0l-C06的放电电流流经R01-R062.2.2 控制电路控制回路控制回路向变频器主回路提供各种控制信号，如下图所示，控制回路由以下部分组成：决定U/F特性的频率电压“运算回路”，主回路的“电压电流检测回路”，电动机“转速检测回路”，根据运算回路的结果生成相应的PWM脉冲并且进行隔离和放大的“PWM生成及驱动回路”，下图仅以控制回路A部分构成控制回路时，无转速检测回路，为开环控制。控制回路B部分，增加了转速检测回路。因此，对于转速指令可以进行闭环控制，异步电动机的转速控制更为精确。图2-3控制回路框图运算回路是将外部的转速，转矩等指令同检测回路的电流、电压信号进行比较运算，决定变频器的输出电压，频率。电压/电流检测回路是检测主回路电压、电流等，检测表如表2-1所示。表2-1 电压/电流检测表项目方式特点检测电流电流互感器只能检测交流分流器交直流两用，需用隔离放大器霍尔传感器交直流两用，有温度漂移检测电压电压传感器只能检测交流电阻分压交直流两用，需用隔离放大器驱动回路是驱动主回路功率开关器件的回路。它与控制回路隔离，使主回路功率件导通或关断。速度检测回路是在异步电动机轴上装上转速检测器检测转速信号并进入运算回路，根据指令和运算可使电动机指令转速运转。2.2.3保护回路变频器控制回路中的保护回路，可分为变频保护和异步电机保护两种。（1）变频保护1）时过电流保护由于变频器负载侧短路等，流过变频器元器件的电流达到异常值（超过允许值）时，立即停止变频器工作，切断电源，变频器的输出电流达到异常时，也同样停止变频器运行。2）热继电器或者电子热保护保护变频器输出电流超过额定值，且连续流通超过规定时间，为了防止变频器内元器件，电线等损坏，必须停止运行。通常采取此保护，这种保护具有反时限特性。过负载的飞轮力矩过大或因负载超过变频器容量而产生的。3）再生过电压保护采用变频器使电动机快速减速时，由于再生功率引起直流电路电压升高，有时超过允许值。可以采取减缓电动机，减功率或者停止变频器运行的方法，防止产生过电压。4）瞬时掉电保护对于毫秒以内的瞬时掉电，控制回路仍工作正常。但瞬时停电如果达数十毫秒以上时，通常不仅控制回路误动作，主回路也不能供电，此时应在检测停电后使变频器停止运行。(2）异步电动机的保护a）过载保护过载检测装置与变频器共用，特别是低速运行过热时，通过在异步电动机内埋入检测器，或者利用装在变频器内电子热保护来检测过热。起停动作频繁时，应考虑减轻电机负载或增加电机及变频器容量等。b)超频（超重）保护变频器的输出频率或者异步电动机的速度超过定值时，停止变频器运行。2.3 VVVF实现210为使电动机变频时磁通保持一致，必须保证定子输入U/F按一定比例变化。因此，变频调速又有变压变频调速，即VVVF之称。变频方式又有交一直一交变频和交一交变频两大类型。交一直一交变频方式又有脉幅调制型，脉宽调制型，正弦波脉宽调制型和块调制型之分，均由整流器，滤波器和逆变器所组成，完成交流（共频）一直流一交流（变频）转换。2.3.1 脉幅调制ut0a)调制前Tnut0TxXb)调制后图2-4脉幅调制波形图逆变所得交流电压的振幅值等于直流电压值（Um=Ud)，因此，实现变频电压的最容易想到的方法，便是在调节频率的同时，也调节直流电压。设fn为调制前的频率，TN为调制前的周期，UDN为调制前的直流电压，则调制前的逆变电路的输出波形如图2-4 a）所示，又设fx为调制后的频率，Tx为调制后的周期，Udx为调制后的直流电压，则调制后的输出电压波形如图2-4 b）所示。这种方法的特点是，变频器在改变输出功率的同时，也改变了电压的幅值，故称为脉幅调制，常用PAM表示。2.3.2 脉宽调制（PWM)把每半个周期内，输出电压的波形分割为若干个脉冲波，每个脉冲的宽度为tl，每两个脉冲间的间隔宽度为t2，则脉宽的占空比r为r=t1(tl+t2) (2-2)图2-5脉宽调制波形图这是电压的平均值和占空比成正比，所以在调节频率时，不改变直流电压的幅值，而是改变输出电压的占空比，也同样可以实现变频也变压的效果。如上图所示，其中前一个为调制前的波形，后一个为调制后的波形。与前一个相比，后一个的电压周期增大（频率降低），电压脉冲幅值不变，而占空比减小，故平均电压降低。此法的特点是变频器在改变输出频率的同时，也改变电压的脉冲占空比（幅值不变），故称为脉宽调制，常用PWM表示。PWM只须控制逆变电路便可实现变压变频，控制电路简化了许多。2.4 控制方式22.4.1 U/F控制按照电压频率关系对变频器进行控制，称为U/F控制方式。U/F控制是转速开环控制，无需速度传感器，控制电路简单，负载可以是通用标准电动机，所以通用性强，经济性好，是目前通用变频器产品中使用较多的一种控制方式。2.4.2 转差频率控制在没有任何附加措施的情况下，在U/f控制方式下，如果负载变化，转速也会随之变化，转速的变化量与转差率成正比。U/f控制的静态调速精度显然较差，为提高调速精度，采用转差频率控制方式。根据速度传感器的检测，可以求出转差频率f，再把它和速度设定值f相叠加，以该叠加值作为逆变器的频率设定值fl*，就实现了转差补偿。这种实现转差补偿的闭环控制方式称为转差频率控制方式。与U/f控制方式相比，其调速精度大为提高。但是使用速度传感器求取转差频率，要针对具体电动机的机械特性调整控制参数，因而这种控制方式的通用性差。2.4.3 矢量控制1异步电动机和直流电动机磁场系统的比较所有电动机的电磁转矩都是由主磁场和电枢磁场相互作用而产生的。直流电动机的励磁电路是相互独立的，而异步电动机的励磁电流和负载电流都在定子电路内，无法将它们分开。直流电动机的主磁场和电枢磁场在空间是相互垂直的（互差90度电度角），而异步电动机的主磁场与转子电流磁场间的夹角和功率因数有关。直流电动机是通过独立的调节两个磁场中的一个来进行调速的，异步电动机则显然不能。2矢量控制实现A基本思想是一个三相交流的磁场系统和一个旋转体上的直流磁场系统，以两相系统做过渡，可以互相进行等效变换，所以如果将变频器给定信号变换成类似于直流电动机磁场系统的控制信号，就是说，假如有两个互相垂直的直流绕组同处于一个旋转体上，两个绕组中分别独立的通入由给定信号分解而得到的励磁电流信号iM*和转矩电流信号it*，并且把iM*和it*作为基本控制信号，则通过等效变换，可以得到基本控制信号。等效的三相交流控制信号iM*和iM*等效的三相交流控制信号IA*、IB*、IC*去控制逆变电路。对于电动机在进行过程中的三相交流系统的数据，又可等效变换成两个互相垂直的直流信号，反馈到给定控制部分用以修正基本控制信号it*和iM*。进行控制时，可以和直流电动机一样，使其中一个磁场电流信号（iM*）不变，而控制另一个磁场电流信号（it*)，从而获得和直流电动机类似的控制性能。B基本框图图2-6矢量控制原理图如上图所示，给定控制器将给定信号分解成两个互相垂直且独立的直流信号it*和iM*。然后通过“直交变换”将it*和iM*变换成两相电流信号ia*和ib*，又经“2/3变换“，得到三相交流的控制信号IA*、IB*、IC*去控制逆变桥。电流反馈用于反映负载的状况，使直流信号中的转矩分量it*能随负载而变化，从而模拟出类似于反映拖动系统的实际转速和给定值之间的差异，并使之以最快的速度进行校正，从而提高了系统动态性能。2.5 变频器的节能效果279利用变频器实现调速节能运行，是变频器应用的一个最典型的例子。其中以风机和泵类机械的节能效果最为显著。由于本课题变速的对象是引风机，下面以引风机为例做节能分析（1）风机的机械特性风机属平方率负载TT0+KTn2（T为负载转矩，T0为空载转矩，KT为转矩常数，n为转速） (2-3)则PP0+kpn3 （P为机械功率，kp为功率常数， n为转速）(2-4) (2)风量的调节通常控制风量的方法有两种：A控制输出或输入的风门B控制旋转速度采用A方法时，管路的节流阻力改变，可得到所需的送风特性，此方法的优点是：出资少，控制简单。采用B方法时由于功率与速度的三次方成正比，节能效果十分明显，加之采用变频装置容易操作，并可以实现高功能化，因而采用变频器驱动的方案开始逐步取代风门控制的方案。图2-7能耗曲线图由图2-7知，当Q=0.7Qn时，通过调速的方法来调节风量，消耗的电功率Px=0.34Pn，而直接用风门调节风量所耗功率则为Px=0.94Pn。可见，用变频器调速节能效果十分明显。2.6本章小节本章详细地介绍了变频调速的原理及变频器的构成，并对变频后的机械特性和节能效果进行了分析。重点对交一直一交变频器的典型主电路进行了研究分析，阐明了各部件的主要功能，并对控制电路做了说明。第3章 可编程控制器可编程序控制器是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术发展起来的一种通用的工业自动控制装置。它具有体积小、功能强、灵活通用与维护方便等一系列的优点。特别是他的高可靠性和较强的适应恶劣环境的能力，受到用户的青睐。因而在许多领域都获得了广泛的应用，成为了现代工业控制的三大支柱之一。3.1可编程控制器的发展史在可编程控制器出现以前，继电器控制在工业控制领域占主导地位，由此构成的控制系统都是按预先设定好的时间或条件顺序地工作，若要改变控制的顺序就必须改变控制系统的硬件接线，因此，其通用性和灵活性较差。 20 世纪的六十年代，计算机技术开始应用于工业控制领域，由于价格高、输入输出电路不匹配、编程难度大以及难于适应恶劣工业环境等原因，未能在工业控制领域获得推广。 1968 年，美国最大的汽车制造商通用汽车公司(GM)为了适应生产工艺不断更新的需要，从用户角度提出了新一代控制器应具备的十大条件，立即引起了开发热潮。主要内容是： 编程方便，可现场修改程序； 维修方便，采用插件式结构； 可靠性高于继电器控制装置； 体积小于继电器控制盘； 数据可直接送入管理计算机； 成本可与继电器控制盘竞争； 输入可为市电；输出可为市电，容量要求在 2A 以上，可直接驱动接触器等； 扩展时原系统改变最少； 用户存储器大于 4KB 。 这些条件实际上提出将继电器控制的简单易懂、使用方便、价格低的优点与计算机的功能完善、灵活性、通用性好的优点结合起来，将继电接触器控制的硬接线逻辑转变为计算机的软件逻辑编程的设想。到现在，世界各国的一些著名的电气工厂几乎都在生产可编程控制器装置。可编程控制器已作为一个独立的工业设备被列入生产中，成为当代电控装置的主导。3.2 可编程控制器的定义 可编程控制器一直在发展中，因此直到目前为止,还未能对其下最后的定义。 美国电气制造商协会NEMA在1980年给可编程控制器作了定义。国际电工委员会(IEC)曾于1982年11月颁发了可编程控制器标准草案第一稿,1987年2月颁发了第三稿。草案中对可编程控制器的定义是： “可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数和算术操作等面向用户的指令，并通过数字式或模拟式的输入/输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外围设备，都按易于工业系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。” 此定义强调了可编程控制器是“数字运算操作的电子系统”，因此编程方便。它能完成逻辑运算，顺序控制，定时，计数和算术操作，它还具有“数字量或模拟量的输入/输出控制”的能力，并且非常容易与“工业控制系统联成一体”，易于“扩充”。 定义还强调了可编程控制器直接应用于工业环境，它须具有很强的抗干扰能力，广泛的适应能力和应用范围。这也是区别于一般微机控制系统的一个重要特征。应该强调的是，可编程控制器与以往所讲的鼓式，机械式的顺序控制器在“可编程”方面有质的区别。由于 PLC 引入了微处理机及半导体存储器等新一代电子器件，并用规定的指令进行编程，能灵活地修改，即用软件方式来实现“可编程”的目的。3.3 可编程控制器的特点414151可靠性高，抗干扰能力强高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。2配套齐全，功能完善，适用性强PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。3易学易用，深受工程技术人员欢迎PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。4系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。5体积小，重量轻，能耗低以超小型PLC为例，近几年出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。3.4 PLC和继电器控制系统的比较1 控制方式：继电器的控制是采用硬件接线实现的，是利用继电器机械触点的串联或并联极延时继电器的滞后动作等组合形成控制逻辑，只能完成既定的逻辑控制。PLC采用存储逻辑，其控制逻辑是以程序方式存储在内存中，要改变控制逻辑，只需改变程序即可。2 控制速度继电器控制逻辑是依靠触点的机械动作实现控制，工作频率低，毫秒级，机械触点有抖动现象。PLC是由程序指令控制半导体电路来实现控制，速度快，微秒级，严格同步，无抖动。3 延时控制继电器控制系统是靠时间继电器的滞后动作实现延时控制，而时间继电器定时精度不高，受环境影响大，调整时间困难。PLC用半导体集成电路作定时器，时钟脉冲由晶体振荡器产生，精度高，调整时间方便，不受环境影响。3.5 PLC的基本结构4151中央处理单元（简称CPU）中央处理单元是PLC的控制中枢，核心部件，其性能决定了PLC的性能。作用：处理和运行用户程序，进行逻辑和数学运算，控制整个系统，使之协调的工作。具体有：由控制器，运算器和寄存器组成，这些电路都集中在一块芯片上，通过地址总线，数据总线，控制总线，与存储器的输入，输出接口与电路相连。1）接收并存储从编程器键入的用户程序和数据，用扫描方式接收现场输入设备的状态或数据，并将输入状态或数据存入输入印象区或数据寄存器。2）诊断电源、PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误。3）PLC进入运行状态后，从存储器中逐条读取用户程序，经指令解释后按指令规定的任务产生相应的控制信号，去启闭有关的控制电路，分时、分渠道地去执行数据的存取，传送，组合，比较和变换等操作，完成用户程序中规定的逻辑或算术运算等任务。4）根据运算结果，更换有关影象区的状态和输出状态寄存器的内容，根据输出状态寄存器或数据寄存器的内容实现对输出的控制。2存储器存储器是具有记忆功能的半导体电路。作用：存放系统程序，用户程序，逻辑变量和其它一些信息。系统程序：控制PLC完成各种功能的程序，由PLC生产厂家编写，并固化到只读式存储器ROM中，用户不能访问。用户程序：用户根据工程现场的生产过程和工艺要求编写的程序。通过编程器输入到PLC的随机存储器RAM中，允许修改，由用户启动运行。1）结构：由存储体、地址译码电路、读写控制电路、数据寄存器组成。存储体由存储单元构成，作用：存放二进制数据。地址译码电路的作用：根据地址总线上的地址编码选取相应的存储单元。读写控制电路的作用：将选中的存储单元的内容读到数据寄存器中或将数据寄存器的内容写到选中的存储单元中。数据寄存器的作用：存放从存储单元读出的数据，或者存放从数据总线送来并准备写到存储单元去的数据。2）存储器的工作过程：1.数据的写入过程；2.数据的读出过程3）PLC中使用的存储器：1.只读存储器ROM，2.随机存储器RAMROM为只读存储器，存放PLC制造厂家写入的系统程序，并永远驻留在ROM中，PLC去电后再上电，ROM内容不变。RAM为可读写的存储器，读出时其内容不被破坏，写入时，新写入的内容覆盖原有的内容。为防止掉电后信息丢失，配有后备锂电池。除此而外，PLC还有EPROM、EEPROM存储器。PLC产品样本或使用说明书中给出的存储器形式或容量等均指用户存储器。存储器容量是PLC的一个重要性能指标。3输入单元：输入单元是PLC与工业生产现场被控设备相连的输入接口，是现场信号进入PLC的桥梁。作用：接收主令元件，检测元件传来的信号。输入类型：直流输入，交流输入，交直流输入。输入接口采用光电耦合电路，目的是把PLC与现场电路隔离，提高PLC的抗干扰能力。接口电路内部有滤波，电平转移，信号锁存电路。各PLC生产厂家都提供了多种形式的I/O部件或模块供用户选用。4输出单元输出单元也是PLC与现场设备之间的连接部件，把输出信号送给控制对象的输出接口。作用：将中央处理器送出的弱电信号转换成现场需要的电平信号，驱动被控设备的执行元件。输出类型：继电器输出，晶体管输出，晶闸管输出输出接口电路也采用光电耦合，每一点输出都有一个内部电路，由指示电路，隔离电路，继电器组成。输出接口电路也有输出状态锁存、显示、电平转移和输出接线端子排，输出部件或模块也有多种类型供选用。5电源作用：将交流电转换成PLC内部所需的直流电源。3.6 PLC的工作原理41415与普通微机类似，PLC也是由硬件和软件两大部分组成的。在软件的控制下，PLC才能正常地工作。软件又分为系统软件和应用软件两部分。PLC的基本工作如下：（1）输入现场信息：在系统软件的控制下，顺次扫描各输入点的状态；（2）执行程序：顺次扫描用户程序中的各条指令，根据输入状态和指令内容进行逻辑运算；（3）输出控制信号：根据逻辑运算的结果，输出状态寄存器向各输出点并行发出相应的控制信号，实现所要求的逻辑控制功能。上述过程执行完后，又重新开始，反复地执行。每执行一遍所需的时间称为扫描周期。PLC的扫描周期通常为几十毫秒。PLC的程序可与机器的动作一一对应，程序编制简单直观，不容易出错，而且容易修改，从而大大减少了软件的开发费用，缩短了软件的工作周期。为了提高工作的可靠性，及时接受外来的控制命令，PLC在每次扫描期间，除完成上述三步操作外，通常还要进行故障自诊断，完成与编程器等的通信。每次扫描开始，先执行一次自诊断程序，对各输入输出点、存储器和CPU等进行诊断，诊断的方法通常是测试出各部分的当前状态，并与正常的标准状态进行比较，若两者一致，说明各部分工作正常，若不一致则认为有故障。此时，PLC立即启动关机程序，保留现行工作状态，并关断所有输出点，然后停机。诊断结束后，如没发现故障，PLC将继续往下扫描，检查是否有编程器等的通信请求。如果有则进行相应的处理，比如，接受编程器发来的命令，把要显示的状态数据、出错信息送给编程器显示等。处理完通信后，PLC继续往下扫描，输入现场信息，顺序执行用户程序，输出控制信号，完成一个扫描周期，然后又从诊断开始，进行第二轮扫描。PLC就这样不断反复循环，实现对机器的连续控制，直到接受到停机命令，或因停电、出现故障等才停止工作。3.7 本章小结本章主要介绍了PLC的定义、结构、特点、原理等。第4章 系统设计4.1 引风机的原理、结构、选择和主要性能参数引风机就是锅炉上向外排放烟尘的风机，工作原理同其它离心式风机一样由电机带动叶轮旋转，叶轮中的叶片迫使气体旋转，对气体做功，使其能量增加，气体在离心力的作用下，向叶轮四周甩出，通过涡型机壳将速度能转换成压力能，当叶轮内的气体排出后，叶轮内的压力低于进风管内压力，新的气体在压力差的作用下吸入叶轮，气体就连续不断的从泵内排出。另外，引风机具有耐高温、耐磨损等特点。引风机主要由叶轮、机壳、进风口、调节门及传动部分等组成。 1、叶轮：由12片后倾机翼斜切的叶片焊接于弧锥形的前盘于平板形的后盘中间。由于采用了机翼形叶片，保证了引风机高效率、低噪声、高强度、同时叶轮又经过动、静平衡校正，因此运转平稳。同一机号的通、引风机叶轮结构全同。 2、引风机机壳：机壳是用钢板焊接而成的蜗形体。3、引风机进风口：进风口制成整体结构，用螺栓固定在风机入口侧。 4、调节门：用以调节风机流量的装置，轴向安装在进风口前面。调节范围由90（全闭）到0（全开）。为使调节各部正常工作，必须很好的润滑。对通风机的调节门，采用钙钠基润滑脂润滑。 5、引风机传动部分：传动部分的主要由优质钢制成，引风机均采用滚动轴承。轴承箱有两种形式：筒式轴承箱，枕式轴承箱，轴承箱上装有温度计和油位指示器。另外，在风机行业，只有锅炉引风机才能真正的称为“引风机”，并不是向外排风的风机都称之为“引风机”的。在这里我们是对Y4-73型锅炉离心引风机进行变频调速，其主要性能参数为：引风机的转速1450r/min；电动机型号 Y2-280M-4额定功率 90KW；轴功率 90KW额定电压 380V；额定电流 143.9A；压力（扬程） 3500Pa；功率因数 0.95；效率因数 0.87；引风机的电动机的转速 1480r/min整个系统的控制方案可以从附录一至五中看出，如图4-1所示：PLC/DCS系统给定信号引风机变频器引风机工频旁路装置引风机蒸汽锅 炉变频器故障图4-1 系统的控制方案采用的是变频和工频相结合的方式，在系统启动后直接进行变频运行，当出现故障的时候切换成工频运行，对变频器实行PLC和DCS控制调速，由于设计是以PLC为主故没有对DCS系统做详细介绍，主要阐明了变频器和PLC的选择和应用。特别是PLC，在系统设计中需要有启动和停止控制，变频运行，变频故障，变频就绪，变频运行输出，变频故障输出，工频运行，工频就绪，报警复位，故障复位输出以及一个远程启停输出按钮，才能使系统稳定的运行。4.2 变频器的选择和主要技术参数2021随着变频器性能价格比的提高，交流变频调速已运用到了许多领域，由于变频调速的诸多优点，使得交流变频调速在风机行业也得到了广泛运用。在本次设计中采用了施耐德公司的Telemecanique ATV61变频器，其主要情况如下所示：一、主要技术数据电压范围：单相或三相 200V15240V10三相 380V15480V10功率范围：0.75630KW额定工作环境温度：1050（降容可至60）过力矩能力：13060s调速范围：开环：1：100 调速精度：开环：10%电机额定滑差 本体I/O： 6逻辑输入（含1PTC，可扩展至20路）1安全联锁输入2继电器输出（可扩展至4路）2模拟输入（可扩展至4路）1模拟输出（可扩展至4路）另可扩展8路逻辑输出扩展选件卡：I/O扩展卡、通信卡、编码器卡、Controller inside卡，最多同时增加3张扩展选件卡。二、 电机控制方面在性能方面，ATV61同时支持无传感器电压矢量控制、传统U/F（2点或5点）控制方式以适应不同的应用。另外针对客户对于环境保护以及能量节约的需求，ATV61特别开发了节能运行模式。 最后ATV61与其ATV71一样支持1000Hz的输出频率。三、 软件功能方面ATV61内置了100多项标准功能，满足不同的应用，下面分类简要描述：A、 监视功能：支持各类运行参数直接显示和输入输出镜像、支持过程量换算显示等；B、 输入/输出:支持输入输出延时、滤波、映射、变换、模拟量加减乘等运算；C、 控制功能：支持中文图形面板、端子、通信方式及其组合分离等控制；D、 应用功能：支持PID调节器、速度给定监视、唤醒/休眠、流量检测、流量限制、欠负荷检测、过负荷检测、V/F平方曲线、能耗计算、节能模式、故障禁止（强制通风）、自动直流注入制动、寸动（点动）、预制速度、多电机、进出线接触器控制、跳频等100多项。E、 内置应用宏：起动/停机、一般应用、PID调节、通信总线、风机/水泵（出厂设置） F、 故障管理：变频器各类保护和故障管理、控制；G、 诊断功能：检查IGBT元件是否工作正常；H、 其它：用户菜单、显示配置等。四通讯功能ATV61本机内置了MODBUS， CANOPEN两种通讯协议。其中内置的CANOPEN接口通信速率高达1Mbps，同时ATV61可以通过增加通信附件支持Fipio, Ethernet、Modbus Plus、Profibus DP、DeviceNet、InterBus、Uni-Telway等通用主流通讯网络。另外ATV61还支持行业专用通信总线：LonWorks、METASYS N2、APOGEE FLN、BACnet。除了上述强大功能以外，ATV61外置的选件“Controller inside”卡可以实现随心所欲的自定义功能。该卡含有10个逻辑输入，6个逻辑输出，2路模拟量输入，2路模拟量输出，1个CANOPEN MASTER接口。提供IEC1131标准PLC语言编程环境，支持所有6种语言，并且采用先进的面向对象的编程方法。用户可以通过这张卡创建非常复杂的应用程序。我所选择的施耐德变频器是ATV-61HD75N4，其功率为75KW，重量44kg，最大连续电流为160A，最大瞬时电流为192A（持续时间