基于三菱通用变频器三菱PLC的风机变频节能改造

1、前言能源是国家重要的物质根底，能源的供需矛盾已成为制约我国社会主义经济建设的主要因素之一。在能源问题上国务院提出“节约与开发并重的方针，就是依靠技术进步，把节约能源以解决能源问题作为我国重要的技术经济政策。科技是第一生产力,依靠科技改造设备以节约能源并净化环境,是企业工程技术人员的职责。而风机、水泵在我国企业中应用量大、面广,是高耗能设备,节电潜力相当大。抓好风机、水泵的节能技术改造工作对节约能源有重大意义,国务院领导同志对此亦极为重视。据不完全统计，全国风机、水泵、压缩机就有1500万台电动机，用电量占全国总发电量的4050%，这些电动机大多在低的电能利用率下运行，只要将这些电动机电能利用率

2、提高1015%，全年可节电300亿kW以上。根据火电设计规程SDJ-79规定，燃煤锅炉的送、引风机的风量裕度分别为5%和5%10%，风压裕度分别为10%和10%15%。设计过程中很难计算管网的阻力、并考虑到长期运行过程中发生的各种问题，通常总是把系统的最大风量和风压裕度作为选型的依据，但风机的型号和系列是有限的，往往选取不到适宜的风机型号时就往上靠，裕度大于2030%比较常见。因此这些风机运行时，只有靠调节风门或风道挡板的开度来满足生产工艺对风量的要求。风机和水泵的机械特性均为平方转矩特性，水泵运行时，靠阀门的开度调节流量来满足供水要求，工况与风机相似，靠调节风门、风道档板或阀门的开度来调节风

3、机风量，水泵流量的方法、称为节流调节，在节流调节过程中，风机或水泵固有特性不变、仅仅靠关小风门 、挡板或阀门的开度，人为地增加管路的阻力，由此增大管路系统的损失，不利于风机，水泵的节能运行。采用调速控制装置，通过改变风机水泵转速，从而改变风机风量，水泵流量以适应生产工艺的需要，这种调节方式称为风机水泵的调速控制。风机、水泵以调速控制方式运行能耗最省，综合效益最高。交流电机的调速方式有多种、变频调速是高效的最正确调速方案，它可以实现，风机水泵的无级调速，并可方便地组成闭环控制系统、实现恒压或恒流量控制。锅炉是各个行业日常生活、生产应用最多的一种设备，而由于燃料的构成及热负荷随季节和需求量的变化较

4、大。因此，锅炉燃烧所需的空气量和各燃烧部位也相应有较大变化，而配置给锅炉的都按所需的最大量设计，如果控制不理想，会造成很大的能源损失，而变频调速器恰好能满足各方面的控制要求，从而到达理想的节能效果。锅炉本身的控制系统较为复杂。传统中，锅炉的燃烧控制仅依靠人工调节给煤，人工调节风门对锅炉的鼓、引风量的进行控制，实现锅炉燃烧状态控制的目的。在传统的锅炉风机控制系统中，锅炉鼓风、引风控制采用接触器控制，故障率较高，影响了锅炉的正常稳定运行，制约了生产；风量调节控制靠改变风门挡板的开度来实现点击恒速运行，能源消耗大；锅炉给水采用手动执行器控制，在用汽量波动大时。平安性不够高。目前，国内很多电厂的机组经

5、常处于低负荷运行。而电厂的锅炉引风机系统采用工频恒速运行方式，通过入口挡板节流调节流量来到达自动控制的目的，这样既会造成大量能源浪费，又会降低电机的寿命。另一方面国内许多电厂风机设备仍采用的传统控制方法即通过继电器控制，存在着启动电流大，运行平安可靠性差、抗干扰能力弱的问题。本文内容即是针对国内锅炉引风机系统采用PLC控制器与变频器相结合的控制系统进行设计。1 风机变频调速的节能原理1.1 变频调速的方法 变频调速:就是通过改变输入到交流电机的电源频率，从而到达调节交流电动机的输出转速的目的。交流异步电动机的输出转速由下式确定： 1.1式中 电动机的输出转速；输入的电源频率；电动机的转差率；电

6、机的极对数。 由公式(1.1)可知，电动机的输出转速与输入的电源频率、转差率、电机的极对数有关系，因而交流电动机的直接调速方式主要有变极调速(调整p)、转子串电阻调速或串级调速或内反响电机(调整S)和变频调速(调整f)等。 变频调速器从电网接收工频50Hz的交流电，经过恰当的强制变换方法，将输入的工频交流电变换成为频率和幅值都可调节的交流电输出到交流电动机，实现交流电动机的变速运行。将工频交流电变换成为可变频的交流电输出的变换方法主要有两种：一种称为直接变换方式，又称为交交变频方式，它是通过可控整流和可控逆变的方式，将输入的工频电直接强制成为需要频率的交流输出，因而称其为交流交流的变频方式。另

7、一种称为间接变换方式，又称为交-直-交变频方式，它是先将输入的工频交流电通过全控/半控/不控整流变换为直流电，再将直流电通过逆变单元变换成为频率和幅值都可调节的交流电输出。1.2 调速节能的原理风机变频调速的节能原理可以从两个方面来说明：风机水泵的节能原理和流体力学的观点。 风机水泵的节能原理用调速代替挡风板或节流阀控制风量，是一个有效的节能途径。如下图1.2.1：为离心风机水泵的风压、水压H-风量流量Q曲线特性图图1.2.1 风机水泵HQ特性曲线-代表风机水泵 在额定转速运行时的特性； -代表风机水泵降速运行在n2转速时的特性； -代表风机水泵管路阻力最小时的阻力特性；-代表风机水泵管路阻力

8、增大到某一数组时的阻力特性。风机水泵在管路特性曲R1工作时，工况点为A，其流量压力分别为Q1、H1，此时风机水泵所需的功率正比于H1与Q1的乘积，即正比于AH1OQ1的面积。由于工艺要求需减小风量流量到Q2，实际上通过增加管网管阻，使风机水泵的工作点移到R2上的B点，风压水压增大到H2，这时风机水泵所需的功率正比H2Q2的面积，即近比广BH2OQ2的面积。显然风机水泵所需的功率增大了。这种调节方式控制虽然简单、但功率消耗大，不利于节能，是以高运行本钱换取简单控制方式。 流体力学的观点通过流体力学的根本定律可知：风机或水泵类设备均属平方转矩负载，其转速n与流量Q、压力扬程H以及轴功率P具有如下关

9、系： () () 式中 、风机或水泵在转速时的流量、压力或扬程、轴功率、风机或水泵在转速时的相似工况条件下的流量、压力或扬程、轴功率。 由公式(1.2.1)、()、()可知，风机或水泵的流量与其转速成正比，压力或扬程与其转速的平方成正比，轴功率与其转速的立方成正比。由公式可知，在其它运行条件不变的情况下，通过下调电机的运行速度，其节电效果是与转速降落成立方的关系，节电效果非常明显。例如工况只需要50的风量或水量，那么可以将电机的转速调节为额定的一半，此时电机消耗的功率仅为额定的12.5，即理论上节能可达87.5，即使考虑装置本身的损耗等因素，节电也是相当可观的。2 锅炉系统控制方案任何生产系统

10、控制方案确实定都必须了解相应的生产工艺，所以我们先介绍锅炉的生产工艺。2.1 工业锅炉 工业的锅炉开展在未来相当长的一段时间内，燃煤工业锅炉仍将是我国的主导产品，且以中大容量单台蒸发量10t/h居多。但燃煤锅炉会产生严重的环境污染，随着能源供给结构的变化和节能环保要求日益严格，天然气开发应用将进入高速开展时期。小型燃煤工业锅炉将退出中心城区。因此采用清洁燃料和洁净燃烧技术的高效、节能、低污染工业锅炉将是产品开展的趋势。工业锅炉产品市场开展除了受我国国民经济的开展速度和投资规模等因素影响外，越来越受到能源政策和节能、环保要求的制约。随着高性能产品的普及和产品质量的提高，在20002021年每年将

11、有约5万蒸吨的工业锅炉需要更新，2021年后，每年将有约7万蒸吨的工业锅炉需要更新，再加上新增装机，从需求上讲，到 2021年每年工业锅炉需求量约为1012万蒸吨。今后大中城市的小容量燃煤锅炉的比重将会显著下降，循环流化床锅炉等采用清洁燃烧技术的锅炉将得到较快的开展，燃气锅炉将会有长足的进步，燃用生活垃圾和生物质的锅炉市场潜力较大，蓄热式电热锅炉系统随着电力工业改革和开展其市场将进一步拓宽。因此采用清洁燃料和洁净燃烧技术的高效、节能、低污染工业锅炉将是工业锅炉产品开展的趋势，并向高端和高附加值的产品市场开展。 工业锅炉的构成锅炉是由“锅和“炉两局部组成的。 锅是容纳水和蒸汽的受压部件，包括锅筒

12、、受热面、集箱 (也叫联箱)和管道等。其中进行着水的加热，汽化及汽水别离等过程。1. 锅筒：它的作用是聚集，贮存、净化蒸汽和补充给水。2. 水冷壁受热面：水冷壁是布置在炉膛四周的辐射受热面。辐射受热面吸收火焰辐射热并遮挡炉墙，因而对炉墙起到了保护作用;同时，由于吸热较多，能降低炉膛温度，还有防止燃烧煤层结焦的作用。 3. 集箱：它是聚集炉管排列联接的主要元件，有分配供水和引出的作用，按其所在位置有上集箱和下集箱或进口集箱和出口集箱之分。4. 对流管束受热面：对流管束又称对流排管，位于上下锅筒之间，一般由513mm的锅炉钢管组成，是水管锅炉的主要受热面。5. 烟火管受热面：烟管是烟管锅炉和水火管

13、组合式锅炉的主要受热面，它的作用是当炉膛燃烧产生的高温烟气从管内流过时，不断对管外的锅水加热，使其逐渐成为蒸汽或热水。6. 过热器：烟管是烟管锅炉和水火管组合式锅炉的主要受热面，它的作用是当炉膛燃烧产生的高温烟气从管内流过时，不断对管外的锅水加热，使其逐渐成为蒸汽或热水。烟管一般装在锅壳内，用焊接或胀接固定在两端管板上炉位于锅炉本体前方，是燃料燃烧的场所，它包括燃烧设备和炉膛。由于燃料不同和燃烧方式不同，主要有层燃炉，室燃炉，旋风炉、沸腾炉等。他们炉膛四周，都安装了水冷壁管。层燃炉为了加强燃料燃烧还有前、后拱。不同的炉型，其结构虽然不一样，但它们都有组织燃料燃烧的空间和相应的燃烧设备。锅和炉是

14、由传热过程联系起来的，受热面即是锅和炉的分界面。但凡一侧有放热介质 (火焰、烟气)，另一侧就有受热介质 (水，蒸汽、空气)，进行着热量传递，它们之间的热交换是依靠受热面。 由锅筒、受热面及其连接管道和烟风道、燃烧设备和出渣设备、炉墙和构架 (包括平台、扶梯)等所组成的整体称为锅炉本体。 锅炉本体，锅炉范围内的水、汽、烟、风、燃料管道及其附属设备、测量仪表，其它的锅炉附属机械等构成的整套装置称为锅炉机组。2.2 链条锅炉工艺介绍 链条锅炉简介链条锅炉是机械化程度较高的一种层燃炉。因其炉排类似于链条式履带而得名，是工业锅炉中使用较广泛的一种炉型，在10-65t/h中等容量，甚至1-2t/h的小容量

15、锅炉中都有采用。链条炉是一种前饲式炉子，煤的燃烧过程是在移动中完成的，它的燃烧工况稳定，热效率较高，运行操作方便，劳动强度低，烟尘排放浓度较低。它属于单面着火方式，运行时燃料无自身扰动，沿炉排长度方向燃料层有明显的分区。为使燃料中的可燃物和飞灰可燃物燃尽，可以采用“二次风。由于着火条件不好，拨火又必须人工操作，因此它不适于烧水分很大、灰分又多、结焦性强的煤。它的另一个缺点是金属耗量大。 链条炉排链条炉排的结构：链条炉排的外形好似皮带输送机，其结构如图2.2.2所示。其运行过程是：煤从煤斗内依靠自重落到炉排前端，随炉排自前向后缓慢移动，经煤闸板进入炉膛。煤闸板的高度可以自由调节，以控制煤层的厚度

16、。空气从炉排下面分区送风室引人，与煤层运动方向相交。煤在炉膛内受到辐射加热,依次完成预热、枯燥、着火、燃烧,直到燃尽。灰渣那么随炉排移动到后部，经过挡渣板俗称老鹰铁落入后部水冷灰渣斗，由除渣机排出。图2.2.2 链条炉排结构 链条炉排的燃烧特点链条炉排的着火条件较差。煤的着火主要依靠炉膛火焰和拱的辐射热,因而上面的煤先着火,然后逐步向下燃烧。这样的燃烧过程,在炉排上就出现了明显的区域分层,如下图2.2.3。图2.2.3 链条炉燃烧的区域分层煤进入炉膛后,随炉排逐渐由前向后缓慢移动。在炉排的前部,是新煤燃烧准备区,主要进行煤的预热和枯燥。紧接着是挥发分析出着火并开始进入燃烧区。在炉排的中部,是焦

17、炭燃烧区,该区温度很高,同时进行着氧化和复原反响过程,放出大量热量。在炉排的后部,是灰渣燃尽区,对灰渣中剩余的焦炭继续燃烧。在燃烧准备区和燃尽区都不需要很多空气,而在焦炭燃烧区那么必须保证有足够的空气,如果不采取分段送风,会出现空气在炉膛前后两端过剩,在中部缺乏的弊病。为了改善上述燃烧状况,通常采取以下三种措施:1.炉拱布置炉墙向炉膛内突出的局部称为炉拱。炉拱的主要作用是储蓄热量,调整燃烧中心,提高炉膛温度,加速新煤着火。其次是延长烟气流程,促进燃料充分燃烧。2.分段送风为了适应链条炉排燃烧各区段需要不同风量的特点,在炉排下面隔成几个风室进行分段送风(一次风)。每个风室之间应严密不漏,以防短路

18、而失去调节作用。为使整个炉排宽度的风量分布均匀,宜采用双侧进风。每个风室的风量,均用单独的挡风板分别调节。各挡风板的开度,需根据不同煤种的特性,经过反复运行试验,找出使煤燃烧最正确的开启位置。当煤种变化时,还需要重新调整,以到达最经济的运行效果。3.二次风在层燃炉中,从炉排下方送入炉膛的空气称为一次风,从炉排上方高速吹人炉膛的气流称为二次风。在室燃炉中,随燃料进入炉膛的空气称为一次风,为加强扰动、混合和燃尽而喷人炉膛的气流称为二次风。二次风的作用：1烟气,使烟气与空气很好混合,减少气体未完全燃烧热损失。2造成烟气旋涡,延长烟气流程,使飞灰中可燃物质在炉膛内停留较长时间,得到充分燃尽。3依靠旋涡

19、的别离作用,把未燃尽的炭粒甩回火床复燃,降低飞灰含炭量,减少固体未完全燃烧热损失,降低锅炉初始排尘浓度。4当用空气做二次风时,还可补充一次风的缺乏,促进完全燃烧。合理的布置与使用二次风,一般可提高锅炉热效率5%左右。2.3 锅炉系统控制原理首先除氧水通过给水泵进入给水调节阀，通过给水调节阀进入省煤器，冷水在经过省煤器的过程中被由炉膛排出的烟气预热，变成温水进入汽包，在汽包内加热至沸腾产生蒸汽，为了保证有最大的蒸发面因此水位要保持在锅炉上汽包的中线位置，蒸汽通过主蒸汽阀输出。空气经过鼓风机进入空气预热器，在经过空气预热器的过程中被由炉膛排出的烟气预热，变成热空气进入炉膛。燃料进入炉膛被前面的火点

20、燃，在燃烧过程中发出热量加热汽包中的水，同时产生热烟气。在引风机的抽吸作用下经过省煤气和空气预热器，把预热传导给进入锅炉的水和空气。通过这种方式使锅炉的热能得到节约。降温后的烟气经过除尘器除尘，去硫等一系列净化工艺通过烟囱排出。锅炉自动运行的主要任务是： 保持汽水位在规定的范围内； 控制蒸汽压力的稳定； 控制炉膛负压在规定范围内； 维持经济燃烧。工业锅炉是一个复杂的调节对象，有多个调节参数和被调节参数，还存在着错综复杂的扰动参数。这些参数的相互作用如图2.3所示 燃 管 运 烧 路 行 品 阻 状 质 力 况 锅炉设备 给水量 汽包水位 减温量 蒸汽温度 燃料量 蒸汽压力 送风量 烟气含氧量

21、引风量 炉膛负压 一次风 蒸汽流量 图2.3 炉输入参数和输出参数之间的影响示意图由图中可以看出，锅炉是一个多输入、多输出、多回路、非线性的相互关联的对象，调节参数和被调节参数之间，存在着许多交叉的影响。3 PLC和变频器的选型3.1 PLC的选型 三菱PLC的简介三菱PLC英文名又称：Mitsubish Power Line Communication，是三菱电机在大连生产的主力产品。三菱PLC在中国市场常见的有以下型号：FR-FX1N FR-FX1S FR-FX2N FR-FX3U FR-FX2NC FR-A FR-Q。 三菱PLC的产品系列FX1S系列:三菱PLC是一种集成型小型单元式P

22、LC。且具有完整的性能和通讯功能等扩展性。如果考虑安装空间和本钱是一种理想的选择。 FX1N系列:是三菱电机推出的功能强大的普及型PLC。具有扩展输入输出，模拟量控制和通讯、链接功能等扩展性。是一款广泛应用于一般的顺序控制三菱PLC。 FX2N系列:是三菱PLC是FX家族中最先进的系列。具有高速处理及可扩展大量满足单个需要的特殊功能模块等特点，为工厂自动化应用提供最大的灵活性和控制能力。 FX3U:是三菱电机公司新近推出的新型第三代三菱PLC,可能称得上是小型至尊产品。根本性能大幅提升，晶体管输出型的根本单位内置了3轴独立最高100kHz的定位功能，并且增加了新的定位指令，从而使得定位控制功能

23、更加强大，使用更为方便。 FX1NC FX2NCFX3UC三菱PLC:在保持了原有强大功能的根底上实现了极为可观的规模缩小I/O型接线接口降低了接线本钱，并大大节省了时间。 Q系列三菱PLC:三菱机公司推出的大型PLC,CPU类型有根本型CPU，高性能型CPU，过程控制CPU,运动控制CPU,冗余CPU等。可以满足各种复杂的控制需求。三菱电机中国事业的快速开展，为了更好地满足国内用户对三菱PLC，Q系列产品高性能、低本钱的要求，三菱电机自动化特推出经济型QUTESET型三菱PLC，即一款以自带64点高密度混合单元的5槽Q00JCOUSET；另一款自带2块16点开关量输入及2块16点开关量输出的

24、8槽Q00JCPU-S8SET，其性能指标与Q00J完全兼容，也完全支持GX-Developer等软件，故具有极佳的性价比。 A系列三菱PLC: 使用三菱专用顺控芯片MSP，速度/指令可媲美大型三菱PLC;A2ASCPU支持32个PID回路。而QNASCPU的回路数目无限制，可随内存容量的大小而改变；程序容量由8K步至124K步，如使用存储器卡，QNASCPU那么内存量可扩充到2M字节；有多种特殊模块可选择，包括网络，定位控制，高速计数，温度控制等模块。 三菱PLC的特点 结构灵活不受环境的限制，有电即可组建网络，同时可以灵活扩展接入端口数量，使资源保持较高的利用率，在移动性方面可与WLAN媲

25、美。 传输质量高、速度快、带宽稳定可以很平顺的在线欣赏DVD影片，它所提供的14Mbps带宽可以为很多应用平台提供保证。最新的电力线标准HOMEPLUGAV传输速度已经到达了200Mbps；为了确保QOS，HOMEPLUG AV采用了时分多路访问TDMA与带有冲突检测机能的载体侦听多路访问CSMA协议，两者结合，能够很好地传输流媒体。 范围广无所不在的电力线网络也是这种技术的优势。虽然无线网络可以做到不破墙，但对于高层建筑来说，其必需布设N多个AP才能满足需求，而且同样不能防止信号盲区的存在。而电力线是最根底的网络，它的规模之大，是其他任何网络无法比较的。由此，运营商就可以轻松地把这种网络接入

26、效劳渗透到每一处有电力线的地方。这一技术一旦全面进入商业化阶段，将给互联网普及带来极大的开展空间。终端用户只需要插上电力猫，就可以实现因特网接入，电视频道接收节目，打 或者是可视 。 低本钱充分利用现有的低压配电网络根底设施，无需任何布线，节约了资源。无需挖沟和穿墙打洞，防止了对建筑物、公用设施、家庭装潢的破坏，同时也节省了人力。相对传统的组网技术，PLC本钱更低，工期短，可扩展性和管理性更强。目前国内已开通电力宽带上网的地方，其包月使用费一般为50-80元/月左右，这样的价格和很多地方的ADSL包月相持平。 适用面广PLC作为利用电力线组网的一种接入技术，提供宽带网络“最后一公里的解决方案，

27、广泛适用于居民小区，酒店，办公区，监控安防等领域。它是利用电力线作为通信载体，使得PLC具有极大的便捷性，只要在房间任何有电源插座的地方，不用拨号，就立即可享受4.545Mbps的高速网络接入，来浏览网页拨打 ，和观看在线电影，从而实现集数据、语音、视频，以及电力于一体的“四网合一。 三菱PLC的选型1. FX2N系列简介本次设计选用三菱PLC的FX2N系列，下面对进行介绍：FX系列PLC拥有无以匹敌的速度，高级的功能逻辑选件以及定位控制等特点； FX2N是从16路到256路输入/输出的多种应用的选择方案； FX2N系列是小型化，高速度，高性能和所有方便都是相当于FX系列中最高档次的超小形程序

28、装置。 除输入出16-25点的独立用途外，还可以适用于在多个根本组件间的连接，模拟控制，定位控制等。 特殊用途，是一套可以满足多样化广泛需要的PLC。 在根本单元上连接扩展单元或扩展模块，可进行16-256点的灵活输入输出组合。可选用16/32/48/64/80/128点的主机，可以采用最小8点的扩展模块进行扩展。可根据电源及输出形式，自由选择。 程序容量：内置800步RAM可输入注释可使用存储盒，最大可扩充至16K步。丰富的软元件应用指令中有多个可使用的简单指令、高速处理指令、输入过滤常数可变，中断输入处理，直接输出等。便利指令数字开关的数据读取，16位数据的读取，矩阵输入的读取，7段显示器

29、输出等。数据处理、数据检索、数据排列、三角函数运算、平方根、浮点小数运算等。特殊用途、脉冲输出20KHZ/DC5V，KHZ/DC12V-24V，脉宽调制，PID控制指令等。外部设备相互通信，串行数据传送，ASCII code印刷，HEX ASCII变换，校验码等。时计控制内置时钟的数据比较、加法、减法、读出、写入等。 2. PLC根本单元、模拟量输入和输出模块的选择FX2N系列中有关模拟量的特殊功能模块有FX2N-2AD2路模拟量输入、FX2N-4AD4路模拟量输入、FX2N-8AD8路模拟量输入FX2N-4AD-PT4路热电阻直接量输入、FX2N-4AD-CT4路热电偶直接量输入、FX2N-

30、2DA2路模拟量输出、FX2N-4DA4路模拟量输出和FX2N-2LC2路温度PLC控制模块等根据锅炉风机系统的模拟量输入、输出总点数如表，我们选择FX2N-8AD模拟量输入模块、FX2N-2DA模拟量输出模块和FX2N-48MR根本单元。表锅炉风机系统的输入输出变量序号名称量程范围通道号取值范围报警上线报警下线备注1主汽压力02.5 MPaCH112.5 MPa1.35MPa1.35MPaAD2炉膛负压2000200 PaCH22000200 Pa5Pa5Pa3蒸汽流量040t/hCH3040无无4给水流量050t/hCH4050无无5引风调节050HzCH71050无无6鼓风调节050Hz

31、AD81050无无7引风变频调节050HzCH11050无无DA8送风变频调节050HzCH21050无无1模拟量输入模块FX2N-8AD FX2N-8AD模拟量输入模块是FX系列专用的模拟量输入模块。该模块有8个输入通道CH，通过输入端子变换，可以任意选择电压或电流输入状态。电压输入时，输入信号范围为DC-10+10V，输入阻抗为200千欧姆，分辨率为2. 5mV；电力输入时，输入信号范围为DC-20+20mA，输入阻抗为250欧姆，分辨率为2uADC+4+20mA时。FX2N-8AD模拟量输入模块可以与FX0、NFX1、NFX2、NFX2NC系列PLC的根本单元连接。与FX2NC系列PLC

32、相连时，需要用一个FX2NC-CNV-I。FX2N-8AD的工作电源为DC24V，模拟量与数字量之间采用光电隔离技术，但各通道之间没有隔离。FX2N-8AD消耗PLC主单元或有源扩展单元5V电源槽50mA的电流。FX2N-8AD占用根本单元的8个映像表，即在软件商战8个I/O数点，在计算PLC的I/O时可以将这8个点作为PLC的输入点来计算。 FX2N-8AD的接线FX2N-8AD的接线图如下图3.1.1。图中模拟输入信号采用双绞屏蔽电缆与FX2N-8AD连接，电缆应远离电源或其他可能产生电气干扰的导线。如果输入有电压波动，或者在外部接线中有点气干扰，可以接一个0.10.47uF25V的电容。

33、如果是电流输入，应该将端子V+和I+连接。FX2N-8AD接地端与PLC主单元接地端连接，如果存在过多的电气干扰，再将外壳接地端FG和FX2N-8AD接地端连接。图 3.1.1 FX2N-8AD的接线图 FX2N-8AD缓存(BFM)的分配FG和FX2N-8AD模拟量模块内部有一个数据缓存存放器区，它由32个16位的存放器组成，编号为BFM#0#3399。数据缓存存放器区内容，可以通过PLC的FROM和TO指令来读、写。注意不要用FROM和TO指令来读、写保存数据缓冲存放器BFM #18,#23，#25，#31，#33#40,#49，#50，#59，#60，#69，#70，#79，#80，#8

34、9，#90，#99，#100，#127#197。2模拟量输出模块FX2N-2DA FX2N-2DA有两路输出，通过端子变换，可以任意选择电压或电流输出状态。电压输出时，输出信号范围为DC-10+10V，可以接负载阻抗为1k,分辨率为5mV，综合精度位0.1V；电流输出时，输出信号范围为DC+4+20mA，可以接负载阻抗不FX2N-2DA模拟量输入输出模块也是FX系列专用的模拟量输入输出模块。该模块将12大于250 ，分辨率为20 uA，综合精度为0.2mA。FX2N-2DA模拟量模块的工作电源位DC24V,模拟量与数字量之间采用光电隔离技术。FX2N-2DA模拟量模块的两个输出通道，要占用根本

35、单元的8个映像表，既在软件上占8个I/O点数，在计算PLC的I/O时可以将这8个点作为PLC的输出点来计算。 FX2N-2DA的接线FX2N-2DA的接线如下图3.1.2。图中模拟输出信号采用双绞屏蔽电缆与外部执行机构连接，电缆应远离电源线或其他可能产生电气干扰的导线。当电压输出有波动或存在大量噪声干扰时，可接一个0.10.47uF25V的电容。对于电压输出，应将端子I+和V1-连接。FX2N-2DA接地端与PLC主单元接地端连接。图3.1.2 FX2N-2DA的接线图 FX2N-2DA的缓冲存放器BFM分配FX2N-2DA模拟量模块每部有一个数据缓冲存放器区，它由32个16 位的存放器组成，

36、编号为BFM#0#31，其内容与作用如表所示。数据缓冲存放器内容可以通过PLC的FROM和TO指令来读、写。表 FX2N-2DA缓冲存放器BFM的分配BFM内容备注#0通道初始化，用2位16进制数H表示，2位数字从右至左分别控制CH1.CH2两个通道。每位数字取值范围为0.1，其含义为：0表示输出范围为-10V+10V;1表示输出范围为+4mA+20mA#1通道1存放输出数据#2通道2#3#4保存#5输出保持与复位，缺省值为H00H00表示CH2保持、CH1保持H01表示CH2保持、CH1复位H02表示CH2复位、CH1保持H03表示CH2复位、CH1复位#6#15保存#16输出数据的当前值8

37、位数据存于b7b0#17装换通道设置将b0由1变成0，CH2的D/A转换开始；将b1由1变成0，CH1的D/A转换开始；将b2由1变成0，D/A转换的低8位数据保持；#18#19保存#20复位到缺省值和预设值缺省值为0，设为1时，所有设置将复位缺省值#21禁止调整偏置和增益值b0、b1位设为1、0时，禁止；b1、b0位设为0、1时，允许缺省值#22偏置，增益调整通道设置B3与b2、b1与b0分别表示调整CH2、CH1的增益与偏置值#23偏置值设置缺省值为0000，单位为mV或uA#24增益值设置缺省值为5000，单位为mV或uA#25#28保存#29错误信息表示本模块的出错类型#30识别码K3

38、010固定为K3010，可用FROM读出识别码来确认此模块#31禁用3.2 变频器的选型 三菱变频器的简介三菱变频器全称为“三菱交流变频调速器，主要用于三相异步交流电机，用于控制和调节电机速度。 当电机的工作电流频率低于50Hz的时候，会节省电能，因此变频器是国家号召提倡推广的节能产品之一。作为引领全球市场的机电产品综合供给商，三菱电机在中国的FA事业随着中国经济的蓬勃开展蒸蒸日上。从社会根底设施建设领域到半导体制造等高科技产业，从现场控制到远程监控，三菱电机FA技术为创造更快生产效率和更高生产力提供强大的支持。随着节能的普及和工业自动化的推广，变频器的使用越来越多，每年在中国有上百亿的销售额

39、。 三菱变频器的类型三菱变频器来到中国有20多年的历史，现在市场上主要使用的有以下系列： 通用高性能 FR-A740 3P 380V FR-A720 3P 220V 轻载节能型 FR-F7403P 380V FR-F720 3P 220V 简易通用型 FR-S540E 3P 380V FR-S520SE 1P 220V FR-S520E 3P 220V由日本生产 经济通用型 FR-E540 3P 380V FR-E520S 1P 220V FR-E520 3P 220V三菱变频器的分类介绍1.三菱变频器 FR-A740系列(1) 功率范围：37160kW (2) 闭环时可进行高精度的转矩/速度

40、/位置控制 (3) 无传感器矢量控制可实现转矩/速度控制 (4) 内置PLC功能特殊型号 (5) 使用长寿命元器件，内置EMC滤波器 (6) 强大的网络通讯功能，支持DEVICENET，PROFIBUS-DP，MODBUS等协议 2.三菱变频器 FR-F740系列(1) 功率范围：37220KW (2) 简易磁通矢量控制方式，实现3Hz时输出转矩达120% (3) 采用最正确砺磁控制方式，实现更高节能运行 (4) 内置PID，变频器/工频切换和可以实现多泵循环运行功能 (5) 内置独立的RS485通讯口 (6) 使用长寿命元器件 (7) 内置噪声滤波器75K以上 (8) 带有节能监控功能，节能

41、效果一目了然 3.三菱变频器 FR-E540系列(1) 功率范围：0.47.5KW (三相380V FR-E540系列) (2) 采用磁通矢量控制，实现1Hz运行150%转矩输出 (3) PID，15段速度等多功能选择 (4) 内置独立RS485通讯口 (5) 柔性PWM，实现更低噪音运行 (6) 可选择FR-PA02-02简易型面板或FR-PU04-CH型LCD显示面板 三菱变频器的选型1.负载类型变频器的正确选择对于控制系统的正常运行是非常关键的。选择变频器，要按照机械设备的类型、负载转矩特性、调速范围、静态速度精度、启动转矩和使用环境的要要求，决定选择何种控制方式和防护结构的变频器最为适

42、宜。所谓适宜是在满足机械设备的实际工艺生产要求和使用场合的前提下，实现变频器应用的最正确性价比。人们在实践中常将生产机械分为三种类型:恒转矩负载、恒功率负载和风机、水泵负载。1恒转矩负载： 负载转矩与转速无关，任何转速下总保持恒定或根本恒定。例如传送带、搅拌机，挤压机等摩擦类负载以及吊车、提升机等位能负载都属于恒转矩负载。 变频器拖动恒转矩性质的负载时，低速下的转矩要足够大，并且有足够的过载能力。如果需要在低速下稳速运行，应该考虑标准异步电动机的散热能力，防止电动机的温升过高。 2恒功率负载：床主轴和轧机、造纸机、塑料薄膜生产线中的卷取机、开卷机等要求的转矩，大体与转速成反比，这就是所谓的恒功

43、率负载。负载的恒功率性质应该是就一定的速度变化范围而言的。当速度很低时，受机械强度的限制，不可能无限增大，在低速下转变为恒转矩性质。负载的恒功率区和恒转矩区对传动方案的选择有很大的影响。电动机在恒磁通调速时，最大容许输出转矩不变，属于恒转矩调速；而在弱磁调速时，最大容许输出转矩与速度成反比，属于恒功率调速。如果电动机的恒转矩和恒功率调速的范围与负载的恒转矩和恒功率范围相一致时，即所谓“匹配的情况下，电动机的容量和变频器的容量均最小。3风机、泵类负载：在各种风机、水泵、油泵中，随叶轮的转动，空气或液体在一定的速度范围内所产生的阻力大致与速度的次方成正比。随着转速的减小，转速按转速的次方减小。这种

44、负载所需的功率与速度的次方成正比。当所需风量、流量减小时，利用变频器通过调速的方式来调节风量、流量，可以大幅度地节约电能。由于高速时所需功率随转速增长过快，与速度的三次方成正比，所以通常不应使风机、泵类负载超工频运行。 2.变频器选型由于风机、水泵是最普通的负载，对变频器的要求最为简单，只要变频器的容量等于电动机即可，空压机、深水泵，泥沙泵、快速变化的音乐喷泉需加大容量所以我们根据电动机选择以下变频器：电动机名牌： 额定功率：110KW 额定转速：1486r/min 额定频率：50HZ 额定电流：200.84A 型号：Y315S-4 额定电压：380V风机属于平方率负载，转矩与速度的平方成正比

45、，无瞬间过载问题，且低速时转矩小，连续运载。变频器连续运转时所需的变频器容量应满足以下3式： 式中，-负载所要求的电动机的轴输出功率； -电动机的效率通常为0.85； -动机的功率因数通常约为0.95； -电动机的电压，V； -电动机的电流，A； -电流波形修正参数；-变频器的额定容量，KVA；-变频器的额定电流，A。根据电动机的名牌数据计算如下：所以选择普通功能U/f控制的变频器，在此选用三菱FR-F740系列，变频器类型为FR-F740-S160K-CHT,容量为160KVA，电流为210A，完全满足以上计算要求。4 风机控制逻辑软件设计风机系统控制流程如图 4.1所示，基于该流程采用PL

46、C编程软件设计的梯形控制逻辑主要包括以下几局部。 图4.1 风机系统控制流程图4.1 风机变频启动和运行逻辑 当空气预热器、冷却风机、程控开关通电、润滑油泵均正常启动后那么使风机启动前检查信号置位。如果再同时选中风机变频运行模式，发出变频运行开始信号。风机启动信号发出，使风机电动机接通变频器，同时使变频器接通电源，使风机工频运行模式和变频运行模式互锁。在变频运行未启动时按下风机断电将使变频器断电。变频器通电信号启动，使变频运行信号置位，变频器通电运行，启动变频器 FWD功能，使风机电动机升速并运行。压力测点将测得的炉膛负压信号值，输入变频器模拟量输入端子，再经PID调节器处理后进行变频器的无级

47、调速，以使风机转速根据炉膛负压的改变而做满足炉膛压力要求的变化。 当变频器跳闸指令启动时通电使变频器断电和变频运行复位。 4.2 风机变频运行切换工频运行逻辑 当变频器发生故障产生变频器跳闸信号时，那么变频器故障信号启动并记录。 与此同时蜂鸣器启动，延时10S后引风机以工频运行。 因为在工频运行时不能对电动机进行过载保 护，所以设置了热继电器FR，用它提供工频运行时的过载保护。当启动前检测完成且处于工频运行模式时，风机断电或热继电器启动都将风机工频运行停止。4.3 风机控制系统保护系统 该控制系统考虑了连锁保护，一旦引风机停机，或者变频器出现故障，即发出故障信号，PLC立即实现连锁保护，锅炉系

48、统停炉，保证锅炉平安。如果接收到集控室发出的锅炉汽包液位低、炉膛负压超高或超低、炉膛熄火等信号即引起PLC连锁，PLC立即输出引风机停机信号到集控室DCS系统。另外该系统保存挡板的手动控制系统，以便在紧急情况下由工作人员到现场进行手动控制。 4.4 PID控制对于锅炉的鼓、引风机的控制我们采用工业过程控制中最常见的PID控制即可。下面介绍PID的控制算法。在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌

49、握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。PID算法的程序流程：1. 增量型PID算法的程序流程1、增量型PID算法的算式 式中，2、增量型PID算法的程序流程如下图4.4.12.位置型PID算法的程序流程1、位置型的递推形式 2、位置型PID算法的程序流程如下图4.4.2只需在

50、增量型PID算法的程序流程根底上增加一次加运算 u(n)+u(n-1)=u(n)和更新u(n-1)即可。 增量型PID算法的程序流程 位置型PID算法的程序流程 图 4.4.1 图 4.4.2 5 锅炉风机系统的调试5.1 FX2N-2DA模拟量输出模块偏执于增益的调整FX2N-2DA出厂时偏置值和增益值已经设置成：数字值为04000，电压输出为010V。当FX2N-2DA用作电流输出时，必须重新调整偏置值和增益值。偏置值和增益值的调节是对数字值设置时间的输出模拟值，可以通过FX2N-2DA的容量调节器，并使用电压和电流表来完成。增益值可设置为04000的任意数字值。为了得到12位的最大分辨率

51、，电压输出时，对于10V的模拟输出值，数字量调整到4000；电流输出时，对于20mA的模拟输出值，数字值调整到4000。偏置值也可以根据需要任意进行调整。一般情况下，电压输入时，偏置值设为0V；电流输入时，偏置值设为4mA。调整偏置与增益注意：1.对通道1和通道2分别进行偏置调整和增益调整； 2.反复交替调整偏置值和增益值。直至获得稳定的数值；3.当调整偏置、增益时，按照先增益调整后偏置调整的顺序进行。5.2 变频器的调试变频器PID拨位势选择器开关设置如下图 图5.2.1 PID拨位势选择器开关的设置5.3 变频器与PLC的连接锅炉风机变频系统是采用PLC实现过程控制，PLC的模拟量信号输出

52、接至变频器的外部信号给定。我们采用420mA的信号。由于变频器在运行过程中会打来较强的电磁干扰，为了保证PLC不因变频器主电路的断路器及开关器件等产生的噪声而出现故障，再将变频器和PLC配合使用时还必须注意以下几点：1对PLC本体按照规定的标准和接地条件进行接地。此时，应防止与变频器使用共同的接地线，并在接地时尽可能使两者分开。2当电源条件不太好时，应在PLC的电源模块以及输入/输出模块的电源线上接入噪声滤波器和降低噪声的变压器等。此外，如有必要在变频器一侧也应采取相应措施。3当变频器和PLC安装在同一操作柜中时应尽可能使与变频器和PLC有关的电线分开。4通过使用屏蔽线和双绞线到达提高抗噪声水

53、平的目的。5.4 PID控制器的参数整定PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：一是理论计算整定数。它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器的参数。二是工程整定方法。它主要是依据工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实践中广泛应用。PID控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、发应曲线法和衰减法。现在一般采用的是临界比例法。 例临界比例法利用该方法进行PID控制器参数的整定步骤如下：1首先预选择一个足够短的采样周期让系统

54、工作；2仅参加比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，记下这时的比例放大系数和临界振荡周期；3在一定的控制度下通过公式计算得到PID控制器的参数。表 临界比例法参数整定计算调节规律PPI2.2PID1.670.5温度T: =2060%, =180600s, =3180s 压力P: =3070%, =24180s, 液位L: =2080%, =60300s, 流量L: =40100%,=660s。 经验法这种方法实质上是一种试凑法，它是在生产实践中总结出来的行之有效的方法，并在现场中得到了广泛的应用。经验法简单可靠，但需要有一定现场运行经验，整定时易带有主观片面性。当采用PID调节器

55、时，有多个整定参数，反复试凑的次数增多，不易得到最正确整定参数。 下面介绍PID调节器的经验验法的整定步骤： 1. 让调节器参数积分系数S0=0，实际微分系数k=0，控制系统投入闭环运行，由小到大改变比例系数S1，让扰动信号作阶跃变化，观察控制过程，直到获得满意的控制过程为止。2. 取比例系数S1为当前的值乘以0.83，由小到大增加积分系数S0，同样让扰动信号作阶跃变化，直至求得满意的控制过程。 3. 积分系数S0保持不变，改变比例系数S1，观察控制过程有无改善，如有改善那么继续调整，直到满意为止。否那么，将原比例系数S1增大一些，再调整积分系数S0，力求改善控制过程。如此反复试凑，直到找到满

56、意的比例系数S1和积分系数S0为止。4. 引入适当的实际微分系数k和实际微分时间TD，此时可适当增大比例系数S1和积分系数S0。和前述步骤相同，微分时间的整定也需反复调整，直到控制过程满意为止。 注意：仿真系统所采用的PID调节器与传统的工业PID调节器有所不同，各个参数之间相互隔离，互不影响，因而用其观察调节规律十分方便。PID参数是根据控制对象的惯量来确定的。大惯量，如大烘房的温度控制，一般P可10以上，I=3-10，D=1左右。小惯量,如一个小电机带一水泵进行压力闭环控制，一般只用PI控制。P=1-10，I=0.1-1，D=0，这些要在现场调试时进行修正的。 路膛负压系统的PID参数整定

57、路膛负压设定为-25Pa，调节其比例增益为10，调节器积分系数为0.06，调节器微分系数为6；最总的负压控制范围在-6-36Pa之间。总结时光荏苒，日月如梭。为期八周的毕业设计已经结束了。犹记得2021年4月，我开始了我的毕业论文工作，时至今日，论文根本完成。历经了两个月的奋战，紧张而又充实的毕业设计终于落下了帷幕。从最初的茫然，到慢慢的进入状态，再到对思路逐渐的清晰，整个写作过程难以用语言来表达。回想这段日子的经历和感受，我感慨万千，在这次毕业设计的过程中，我拥有了无数难忘的回忆和收获。论文的写作是一个长期的过程，也是锻炼你各个方面知识应用的过程。它涵盖的知识面非常的广，需要不断地去翻阅书籍

58、，查阅资料，然后分析它、研究它，找到有用的知识，然后认真总结。这次我的毕业设计题目是基于三菱通用变频器三菱PLC的风机节能改造。刚领到题目时，茫然不知从何处下手，经过不断地查阅资料，老师讲解，慢慢的有些思路。知道这次设计主要采用PLC与变频器组合构成自动控制系统实施对锅炉引风机和鼓风机的控制。PLC控制变频器实现引风机的无级调速，以此来保持炉膛内的恒定负压。这种控制方式与变频器的多级调速相比，具有硬件接线简单和投资较低的优点。而可编程控制器的作用就只负责控制变频器的运行及停止和对变频器输出信号的处理。当变频器发生故障时，PLC应该能及时将变频 器运行方式切换到工频电源运行方式，以保证锅炉的不间

59、断运行等。知道了它的原理，其他的一些东西也就慢慢的迎刃而解。这次论文写作圆满结束，我感到非常的快乐。虽然刚开始有些感到困难，但经过不断努力积累和同学们之间的讨论，老师的讲解，也很好的完成了它。并且当我看到自己的努力有收获的时候，也会情不自禁的感到自豪和冲动。毕业论文是我们每个大学生必须经历的一段过程，也是我们毕业前的一段珍贵的回忆。通过这次的毕业设计，不仅让我在外表的根底知识有了提高，在思想上也有了更高的领悟。知道任何事情都需要我们脚踏实地的去做，一步一个脚印的完成，认真严谨，有了好的态度才能做好一件事情。这次的毕业设计也是一次意志的磨练，是对我实际能力的一次提升，相信对我未来的学习和工作会有

60、很大的帮助。 致谢三年的读书生活在这个季节即将划上一个句号，而于我的人生却只是一个逗号，我将面临又一次征程的开始。三年的求学生涯在师长、亲友的大力支持下，走得辛苦却也收获满囊。在论文即将付梓之际，思绪万千，心情久久不能平静。 伟人、名人为我所崇拜，可是我更急迫地要把我的敬意和赞美献给一位平凡的人，我的老师。我不是最出色的学生，而你却是我最尊敬的老师，是你的细心指导和关心，使我能够顺利的完成毕业论文。在此期间使我不仅领会了根本的思考方式，接受了全新的思想观念，并且树立了宏伟的学术目标，。从论文题目的选定到论文写作的指导,经由你悉心的点拨,再经思考后的领悟,常常让我有“山重水复疑无路,柳暗花明又一