plc结合变频器在风机节能上的应用学位论文.docx
《plc结合变频器在风机节能上的应用学位论文.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《plc结合变频器在风机节能上的应用学位论文.docx（29页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
plc结合变频器在风机节能上的应用学位论文
本科毕业设计论文
论文题目：
PLC结合变频器在风机节能上的应用
作者姓名徐沛东
指导教师吴根忠
所在院系成教学院
专业班级 电气工程及自动化
提交日期 2016.3.18
PLC结合变频器在风机节能上的应用
摘要
随着我国经济的高速发展，微电子技术，计算机技术，和自动化控制技术也得到了迅速发展，交流变频调速技术已经进入了一个崭新的时代，其应用越来越广。
而风机作为厂矿企业必不可少的设备，与企业的生产效率紧密相关，随着能源的日益缺乏，企业中的设备节能问题就显得尤为重要。
本文将设计一个风机节能的实例，文章中将以一个电锯车间使用11千瓦的吸尘风机来清理锯屑，以此风机的节能来展开讲述，车间中共有五台电锯，当电锯的开启数量不同时所要求的风量是不同的，即所要求风机的转速是不同的。
在不使用变频器控制时，风机只能以最大转速运行，这样就造成了电能的严重浪费。
本文中使用PLC来对电锯开启数目进行检测，从而结合变频器来控制风机的转速。
从而达到节能的效果。
关键词：
变频器,风机,节能,PLC
目录
摘要I
目录II
第1章绪论1
1.1节能的意义1
1.2PLC结合变频器控制风机的意义2
第2章整体方案的说明3
2.1控制要求3
2.2控制方案3
第3章系统硬件设计4
3.1硬件选型4
3.1.1主要硬件的选型4
2、变频器的选型：
4
3.1.2出于安全考虑的其他硬件选择5
3.2主电路图及其说明7
3.2.1主电路图7
3.2.2电路各部分说明7
图3－4PLC变频器接线图9
3.3各主要硬件的日常维护9
第4章软件系统设计12
4.1程序流程图12
4.2PLC端子定义12
如下表12
4.3编程12
第5章系统仿真14
5.1仿真程序的编译14
5.2系统仿真15
第6章结论19
6.1实测能耗19
6.2节能效果计算19
致谢20
参考文献21
附录22
附录1：
ＰＬＣ程序变量说明22
附录2：
ＰＬＣ程序梯形图24
第1章绪论
1.1节能的意义
尽管我国2007年发电机装机容量已达到7.1329亿kw，发电量32086.86亿kwh，但由于我国国民经济连续20多年的高速发展，供电状况仍然非常紧张，不少地区仍要拉闸限电。
32086.86亿kwh发电量中，水电只占4343.25kwh（13.54%），核电621.3kwh（1.94%），而占27012.56亿kwh （84.19%）仍然是热电。
燃烧的煤向大气中排放CO2 SO2 NOX，造成温室效应和酸雨，影响我们生存的环境。
况且我国是化石能源贮量较少的国家，煤的藏量占世界第3位，石油和天然气只占世界第10位。
如用13亿人口来计算，只是世界人均1/20。
见表1、表2。
因而节约能源是大势所趋、是基本国策。
椐统计，全国发电量的60%通过电机转换能量，。
在“十一五”规划中，把电机系统节能放到重要位置。
电机系统节能主要二个方面，一是节能电机，如永磁同步电机，二是电机调速节电。
变频调速体积小、重量轻、转矩大、精度高、功能强、可靠性高、操作简单，便于通信等功能优于以往任何调速方式，使用它除优质、增产、降耗外，还大量节电。
变频器可以从四个方面节电。
第一，软启动，一般交流电机的启动电流为电机额定电流的6-7倍，变频调速后启动电流不超过电机的额定电流。
第二，节省设计冗余，一般设计都按照使用时的极端条件，因而都留有设计冗余，有的余量很大，形成大马拉小车，变频调速可以把冗余节省下来。
第三是调速节电，按流体力学原理，轴功率正比速度的立方，转速下降，轴功率变小，这是变频调速的主要节电原理。
第四是系统功率因数高，一般在0.95以上，节省无功，减轻了变压器的负担。
近几年来我国国民经济持续高速发展,但能源不足成了影响其发展的瓶颈。
在新闻媒体上不止一次看到这样的信息：
“我国单位产出能源消耗大大高于发达国家和世界平均水平。
据计算，2003年，我国单位国内生产总值的能源消耗比世界平均水平高2.2倍，比美国高2.3倍，比欧盟高4.5倍，比日本高8倍，比印度还高0.3。
”数字是枯燥的，但反映出的现实是惊人的。
这组数据说明了一个问题，中国能源利用率太低，低到了制约国民经济发展的严重地步。
作为一个制造行业的技术人员，国家能耗过高，电力资源不足，大力上马电站又带来一系列环境问题，直接威胁到我们的生存质量。
因此我们绝不能置身事外，我们要尽可能的为节约能源做点贡献。
本文将以实例来讲述用变频器多段速功能结合ＰＬＣ实现风机节能调速。
1.2PLC结合变频器控制风机的意义
本文将以有五台设备共用一台主电机为11KW的吸尘风机为例。
风机用来吸取电锯工作时产生的锯屑。
不同设备对风量的需求区别不是很大，但设备运转时电锯并非一直工作，而是根据不同的工序投入运行。
（1）电能的严重浪费
不同设备一般对风量的需求有所区别，并且并非五台设备同时工作，而是根据不同的工序投入运行。
而一般情况下风机都已最大功率运行，因此造成能源浪费，增加了生产成本。
（2）启动困难，机械损伤严重
风机采用直接启动，启动时间长，启动电流大，对电动机的绝缘有着较大的威胁，严重时甚至烧毁电动机。
而高压电动机在启动过程中所产生的单轴转矩现象使风机产生较大的机械振动应力，严重影响到电动机、风机及其它机械的使用寿命。
（3）自动化程度低
风机依靠人工调节档板，更不具备风量的自动实时调节功能，自动化程度低。
在故障状态下，如风流短路，将对正常生产造成严重影响。
为了设备的安全生产和降低生产成本，提升整体的自动化水平，对风机进行变频调速改造具有非常重要的意义。
以上问题能够解决上述问题，下面章节将进行说明。
第2章整体方案的说明
2.1控制要求
本文将以有五台设备共用一台主电机为11KW的吸尘风机为例。
由于五台电锯并非同时工作，所以不同情况下要求的风量是不同的，当一台电锯运行和五台电锯同时工作时所需的风量相差很大，而在没有变频器的情况下，风机只能以最大转速运转。
所以在对风量需求不大的情况下是对能源的一种浪费，本文设计出方案，方案要求，用PLC对电锯运行的台数进行计算，在电锯开启台数不同的情况下对变频器的输出频率进行控制，从而控制了风机的转速，对风量的大小进行调整。
2.2控制方案
用ＰＬＣ接收各机台电锯工作的信息并对投入工作的电锯台数进行判断，根据判断，相应的输出点动作来控制变频器的多段速端子，实现多段速控制。
从而不用人为的干预，自动根据投入电锯的台数进行风量控制。
根据投入运行的电锯台数实施五个速段的速度控制。
速度设定方案如表一：
表一 运行电锯台数和需求频率对应表
运行电锯台数（台）
对应变频器输出频率（Hz）
备注
1
25
具体设定频率根据现场效果修改
2
33
3
40
4
45
5
50
第3章系统硬件设计
3.1硬件选型
3.1.1主要硬件的选型
1、PLC的选型
根据设计要求，设备中的PLC要求7输入/4输出，因此本文将选用HOLLIAS-LECG3系列LM3105进行讨论与说明。
（1）HOLLIAS-LECG3系列PLC的特点：
1）小巧紧凑的结构；2）简便可靠的安装；3）丰富的模块种类；
4）灵活的系统配置；5）强大的模拟量处理；6）丰富的指令集；
7）高性能的运动控制；8）优秀的控制功能；9）独特的掉电保护；
10）实用的离线仿真；11）标准的编程语言；12）通用的人机界面。
（2）HOLLIAS-LECG3系列PLC的技术规格如下表所示：
表3－1HOLLIAS-LECG3系列PLC的技术规格
I/O数目
8路输入/6路输出
可连接扩展模块
2个
电源电压
220VAC@50Hz
输出电压
24VDC
输入电压
24VDC
通讯接口
1个RS-232（非隔离）
输出类型
继电器
2、变频器的选型：
由于本设计中所用的风机为三相380V11KW，所以本文将选用HLP-A系列HLPA001143B变频器进行讨论与说明。
（1）此变频器的特点：
1）以大规模电机控制IC＋IGBT为核心，具有多种保护功能，整机可靠性高；2）对进线电压适应性强，波动可达±20%,特别适用于电网质量较差的国家与地区；
3）软件功能强大，内置有多种控制方式，广泛适应各种工业场合的控制需求；
4）内置PID调节器，可方便地构成闭环控制系统；
5）内置简易PLC，具有牵升、扰动、多段速控制、程序运行等多种功能；
6）高输出扭矩，1HZ时可达150%；频率解析度高达0.01HZ;
7）过载能力强，150%（1分钟），200%（2ms）；
8）具有良好的通讯制界面，极易组成集中控制系统；
（2）此变频器的规格如下：
表二变频器的规格
型号
HLPA001143B
控制方式
SPWM
输入电压
3相380V50HZ
功率（KW）
11
驱动器容量（KVA）
19
输出电流（A）
24
适用电机（KW）
11
输出解析度
0.01Hz
范围
0.10~400.00Hz
3.1.2出于安全考虑的其他硬件选择
主电路中估算电流为20A，电压380V。
功率11KW。
由于对线路安全性的考虑，以下说明主电路各个部件的选择和规格。
1、断路器的选择：
图3－1C65断路器选型表
结合上表，我们选择的断路器型号为：
C65ND25/3PVE
2、熔断器的选择：
（1）熔断器类型的选择
熔断器类型应根据负载的保护特性和短路电流大小来选择。
对于保护照明和电动机的熔断器，一般只考虑它们的过载保护，这时，熔体的熔化系数适当小些。
对于大容量的照明线路和电动机，除过载保护外，还应考虑短路时分断短路电流的能力来选择。
当短路电流较大时，还应采用具有高分断能力的熔断器甚至选用具有限流作用的熔断器。
此外，还应根据熔断器所接电路的电压来决定熔断器的额定电压。
（2）熔体与熔断器额定电流的确定
熔体额定电流大小与负载大小、负载性质有关。
对于负载平稳、无冲击电流，如一般照明电路、电热电路可按负载电流大小来确定熔体的额定电流。
对于有冲击电流的电动机负载，为达到短路保护目的，又保证电动机正常起动，对笼型感应电动机其熔断器熔体的额定电流为：
单台电动机
INP=（1.5~2.5）INM（1-6）
由于估算电流为20A。
系数取2.0，则INP=2.0*20A=40A
基于上述考虑我们选择德力西RL1系列螺旋式熔断器，型号：
RL1-40。
3、热过载继电器的选择：
对于热过载继电器的选择，要求电压与电流相匹配。
所以我们选择德力西JR36系列热过载继电器型号为JR36-20。
4、导线的选择：
导线的选择原则如下表：
表三导线的选择原则
电流范围（安）
导线标准截面积（平方米）
0<1e<8
1.8
8<1e<12
1.5
12<1e<20
2.5
20<1e<25
4.0
25<1e<32
6.0
结合上表，我们的估算电流为20A，所以选择截面积为4.0平方毫米的导线为主线路导线。
3.2主电路图及其说明
3.2.1主电路图
图3－2风机主接线图
3.2.2电路各部分说明
1、PLC的作用：
本文中的PLC主要用于电锯开关信号的采集、计算以及控制变频器的输出频率。
电锯投入运行信号的采集：
用电锯工作时的控制接触器的一对常开辅助触点控制一个中间继电器，中间继电器要选用最少有两对常开触点的。
用其中的一对接入ＰＬＣ的一个输入点，另一对控制一个气阀，气阀再带动气缸，用气缸启闭设备上的风口。
这样就实现了ＰＬＣ对投入电锯信号的接收，也实现了风口的自动启闭，简单实用。
如图3-3所示：
图3-3
图中，KA1-----KA5分别是连接五台电锯的时间继电器的常开开关。
当所对应的电锯运行时，开关闭合，即完成了PLC的信号采集。
2、变频器的作用：
根据多段速控制的需要和风机运行的特点主要设定的参数如表二。
表四 变频器参数设定表
功能代码编号
设定值
意义
备注
01
1
变频器操作方法
20
25
第一段速度
具体设定频率
根据现场效果
修改
22
33
第二段速度
22
40
第三段速度
23
45
第四段速度
24
50
第五段速度
32
0000
X1至X5端子功能定义
75
1
节能运行
3、PLC结合变频器的具体实施：
（1）多段速控制时端子的组合这个系列的变频器进行多段速控制的端子为x1,x2和x3。
通过这三个端子的组合最多可以实现七段速度运行。
进行五段速度控制时的端子组合如表３。
表五 多段速端子与速度段组合表
（2）PLC输出端与变频器控制端子接线图如图：
图3－4PLC变频器接线图
3.3各主要硬件的日常维护
1、PLC的日常维护：
（1）锂电池寿命约5年，需更换。
（2）输出接点电流较大或ON/OFF频繁者要注意接点寿命，检查更换。
（3）PLC使用于振动机械上时要注意端子的松动现象。
（4）注意Plc的外围温度（O-55方）湿度（35-85%RH不结露）及粉尘。
（5）锂电池电压太低，面板上BATT.low灯会亮，虽然程序尚可保持一月以上。
（6）更换电池方法步骤：
切电源、取下上盖板、拔下旧电池、30秒内插上新电池、固定新电池并盖好上盖板。
2、变频器的日常维护：
（1）良好的接地。
电机等强电控制系统的接地线必须通过接地汇流排可靠接地，微机控制板的屏蔽地，应单独接地。
对于某些干扰严重的场合，建议将传感器、I/O接口屏蔽层与控制板的控制地相连。
（2）给微机控制板输入电源加装EMI滤波器、共模电感、高频磁环等，可以有效抑制传导干扰。
另外，在辐射干扰严重的场合，如周围存在GSM、或者小灵通基站时，可以对微机控制板添加金属网状屏蔽罩进行屏蔽处理。
（3）给变频器输入端加装电磁干扰（EMI）滤波器，可以有效抑制变频器对电网的传导干扰，加装输入交流和直流电抗器，可以提高功率因数，减小谐波污染，综合效果好。
在某些电机与变频器之间距离超过100米的场合，需要在变频器侧添加交流输出电抗器，解决因为输出导线对地分布参数造成的漏电流保护和减少对外部的辐射干扰。
一个行之有效的方法就是采用钢管穿线或者屏蔽电缆的方法，并将钢管外壳或者电缆屏蔽层与大地可靠连接。
值得注意的是，在不添加交流输出电抗器时，如果采用钢管穿线或者屏蔽电缆的方法，增大了输出对地的分布电容，容易出现过流。
当然，在实际应用中一般采取其中的一种或者几种方法。
（4）对模拟传感器检测输入和模拟控制信号进行电气屏蔽和隔离。
在变频器组成的控制系统设计过程中，建议尽量不要采用模拟控制，特别是控制距离大于1米、跨控制柜安装的情况下。
因为变频器一般都有多段速设定、开关频率量输入输出，可以满足要求。
如果非要用模拟量控制时，建议一定采用屏蔽电缆，并在传感器侧或者变频器侧实现远端一点接地。
如果干扰仍旧严重，需要实现DC/DC隔离措施，可以采用标准的DC/DC模块，或者采用对v/f转换光隔离，再采用频率设定输入的方法。
3、风机的日常维护：
定期的维护保养可以让设备保持最佳期的状态，并延长风机的使用寿命。
定期检修维护工作的主要内容有：
风机联接件之间的螺栓力矩检查（包括电气连接），各传动部件之间的润滑和各项功能测试。
风机在正常运行中时，各联接部件的螺栓长期运行在各种振动的合力当中，极易使其松动，为了不使其在松动后导致局部螺栓受力不均被剪切，我们必须定期对其进行螺栓力矩的检查。
在环境温度低于-5℃时，应使其力矩下降到额定力矩的80%进行紧固，并在温度高于-5℃后进行复查。
我们一般对螺栓的紧固检查都安排在无风或风小的夏季，以避开风机的高出力季节。
风机的润滑系统主要有稀油润滑（或称矿物油润滑）和干油润滑（或称润滑脂润滑）两种方式。
风机的齿轮箱和偏航减速齿轮箱采用的是稀油润滑方式，其维护方法是补加和采样化验，若化验结果表明该润滑油已无法再使用，则进行更换。
干油润滑部件有发电机轴承，偏航轴承，偏航齿等。
这些部件由于运行温度较高，极易变质，导致轴承磨损，定期维护时，必须每次都对其进行补加。
另外，发电机轴承的补加剂量一定要按要求数量加入，不可过多，防止太多后挤入电机绕组，使电机烧坏。
定期维护的功能测试主要有过速测试，紧急停机测试，液压系统各元件定值测试，振动开关测试，扭缆开关测试。
还可以对控制器的极限定值进行一些常规测试。
定期维护除以上三大项以外，还要检查液压油位，各传感器有无损坏，传感器的电源是否可靠工作，闸片及闸盘的磨损情况等方面。
第4章软件系统设计
4.1程序流程图
4.2PLC端子定义
如下表
输入
输出
%IX0.0
设备一电锯工作信号
%QX0.1
变频器端子x1
%IX0.1
设备二电锯工作信号
%QX0.2
变频器端子x2
%IX0.2
设备三电锯工作信号
%QX0.3
变频器端子x3
%IX0.3
设备四电锯工作信号
%QX0.0
变频器正转信号
%IX0.4
设备五电锯工作信号
%IX0.6
启动按钮
%IX0.7
停止按钮
4.34.3编程
1、编程软件PowerPro的设置
第一步：
新建工程的目标配置
第二步:
创建POU，即编程语言的选择
选择LD梯形图语言。
第三步：
程序的编写
ＰＬＣ的程序变量说明见附录1，程序梯形图见附录2。
第5章系统仿真
5.1仿真程序的编译
5.2系统仿真
1、正确配置PLC
2、仿真模式下的运行
步骤：
在线----仿真模式-----登陆------运行
以下是两台电锯同时运行下的状态:
第6章结论
6.1实测能耗
当变频器在50Hz和40Hz运行时在变频器输出侧实测数据：
40Hz时电流为12.2A,电压250V;50Hz时电流为15.8A,电压为370V。
则
P1＝1.732*250*12.2=5.28kw
P2=1.732*370*15.8A=10.13kw
P1/P2=52.1%
由于此系统中电机总功率比较小，因此变频器的能耗占的比重较大，尽管实测值与理论值有一定的差距，但改造后每个小时能耗仍可节约4.85个千瓦。
6.2节能效果计算
改造前每年消耗的电能（按每天工作２２小时，每年工作２５０天计）
W1=10.13*22*250=55715Kwh
改造后每年消耗的电能
W2=5.28*22*250Kwh=29040Kwh
则每年节约电能为W=W1－W2=26675Kwh
如果以每度电0.5元计，则每年节约电费13337.5元。
可见节能效果和经济效益当可观。
在本设计中，PLC对开启电锯数目进行了数据的采集和计算，从而改变变频器的输出频率，变频器控制风机运转，在不同风量的需求下使风机按照要求进行运转，达到了节能减排的目的。
风机的变频节能效果非常可观，并且在节能的同时减轻了设备的机械负荷，延长了设备的使用寿命，提高了设备的自动化程度。
也符合国家提倡的建设节能型社会的需求。
因此这个实例很值得在多风口集中吸尘应用情况下推广使用。
致谢
本论文的顺利完成离不开各位老师，同学的关心和帮助。
在此，我要首先感谢毛梅娟老师四年来对我的培养，她严谨的治学态度，精益求精的工作作风，诲人不倦的高尚师德，严以律己、宽以待人的崇高风范，平易近人的人格魅力对我影响深远，受用一生。
本文的撰写过程中得到了指导老师王华老师对研究课题的支持和对文章孜孜不倦的批阅、指导，在与的讨论中得到许多启发，受益良多，在此特别感谢！
本文的撰写过程中参考了大量相关的书籍、网站，在此向为我提供参考文献的同学、朋友、网站等瑾表感谢。
还要感谢一直以来默默支持我的父母、家人、兄弟和朋友！
参考文献
[1]陈长亮.基于PLC与FPC变频调速系统的研究[D].武汉理工大学2009.
[2]方桂笋.变频器应用教程[D]兰州理工大学.2008.5（2-4.20）
[3]孙政顺，曹京生.《PLC技术》[M]高等教育出版社，2005.6
[4]变频器常用实例[J/OL]
[5]HOLLIAS20LM系列PLC硬件手册[J/OL]
[6]狄健雄.自动化类专业毕业设计指南[M]东南大学出版社
[7]王涛，王爱国.PLC教程——原理•应用•设计•实验[J]技巧2004.9（42）
[8]廖常初.PLC编程及应用[M]北京机械工业出版社
[9]汪志锋.可编程序控制器原理与应用[M]西安电子科技大学出版社2004
附录
附录1：
ＰＬＣ程序变量说明
（1）变量说明：
PROGRAMPLC_PRG
VAR
q1:
BOOL;
q2:
BOOL;
j1:
BOOL;
t2:
TON;
et2:
TIME;
t3:
TON;
et3:
TIME;
q3:
BOOL;
t4:
TON;
et4:
TIME;
q4:
BOOL;
t5:
TON;
et5:
TIME;
q5:
BOOL;
ct1:
CTD;
cv1:
WORD;
m1:
BOOL;
ct2:
CTD;
cv2:
WORD;
m2:
BOOL;
ct3:
CTD;
cv3:
WORD;
ct4:
CTD;
cv4:
WORD;
m4:
BOOL;
m3:
BOOL;
ct5:
CTD;
cv5:
WORD;
m5:
BOOL;
y1:
BOOL;
y2:
BOOL;
y3:
BOOL;
y4:
BOOL;
y5:
BOOL;
q6:
BOOL;
ct6:
CTD;
cv6:
WORD;
ct7:
CTD;
cv7:
WORD;
ct8:
CTD;
cv8:
WORD;
ct9:
CTD;
cv9:
WORD;
ct10:
CTD;
cv10:
WORD;
END_VAR
附录2：
ＰＬＣ程序梯形图
升级会员 