基于PLC的鼓風(fēng)機變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計.doc

目錄1引言.12系統(tǒng)整體設(shè)計.22.1工業(yè)鍋爐燃燒過程的變頻調(diào)速系統(tǒng).22.1.1系統(tǒng)的工作原理.42.2鼓風(fēng)機調(diào)速的要求.42.2.1鼓風(fēng)機的負(fù)載特性.52.2.2鼓風(fēng)機調(diào)速方式.52.2.3鼓風(fēng)機變頻調(diào)速.63系統(tǒng)硬件設(shè)計.73.1變頻器的選型.73.1.1變頻調(diào)速的基本原理.73.1.2調(diào)速控制風(fēng)量的節(jié)能原理.93.1.3變頻調(diào)速控制的優(yōu)點.103.1.4變頻器選型原則.113.1.5變頻器的接線.123.2PLC的選型.153.3PLC和變頻器對系統(tǒng)的控制原理.153.4I/O口的分配.163.5外部接線.174系統(tǒng)軟件設(shè)計.174.1梯形圖程序.174.2程序說明.185變頻器的抗干擾.18.變頻器的抗干擾措施.196結(jié)束語.20致謝.20參考文獻(xiàn).2111引言當(dāng)前全球經(jīng)濟發(fā)展過程中，有兩條顯著的相互交織的主線：能源和環(huán)境。能源的緊張不僅制約了相當(dāng)多發(fā)展中國家的經(jīng)濟增長，也為許多發(fā)達(dá)國家?guī)砹讼喈?dāng)大的問題。能源集中的地方也往往成為全世界所關(guān)注的熱點地區(qū)。而能源的開發(fā)與利用又對環(huán)境的保護有著重大影響。全球變暖、酸雨等一系列環(huán)境災(zāi)難都與能源的開發(fā)與利用有關(guān)。能源工業(yè)作為國民經(jīng)濟的基礎(chǔ)，對于社會、經(jīng)濟的發(fā)展和人民生活水平的提高都極為重要。在高速增長的經(jīng)濟環(huán)境下，中國能源工業(yè)面臨經(jīng)濟增長與環(huán)境保護的雙重壓力。有資料表明，受資金、技術(shù)、能源價格的影響，中國能源利用效率比發(fā)達(dá)國家低很多。90年代中國高耗能產(chǎn)品的耗能量一般比發(fā)達(dá)國家高12%-55%左右，90%以上的能源在開采、加工轉(zhuǎn)換、儲運和終端利用過程中損失和浪費。如果進(jìn)行單位GNP能耗（噸標(biāo)準(zhǔn)煤/千美元）的國家比較（90年代中期），中國分別是瑞士、意大利、日本、法國、德國、英國、美國、加拿大的14.4倍、11.3倍、10.6倍、8.8倍、8.3倍、7.2倍、4.6倍、和4.2倍。1995年，中國火電廠煤耗為412克標(biāo)準(zhǔn)煤/kWh，是國際先進(jìn)水平的1.27倍。由此可見，對能源的有效利用在我國已經(jīng)非常迫切。作為能源消耗大戶之一的電機在節(jié)能方面是大有潛力可挖的。我國電機的總裝機容量已達(dá)4億千瓦，年耗電量達(dá)6000億千瓦時，約占工業(yè)耗電量的80%。我國各類在用電機中，80%以上為0.55-220kW以下的中小型異步電動機。我國在用電機拖動系統(tǒng)的總體裝備水平僅相當(dāng)于發(fā)達(dá)國家50年代水平。因此，在國家十五計劃中，電機系統(tǒng)節(jié)能方面的投入將高達(dá)500億元左右，所以變頻調(diào)速系統(tǒng)在我國將有非常巨大的市場需求。目前，國內(nèi)變頻調(diào)速系統(tǒng)的研究非?；钴S，但是在產(chǎn)業(yè)化方面還不是很理想，市場的大部分還是被國外公司所占據(jù)。因此，為了加快國內(nèi)變頻調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展，就需要對國際變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展趨勢和國內(nèi)的市場需求有一個全面的了解。隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)及控制理論的發(fā)展，變頻器己經(jīng)廣泛應(yīng)用于交流電動機速度控制，“變頻調(diào)速”幾乎成了自動化的代名詞。變頻器的最主要特點是具有良好的控制性能和高效率的驅(qū)動性能。機械行業(yè)中應(yīng)用變頻器是改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)、實現(xiàn)機電一體化的重要乎段；在工礦企業(yè)自動化技術(shù)中，交流伺服系統(tǒng)正在取代直流伺服系統(tǒng)；應(yīng)用變頻器技術(shù)不但可以提高產(chǎn)品質(zhì)量和數(shù)量，而目可以節(jié)約大量電能。過去，當(dāng)需要調(diào)節(jié)風(fēng)量或流量時，采用的辦法是調(diào)節(jié)風(fēng)門或節(jié)流閥的開啟程度，不改變電動機的運行狀況.這種方法雖然簡單，但是不能節(jié)省電能，這是很不經(jīng)濟的.采用變頻器對風(fēng)機、水泵及油泵進(jìn)行速度控制，實現(xiàn)調(diào)節(jié)風(fēng)量和流量，對于節(jié)約能源，提高經(jīng)濟效益具有重要意義。22系統(tǒng)整體設(shè)計2.1工業(yè)鍋爐燃燒過程的變頻調(diào)速系統(tǒng)工業(yè)鍋爐根據(jù)采用燃料不同，通?？煞譃槿济?、燃油和燃?xì)馊N。這三種鍋爐的燃燒過程控制基本相同，只有燃料量的調(diào)節(jié)有所區(qū)別。對工業(yè)鍋爐燃燒過程實現(xiàn)變頻調(diào)速主要是通過變頻器調(diào)節(jié)鼓風(fēng)機的送風(fēng)量、引風(fēng)機的引風(fēng)量和燃燒進(jìn)給量。下面以20t燃煤蒸汽鍋爐為例，介紹變頻器的應(yīng)用。（1）燃煤蒸汽鍋爐燃燒過程。由于蒸汽鍋爐的過程控制系統(tǒng)包括汽包水位控制和燃燒過程控制系統(tǒng)，兩系統(tǒng)在鍋爐運行過程中相互耦合，所以控制起來非常困難。我們以燃燒過程控制為例來介紹變頻器的應(yīng)用。不考慮系統(tǒng)間的耦合。圖1是蒸汽鍋爐燃燒控制過程系統(tǒng)的原理圖。在圖中，F(xiàn)T表示流量傳感器，F(xiàn)IC表示流量控制器，PT表示壓力傳感器，F(xiàn)T1、FIC1和變頻器1組成鼓風(fēng)機控制回路。對于燃煤鍋爐來講，由于煤的燃燒需要一定的空氣量，所以要保持鍋爐的最佳燃燒過程，就必須使給煤量和送風(fēng)量保持一定的比例。這主要通過變頻器1調(diào)節(jié)鼓風(fēng)機轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)。PT2、PIC2和變頻器2組成引風(fēng)機控制回路。通常燃煤鍋爐的運行都要求爐膛負(fù)壓保持在-20-40Pa的范圍內(nèi)，如果爐膛負(fù)壓太小，爐膛容易向外噴火，既影響環(huán)境衛(wèi)生，又可能危及設(shè)備及操作人員的安全。負(fù)壓太大，爐膛漏風(fēng)量增大，增加了引風(fēng)機的電耗和煙氣帶走的熱量損失。爐膛負(fù)壓控制主要通過變頻器2來實現(xiàn)。PT、PIC、PT3、PIC3、FT3、FIC3和變頻器3組成了給煤量控制回路。鍋爐運行時，蒸汽壓力和蒸汽生產(chǎn)量直接反映了鍋爐燃燒發(fā)熱量。如果媒的進(jìn)給量改變，在保持最佳燃燒工況的情況下，蒸汽的生產(chǎn)量也會相應(yīng)改變，所以通過變頻器3調(diào)節(jié)給煤機的轉(zhuǎn)速，就可以調(diào)節(jié)煤的進(jìn)給量，從而控制蒸汽生產(chǎn)的目的。13圖1蒸汽鍋爐燃燒控制過程系統(tǒng)的原理圖（2）根據(jù)圖一可得鍋爐燃燒控制系統(tǒng)框圖，如圖2所示4圖2鍋爐燃燒控制系統(tǒng)框圖2.1.1系統(tǒng)的工作原理當(dāng)負(fù)載蒸汽量變化時，主調(diào)節(jié)器接受蒸汽壓力信號P，輸入給煤量調(diào)節(jié)器，及時調(diào)節(jié)給煤量，以適應(yīng)負(fù)載的變化。同時，給煤量調(diào)節(jié)器將負(fù)載變化的信號輸入給送風(fēng)量調(diào)節(jié)器，以保持適當(dāng)?shù)娘L(fēng)煤比例。由于送風(fēng)量調(diào)節(jié)器與引風(fēng)負(fù)壓調(diào)節(jié)器之間有動態(tài)補償信號，此時引風(fēng)負(fù)壓調(diào)節(jié)器也同時動作，這樣就保證了燃燒控制系統(tǒng)的協(xié)調(diào)動作。以保證正確的風(fēng)煤比例和適當(dāng)?shù)臓t膛負(fù)壓。送風(fēng)量調(diào)節(jié)器接受風(fēng)量反饋信號，及時反映送風(fēng)量的變化，以提高調(diào)節(jié)的穩(wěn)定性。引風(fēng)機負(fù)壓調(diào)節(jié)器也接受爐膛負(fù)壓信號，作為靜態(tài)時對爐膛負(fù)壓的校正作用。本系統(tǒng)通過壓力傳感器和流量傳感器將鍋爐的蒸汽壓力、蒸汽流量、風(fēng)量等信號送給PLC，然后通過PLC將信號送給變頻器，以控制鼓風(fēng)機的變頻調(diào)速，實現(xiàn)系統(tǒng)的功能。2.2鼓風(fēng)機調(diào)速的要求風(fēng)機作為鍋爐用量最大的通用耗電設(shè)備，其能耗對生產(chǎn)成本影響很大。但目前的情況是，很大一部分風(fēng)機不是在設(shè)計工況下運行，而是處于變工況下運行，為滿足其要求,就需對風(fēng)機進(jìn)行調(diào)節(jié)。但傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)方式諸如改變風(fēng)門開度等,5達(dá)不到最佳效果。而隨著變頻器技術(shù)的飛速發(fā)展和日益廣泛的應(yīng)用，越來越多的風(fēng)機采用變頻器進(jìn)行調(diào)節(jié)，節(jié)能效果明顯。2.2.1鼓風(fēng)機的負(fù)載特性風(fēng)機負(fù)載的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速有關(guān),基本上與速度的平方成正比,即MH=KHnH2式中:KH為比例常數(shù)；nH為風(fēng)機轉(zhuǎn)速；MH為風(fēng)機負(fù)載轉(zhuǎn)矩。風(fēng)機的基本參數(shù)有：風(fēng)量Q，風(fēng)壓H及風(fēng)阻R。風(fēng)機的重要特性曲線是H-Q曲線。根據(jù)風(fēng)機參數(shù)的比例定律，在不同轉(zhuǎn)速時的H-Q曲線如圖3所示。由流體力學(xué)可知，當(dāng)風(fēng)機的速度由額定轉(zhuǎn)速度nHe變化到nH后，風(fēng)量Q，風(fēng)壓H及軸功率PH的變化規(guī)律為：Q=Qe(nHnHe)=K1n，K1=Qe/nHe；H=He(nHnHe)2=K2n，K2=He/nHe2；PH=PHe(nH*nHe)3=K3n，K3=PHe/nHe3。其中Qe是風(fēng)機額定風(fēng)量；He是風(fēng)機的額定風(fēng)壓；PHe是風(fēng)機的額定軸功率；nHe是風(fēng)機的額定轉(zhuǎn)速。由Q，H和PH的表達(dá)式可見：風(fēng)量與速度成正比；風(fēng)壓與速度平方成正比；軸功率與速度立方成正比。圖3H-Q曲線當(dāng)風(fēng)機的管網(wǎng)風(fēng)阻保持不變時，其風(fēng)量Q與通風(fēng)阻力f按阻力定律變化，即f=RQ2，它對應(yīng)的曲線稱為風(fēng)阻特性曲線。風(fēng)機的H-Q曲線與管網(wǎng)阻力曲線相交點稱為工作點M（圖1中,M1及M1為同一風(fēng)機在兩種不同速度下的H-Q曲線與R1風(fēng)阻特性曲線相交的工作點,M2及M2為與R2風(fēng)阻曲線相交的工作點）.22.2.2鼓風(fēng)機調(diào)速方式鼓風(fēng)機調(diào)節(jié)的基本原理是通過改變風(fēng)機本身的特性曲線,或者外部的管網(wǎng)阻6力曲線,或者同時改變二者,得到所需的工況。風(fēng)量調(diào)節(jié)又具體分為2類:鼓風(fēng)機恒速的調(diào)節(jié)和鼓風(fēng)機變速的調(diào)節(jié)。（1）鼓風(fēng)機恒速的調(diào)節(jié)改變鼓風(fēng)機工作輪葉片安裝角,此為軸流風(fēng)機基本調(diào)節(jié)方法；前倒流器調(diào)節(jié),此為離心式風(fēng)機基本調(diào)節(jié)方式,軸流風(fēng)機亦可用；風(fēng)門(擋板)調(diào)節(jié)；更換工作輪調(diào)節(jié)；改變?nèi)~片數(shù)調(diào)節(jié)；改變?nèi)~片寬度調(diào)節(jié)；聯(lián)合調(diào)節(jié)等等。（2）鼓風(fēng)機變速的調(diào)節(jié)對于鼓風(fēng)機變速調(diào)節(jié)，一般選用效率不高而簡單的調(diào)速方式時，初期投資低而運行費用高；采用效率高而復(fù)雜的調(diào)節(jié)時，效果相反。調(diào)節(jié)時要兼顧高效和初投資。2.2.3鼓風(fēng)機變頻調(diào)速（1）鼓風(fēng)機實施變頻調(diào)速應(yīng)結(jié)合發(fā)生爐的特點來考慮，綜合考慮頻率對風(fēng)量、風(fēng)壓的影響,否則實施后效果可能會很差。如鼓風(fēng)機初始風(fēng)量選型過大而風(fēng)壓合適，這種情況下不宜單純從降低風(fēng)量節(jié)能的角度實現(xiàn)變頻調(diào)速，并且鼓風(fēng)機更不能僅實現(xiàn)低頻恒定運轉(zhuǎn)。如某鼓風(fēng)機設(shè)計風(fēng)量為10000m3/h，實際僅需6000m3/h，因轉(zhuǎn)速與頻率成正比，風(fēng)量與頻率成正比，風(fēng)壓與頻率的平方成正比，風(fēng)機消耗功率與頻率的立方成正比，若將頻率降低至30Hz可滿足要求，節(jié)電率也非常高，但風(fēng)壓卻降低至36%，不能滿足水煤氣生產(chǎn)過程要求。（2）鼓風(fēng)機實施變頻調(diào)速后，要達(dá)到與生產(chǎn)同步，應(yīng)合理確定升頻、降頻信號的選取點。根據(jù)水煤氣的生產(chǎn)特點，鼓風(fēng)機的高頻全速運轉(zhuǎn)應(yīng)在吹風(fēng)階段，而低頻運轉(zhuǎn)應(yīng)在制氣階段，那么可以在對發(fā)生爐鼓完風(fēng)后取一個信號使鼓風(fēng)機低速運行，而在制氣結(jié)束后取一個信號使鼓風(fēng)機全速運行。問題是信號從哪一個地方取最合適、最經(jīng)濟、最方便。大致有3個方案：從時間段上取，如吹風(fēng)定為70s，在吹風(fēng)時間達(dá)到70s時，發(fā)出降頻信號，使變頻器帶動鼓風(fēng)機電機低速運轉(zhuǎn)。從程序段上取,如在程序段上顯示“1”時發(fā)出信號,使變頻器動作，鼓風(fēng)機高頻全速運轉(zhuǎn)。從各氣動或液動閥門上行程開關(guān)取信號。綜合這3種方案來看，第2種方案應(yīng)為優(yōu)選，原因是除了經(jīng)濟、方便外，更重要的是其簡單及高可靠性。具體實施時，還應(yīng)充分考慮變頻器帶動鼓風(fēng)