基于PLC的风机控制系统设计Word文档格式.docx

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Cｏalｍine　ventilatoｒ;

PLC;

Onｌiｎemonitｏriｎg

目　录

引　言ﻩ1

1、1课题的研究意义ﻩ2

1、2ＰLC及风机控制系统的发展状况2

第二章总体方案设计ﻩ5

2。

1控制系统的要求5

2系统构成及工作原理5

2、3变频调速节能分ﻩ5

4变频调速的依据ﻩ6

2、5　离心风机控制原理分析6

３。

1温度传感器的选择10

2PLC的选择ﻩ１0

3。

2PLＣ控制系统设计流程ﻩ10

3、３变频器的选择ﻩ11

第4章　系统软件设计1５

4、1PＬC程序设计ﻩ15

4。

1、１　离心风机转换过程分析ﻩ18

4、1。

2系统工作状态ﻩ1８

4、1、3状态转换过程的实现方法ﻩ19

4、２程序设计的梯形图ﻩ1９

第5章系统可靠性设计及调试ﻩ2３

5、1系统的可靠性设计ﻩ２3

5、21软件系统的调试23

５。

22　硬件系统的调试ﻩ23

结论与展望２5

致谢ﻩ26

参考文献ﻩ27

附录Ａ一篇引用的外文文献及其译文28

附录B部分源程序33

附录C:

主要参考文献的题录及摘要36

插图清单

图2-1　自动控制系统组成框图ﻩ5

图2－2变频调速在风机中的节能分析6

图2-3变频器主电路原理图ﻩ7

图2-4离心风机主电路图８

图2-5　离心风机控制线路图9

图3—１KA—KM接线图10

图3－2PLＣ控制系统设计流程图12

图3-3PLC接线图１3

图4—2变频器接线图17

图4-３　系统总控制流程图ﻩ21

图4—4启动／停止程序21

图4－5　比较程序22

图4—６模拟量输出程序ﻩ22

表格清单

表3—1I／Ｏ分配表ﻩ１４

表4—1　主电路端子及功能表ﻩ16

表4—2　控制电路端子及功能表1７

表4－3系统工作状态表ﻩ１8

引　言

在工业生产中的锅炉燃烧系统、烘干系统、冷却系统、通风系统等场合,风机设备被大量应用,但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,加之采纳PＬＣ和变频器易操作、免维护、控制精度高,并能够实现高功能化等特点,采纳基于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

观的经济效益和社会效益。

　风机的控制系统是风机的重要组成部分,它承担着风机监控、自动调节、实现最大风能捕获以及保证良好的电网兼容性等重要任务,它主要由监控系统、主控系统、变桨控制系统以及变频系统（变频器）几部分组成。

部分的主要功能如下:

监控系统（SCADＡ）:

监控系统实现对全风场风机状况的监视与启、停操它包括大型监控软件及完善的通讯网络。

主控系统:

主控系统是风机控制系统的主体,它实现自动启动、自动调向、自动调速、自动并网、自动解列、故障自动停机、自动电缆解绕及自动记录与监控等重要控制、保护功能。

它对外的三个主要接口系统就是监控系统、变桨控制系统以及变频系统（变频器）,它与监控系统接口完成风机实时数据及统计数据的交换,与变桨控制系统接口完成对叶片的控制,实现最大风能捕获以及恒速运行,与变频系统（变频器）接口实现

有功率以及无功功率的自动调节。

变桨控制系统:

与主控系统配合,通过对叶片节距角的控制,实现最大风能捕获以及恒速运行,提高了风力发电机组的运行灵活性。

目前来看,变桨控制系统的叶片驱动有液压和电气两种方式,电气驱动方式中又有采纳交流电机和直流电机两种不同方案。

究竟采纳何种方式主要取决于制造厂家多年来形成的技术路线及传统、

变频系统（变频）器:

与主控制系统接口,和发电机、电网连接,直截了当承担着保证供电品质、提高功率因素,满足电网兼容性标准等重要作用。

第1章绪论

1、1课题的研究意义

　　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,依照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习惯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。

如此,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,需要采纳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,加之采纳ＰLＣ和变频器易操作、易维护、控制精度高,并能够实现高功能化等特点,采纳基于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

　随着电子技术和微电子技术的迅速发展,ＰLＣ和变频器正成为通用、廉价和性能可靠的控制和驱动设备,得到广泛的应用。

由ＰLC控制的变频调速离心风机的通风系统,具有较高的可靠性和较好的节能效果,易于组建成整体的自控系统,特别方便地实现各种控制切换和远程监控,本文通过一个实例——基于离心风机的矿井通风系统进行分析。

煤矿矿井通风系统是煤矿矿井安全生产的重要组成部分,煤矿矿井通风系统能否正常工作与矿井内工作环境条件、生产效率、安全生产紧密相关。

随着我国政府对各行各业安全生产监管力度的不断加强,尤其对煤矿安全生产的要求越来越高,对煤矿矿井通风系统进行技术改造,提高其运行稳定性、可靠性、节能降耗等势在必行。

目前煤矿矿井通风系统中,大多仍采纳继电、接触器控制系统,但这种控制系统存在着体积大、机械触点多、接线复杂、可靠性低、排除故障困难等特别多的缺陷,且因工作通风机一直高速运行,备用通风停止,不能轮休工作,易使工作通风机产生故障,降低使用寿命。

针对这一系列问题本系统将PLＣ与变频器有机地结合起来,采纳以矿井气压压力为主控参数,实现对电动机工作过程和运转速度的有效控制使矿井中用的离心通风机通风高效、安全,达到了明显的节能效果。

ＰLC控制系统具有对驱动风机的电机过热保护、故障报警、机械故障报警和瓦斯浓度断电等功能特点,为煤矿矿井通风系统的节能技术改造提供一条新途经、

1、2　PLＣ及风机控制系统的发展状况

　经过几十年的迅速发展,ＰLC的功能越来越强大,应用范围也越来越广泛,其足迹已遍及国民经济的各个领域,形成了能够满足各种将需要的PLC

应用系统。

随着市场需求的不断提高PLC的发展体现出以下趋势、1、向小型化、微型化和大型化、多功能两个方向发展

2、过程控制功能不断增强

大力开发智能型I/O模块

与个人计算机日益紧密结合

５、编程语言趋向标准化

6、通信与联网能力不断增强

近年来随着科技的飞速发展,ＰLC的应用正在不断地走向深入,同时带动传统的控制检测技术不断更新。

PLＣ是采纳大规模集成电路、微型计算机技术的发展成果逐步形成具有多种优点和微型、小型、中型、大型、超大型等各种规格的PLＣ系列产品应用于从继电器控制系统到监控计算机之间的许多控制领域,它最适用于以开关为主的控制功能。

通过模拟/数字,（A/D）转换器和数字／模拟（D/A）转换器也能够控制模拟量例如控制温度、压力、流量、成分等参数。

基于PＬC的多路抢答器控制系统能够依照ＰＬＣ修改程序方便这一特点随意调整设置的时间或者控制系统的工作状态、假如对外部电路稍加修改或者在系统程序中加入分支能够把八路抢答器变为更多路的抢答器。

比如十位、十六位或者二十位等、假如将手动按钮变为触摸屏能够使抢答器更为简单方便。

假如去除系统中的限时功能还能够把抢答器改为呼叫器能够在医院病房、宾馆客房、写字楼办公室、工厂生产车间等多种地方使用、

风机控制系统的研究现状:

风机的控制系统是风机的重要组成部分,它承担着风机监控、自动调节、实现最大风能捕获以及保证良好的电网兼容性等重要任务,它主要由监控系统、主控系统、变桨控制系统以及变频系（变频器）几部分组成。

各部分的主要功能如下:

监控系统（SＣＡＤＡ）:

监控系统实现对全风场风机状况的监视与启、操作它包括大型监控软件及完善的通讯网络。

主控系统是风机控制系统的主体,它实现自动启动、自动调向、自动调速、自动并网、自动解列、故障自动停机、自动电缆解绕及自动记录与监控等重要控制、保护功能、它对外的三个主要接口系统就是监控系统、变桨控制系统以及变频系统（变频器）,它与监控系统接口完成风机实时数据及统计数据的交换,与变桨控制系统接口完成对叶片的控制,实现最大风能捕获以及恒速运行,与变频系统（变频器）接口实现对有功功率以及无功功率的自动调节。

目前来看,变桨控制系统的叶片驱动有液压和电气两种方式,电气驱动方式中又有采用交流电机和直流电机两种不同方案、究竟采纳何种方式主要取决于制造厂家多年来形成的技术路线及传统、

风机控制系统的发展趋势:

随着国内企业所开发风机容量越来越大,风机控制技术必须不断发展才能满足这一要求,如叶片的驱动和控制技术、如更大容量的变频器开发,都是必须不断解决的新的课题,这个地方不进行详细阐述、当前,由于风力发电机组在我国电网中所占比例越来越大,风力发电方式的电网兼容性较差的问题也逐渐暴露出来,同时用户对不同风场、不同型号风机之间的联网要求也越来越高,这也对风机控制系统提出了

新的任务。

（1）采纳统一和开放的协议以实现不同风场、不同厂家和型号的风机之间的方便互联、目前,风机投资用户和电网调度中心对广布于不同地域的风场之间的联网要求越来越迫切,尽管各个风机制造厂家都提供了一定的手段实现风机互连,然而由于采纳的方案不同,不同厂家的风机进行互联时依然会有特别多问题存在,实施起来难度较大。

因此,现实不同风机之间的方便互联是一个亟待解决的重要课题。

（２）需要进一步提高低电压穿越运行能力（LVRT）。

风力发电机组,尤其是双馈型风机,抵抗电网电压跌落的能力本身较差、当发生电网电压跌落时,从前的做法是让风机从电网切出、当风机在电网中所占比例较小时,这种做法对电网的影响还能够忽略不计。

然而,随着在网运行风机的数量越来越大,尤其是在风力发电集中的地区,如国家规划建设的六个千万千瓦风电基地,这种做法会对电网造成严重影响,甚至估计进一步扩大事故。

欧洲特别多国家,如德国、西班牙、丹麦等国家,早就出台了相关标准,要求在这种情况下风机能保持在网运行以支撑电网。

风机具有的这种能力称为低电压穿越运行能力（LVRT）,有的国家甚至要求当电网电压跌落至零时还能保持在网运行。

我国也于今年８月由国家电网公司出台了《风电场接入电网技术规定》,其中规定了我国自己的低电压穿越技术要求,明确要求风电机组在并网点电压跌落至20%额定电压时能够保持并网运行６25ms、当跌落发生3s内能够恢复到额定电压的９０％时,风电机组保持并网运行的低电压穿越运行要求。

应该说,这还只是一个初步的、相对较低的运行要求。

在今后估计还会出台更为严格的上网限制措施。

这些要求的实现,主要靠控制系统中变频器算法及结构的改善,当然和主控和变桨系统也有紧密联系。

（3）实现在功率预估条件下的风电场有功及无功功率自动控制。

目前,风电机组都是运行在不调节的方式,也就是说,有多少风、发多少电,这在风电所占比例较小的情况下也没有多大问题。

然而,随着风电上网电量的大幅度增加,在用电低谷段往往是风机出力最大的时段,造成电网调峰异常困难,电网频率、电压均易出现较大波动、当前,电网对这一问题已相当重视,要求开展、

第二章总体方案设计

2、1　控制系统的要求

（1）高可靠性,以习惯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,能够

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。

如此,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,本系统采纳闭环控制的方式。

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系统组成简图如图2-1所示。

图2—１　自动控制系统组成框图

2、3变频调速节能分

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（H-Q）关系及功率-风量（Ｐ—Q）关系。

其中,曲线1是风机在额定转速下的H-Q曲线,曲线2是风机在某一较低速度下的H—Q曲线,曲线３是风门开度最大时的H－Ｑ曲线,曲线4是风机在某一较小开度下的H－Q曲线。

能够看出,当实际工况风量由Q1下降到Q2时,假如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;

假如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P－Q曲线,曲线6为风门调节方式下的P-Q曲线。

能够看出,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　（2-l）表示:

　　　　　　（2-１）　

（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,采纳转速进行调节风量,比起用挡板调节风量节约能源,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,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,若采纳调速方式运行,则能够大量节约电能,并能在1至２年内收回投资成本。

图2-2变频调速在风机中的节能分析

4变频调速的依据

变频调速技术的基本原理是依照电机转速与工作电源输入频率成正

比的关系,如公式（２—2）所示:

　　　（２—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、变频系统的主电路原理图如图2-3所示。

图2-3变频器主电路原理图

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＃）依照工作状态的不同,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。

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2—4所示。

　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输出端口并不是直截了当和交流接触器连接,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,这关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PL

C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2-５所示。

图2-5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SB1—ＳB12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,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KA1—ＫA6控制接触器KM　１-KM6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。

图2-４　离心风机主电路图

图２—5离心风机控制线路图

第3章系统硬件设计

３、1温度传感器选择

　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

从而使车间内温度达到设定的温度值。

中间继电器KＡ１—ＫA６控制接触器KM１-KM6的接线图如图3-1所示。

图3－1KA－KM接线图

　依照本系统的具体情况,经认真比较最后选定热电偶传感器