可編程控制器在空壓機(jī)變頻改造中的應(yīng)用研究

1、網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院 本 科 生 畢 業(yè) 論 文(設(shè) 計(jì) 原創(chuàng)優(yōu)秀論文題 目:可編程控制器在空壓機(jī)變頻改造中的應(yīng)用研究學(xué)習(xí)中心:江蘇南通奧鵬層 次:?？破瘘c(diǎn)本科專 業(yè):電氣工程及其自動(dòng)化年 級(jí):學(xué) 號(hào):學(xué) 生:指導(dǎo)教師:王 瑩完成日期: 2011年 3月 2日 內(nèi)容摘要空壓機(jī)是一種用來壓縮氣體提高氣體壓力的機(jī)械,廣泛地應(yīng)用在采礦、冶金、 機(jī)械制造、石油化工以及國防工業(yè)中。而空壓機(jī)生產(chǎn)壓縮空氣的過程是重要耗能 環(huán)節(jié)之一,同時(shí),空壓機(jī)的加、卸載工作方式會(huì)產(chǎn)生很多缺陷。相關(guān)資料表明:使用變頻調(diào)速技術(shù)能很好地克服上述缺點(diǎn)。而對空壓機(jī)進(jìn)行 變頻改造,控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和有效性非常重要。本文通過實(shí)踐介紹了基于 PL

2、C 的空壓機(jī)變頻改造系統(tǒng)設(shè)計(jì)、基本工作原理和主要實(shí)現(xiàn)形式,為實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)變頻 改造的穩(wěn)定性和有效性提供了可行的解決辦法。關(guān)鍵詞:空壓機(jī); PLC ;變頻改造目 錄內(nèi)容摘要 . I 引 言 . 1 1 PLC 的結(jié)構(gòu)、工作原理及系統(tǒng)設(shè)計(jì) . 3 1.1 PLC的結(jié)構(gòu) . 3 1.2 PLC的主要組成部分 . 4 1.3 PLC的工作原理 . 5 1.4 循環(huán)掃描技術(shù) . 5 1.5 PLC的編程工具 . 6 1.6 PLC控制系統(tǒng)的構(gòu)成、設(shè)計(jì)原則及步驟 . 61.7 PLC控制系統(tǒng)發(fā)展趨勢 . 73.3 變速驅(qū)動(dòng)空壓機(jī)能效特點(diǎn) . 154 空壓機(jī)變頻改造實(shí)現(xiàn) . 17 4.1 硬件選擇 . 17

3、4.2 電氣原理圖的繪制 . 17 4.3 可編程控制器程序的編寫 . 184.4 系統(tǒng)改造中應(yīng)注意的問題 . 204.5 節(jié)能效果分析 . 215 結(jié)論 . 22參考文獻(xiàn) . 23引 言壓縮空氣是工業(yè)上常用的能源介質(zhì)之一,是用以驅(qū)動(dòng)風(fēng)鎬、風(fēng)鉆等風(fēng)動(dòng)機(jī)械 的原動(dòng)力,其最大的優(yōu)點(diǎn)是能夠利用取之不盡、用之不竭的自由空氣。與電力相 比,它具有以下特點(diǎn):不產(chǎn)生火花;不怕超負(fù)荷;無觸電危險(xiǎn);在濕度大、溫度 高、灰塵多的環(huán)境中能很好的工作 1。空氣壓縮機(jī) (簡稱空壓機(jī) 是一種用來壓縮氣體提高氣體壓力或輸送氣體的機(jī) 械。隨著生產(chǎn)技術(shù)的不斷發(fā)展,壓縮機(jī)的種類和結(jié)構(gòu)型式也日益增多。目前不但 廣泛地應(yīng)用在采礦業(yè)、

4、冶金業(yè)、機(jī)械制造業(yè)、土木工程、石油化工、制冷與氣體 分離工程以及國防工業(yè)中。而且醫(yī)療、紡織、食品、農(nóng)業(yè)、交通等部門,對壓縮 機(jī)的需要也在不斷地增加。而空壓機(jī)生產(chǎn)壓縮空氣的過程是工業(yè)生產(chǎn)中的重要耗 能環(huán)節(jié)之一?？諌簷C(jī)在很多工礦企業(yè)中是不可缺少的設(shè)備。同時(shí),配套電動(dòng)機(jī)容量的設(shè)計(jì) 裕量一般偏大,且往往是常年連續(xù)運(yùn)行,系統(tǒng)能源浪費(fèi)巨大,運(yùn)行成本高。因此, 空壓機(jī)的節(jié)能潛力很大。空壓機(jī) (螺桿式 傳統(tǒng)工作方式為進(jìn)氣閥開、關(guān)控制方式。 即壓力達(dá)到上限 (emax時(shí)關(guān)閥,壓縮機(jī)進(jìn)入輕載運(yùn)行;壓力達(dá)到下限 (Pmin時(shí)開 閥,壓縮機(jī)進(jìn)入滿載運(yùn)行。壓縮機(jī)這種加、 卸載方式,使得壓縮氣體的壓力在 Pmin-Pma

5、x 之間來回變化。 這里, Pmin 為能夠保證用戶正常工作的最低壓力值, Pmax 為設(shè)定的最高壓力值。一般情況下, Pmax 為 (1.11. 25Pmin ?？諌簷C(jī)這種 加、卸載工作方式,優(yōu)點(diǎn)是控制方式簡單,成本較低,但會(huì)造成如下負(fù)面效果 2:空載運(yùn)行浪費(fèi)很多能量。壓縮空氣壓力超過 Pmin 時(shí),壓縮機(jī)還要使其壓力 繼續(xù)上升到 Pmax 才關(guān)閥,這一過程需要電源提供空壓機(jī)能量;當(dāng) P=Pmax時(shí),關(guān) 閉進(jìn)氣閥,空壓機(jī)不再壓縮氣體做功,但空壓機(jī)的主電機(jī)還在運(yùn)轉(zhuǎn),此時(shí)能耗約 占空壓機(jī)滿載運(yùn)行的 30%70%,屬非經(jīng)濟(jì)運(yùn)行,電能浪費(fèi)嚴(yán)重。主電機(jī)雖然以星三角降壓起動(dòng),但起動(dòng)時(shí)的電流仍然很大,大約

6、是額定電 流的 57倍,會(huì)影響電網(wǎng)的穩(wěn)定及其它用電設(shè)備的運(yùn)行安全。主電機(jī)工頻起動(dòng)設(shè)備的沖擊大,電機(jī)軸承的磨損大,所以對設(shè)備的維護(hù)量 大。減壓閥減壓能量浪費(fèi)。氣動(dòng)元件的額定氣壓在 Pmin 左右。高于 Pmin 的氣 體在進(jìn)入氣動(dòng)元件之前,要經(jīng)過減壓至接近 Pmin 值,同樣是一個(gè)耗能過程。 空壓機(jī)電動(dòng)機(jī)容量的浪費(fèi)。設(shè)計(jì)者考慮空壓機(jī)滿載運(yùn)行的可能,空壓機(jī)電 動(dòng)機(jī)容量按最大需要選擇,但實(shí)際運(yùn)行中,輕載運(yùn)行時(shí)間所占比例是非常高的,造成很大能量浪費(fèi)?？繖C(jī)械方式頻繁地調(diào)節(jié)閥動(dòng)作,加速了調(diào)節(jié)閥的磨損,縮短壽命,增加維 護(hù)工作量,加大成本。經(jīng)查閱資料,使用變頻調(diào)速技術(shù)能很好地克服上述的缺點(diǎn)。而對空壓機(jī)進(jìn)行

7、變頻改造,整體控制系統(tǒng)的穩(wěn)定度和有效性非常的重要。而基于可編程序控制器 (PLC對空壓機(jī)進(jìn)行變頻改造可以很好的提高整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和有效性,是空壓 機(jī)改造的一個(gè)未來發(fā)展方向之一 3。 本文基于可編程控制器對空壓機(jī)變頻改造進(jìn)行 了研究、實(shí)踐,希望本文的研究可以提高我國空壓機(jī)的應(yīng)用精度,降低使用能耗。1 PLC的結(jié)構(gòu)、工作原理及系統(tǒng)設(shè)計(jì)1.1 PLC的結(jié)構(gòu)PLC 實(shí)質(zhì)是一種專用于工業(yè)控制的計(jì)算機(jī), 其硬件結(jié)構(gòu)基本上與微型計(jì)算機(jī)相 同。根據(jù)結(jié)構(gòu)形式的不同, PLC 的基本結(jié)構(gòu)分為整體式和模塊式結(jié)構(gòu)兩類 4。 整體式 (又稱箱體式 結(jié)構(gòu)的 PLC 由中央處理器 (CPU 、 存儲(chǔ)器、 輸入 /輸出 (

8、I/O 單元、電源電路和通信端口等組成,并將這些組裝在同一機(jī)體內(nèi)。這種結(jié)構(gòu)的特 點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、體積小、價(jià)格低、輸入 /輸出點(diǎn)數(shù)固定、實(shí)現(xiàn)的功能和控制規(guī)模固 定,但靈活性較低。其基本結(jié)構(gòu)框圖如圖 1.1所示。 圖 1.1 整體式結(jié)構(gòu)模塊式(又稱組合式結(jié)構(gòu)的 PLC 是將中央處理器(CPU 、存儲(chǔ)器、輸入 /輸 出(I/O單元、電源電路和通信端口等分別做成相應(yīng)的模塊,應(yīng)用時(shí)將這些模塊 根據(jù)控制要求插在機(jī)架上,各模塊間通過機(jī)架上的總線相互聯(lián)系。模塊式的 PLC 安裝完成后,需進(jìn)行登記,以便 PLC 對安裝在總線上的各模塊進(jìn)行地址確認(rèn),其 特點(diǎn)是系統(tǒng)構(gòu)成的靈活性較高, 可以構(gòu)成不同控制規(guī)模和功能的 P

9、LC , 但同時(shí)價(jià)格 也較高?；窘Y(jié)構(gòu)框圖如圖 1.2所示,設(shè)計(jì)采用的是模塊式結(jié)構(gòu)。 圖 1.2 模塊式結(jié)構(gòu)1.2 PLC的主要組成部分(1中央處理器中央處理器(CPU 是 PLC 的核心部分,它通過系統(tǒng)總線與用戶存儲(chǔ)器、輸入 /輸出(I/O 、通信端口等單元相連。通過制造廠家預(yù)制在系統(tǒng)存儲(chǔ)器內(nèi)部的系統(tǒng) 程序完成各項(xiàng)任務(wù)。其主要功能是由編程器寫入控制程序和數(shù)據(jù)到存儲(chǔ)器、調(diào)用 系統(tǒng)程序?qū)τ脩舫绦蜻M(jìn)行編輯或編譯并把相應(yīng)的操作數(shù)轉(zhuǎn)存到內(nèi)存中去、從存儲(chǔ) 器上讀取和執(zhí)行程序,還可以進(jìn)行 PLC 內(nèi)部故障的診斷等。(2存儲(chǔ)器根據(jù)存儲(chǔ)器存儲(chǔ)內(nèi)容的不同,把存儲(chǔ)器分為:系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器:用來存放系統(tǒng)程序的存儲(chǔ)器。

10、系統(tǒng)程序相當(dāng)于計(jì)算機(jī)操作 系統(tǒng),主要包括檢查程序、編譯程序和監(jiān)控程序,是 PLC 廠家根據(jù)選用的 CPU 的 指令系統(tǒng)編寫的,并固化到 ROM 里,用戶不能修改其內(nèi)容。用戶程序存儲(chǔ)器:用來存放用戶根據(jù)控制要求編制的程序。不同類型的 PLC , 其存儲(chǔ)容量也不一樣。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器:用以存放 PLC 運(yùn)行中的各種數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器。因?yàn)檫\(yùn)行中數(shù)據(jù)不 斷變化,所以這種存儲(chǔ)器必須可讀寫。(3輸入 /輸出(I/O單元輸入 /輸出(I/O單元是 PLC 與外部設(shè)備連接的紐帶。輸入單元接收現(xiàn)場設(shè) 備向 PLC 提供的開關(guān)量信號(hào),經(jīng)過處理后,變成 CPU 能夠識(shí)別的信號(hào)。輸出單元 將 CPU 的信號(hào)經(jīng)處理后來控制外部設(shè)

11、備的。(4電源部分不同型號(hào)的 PLC 有不同的供電方式, 所以 PLC 電源的輸入電壓既有 12V 和 24V 直流,又有 110V 和 220V 交流。 PLC 內(nèi)部使用的電源是整體的供給中心,它的優(yōu)劣 直接影響到 PLC 的功能和可靠性,因此目前大部分 PLC 采用開關(guān)式穩(wěn)壓電源供電。 (5通信端口PLC 的 CPU 模塊上至少有一個(gè)通信端口。通過這個(gè)通信端口, PLC 可以直接和 編程器或上位機(jī)相連。(6編程器幾乎每個(gè) PLC 廠家都有自己的編程器。用戶通過編程器來編寫控制程序,并 通過編程器接口將自己的控制程序輸入到 PLC 。它還可以在線檢測程序的運(yùn)行情 況。(7特殊功能單元主要包括

12、模擬量輸入 /輸出單元、遠(yuǎn)程 I/0模塊、通信模塊、高速計(jì)數(shù)模塊、 中斷輸入模塊和 PID 調(diào)解模塊等。隨著 PLC 的進(jìn)一步發(fā)展,特殊功能單元的應(yīng)用 也越來越多。1.3 PLC的工作原理PLC 與繼電器構(gòu)成的控制裝置的重要區(qū)別之一就是工作方式不同, 繼電器控制 是并行運(yùn)行方式,即如果輸出線圈通電或斷電,該線圈的觸點(diǎn)立即動(dòng)作,只要形 成電流通路,就有可能有幾個(gè)電器同時(shí)動(dòng)作。而 PLC 則不同,它采用循環(huán)掃描技 術(shù),只有該線圈通電或斷電,并且必須當(dāng)程序掃描到該線圈時(shí),該線圈觸點(diǎn)才會(huì) 動(dòng)作,而且每次它只能執(zhí)行一條指令,這也就是說 PLC 以“串行”方式工作的, 這種工作方式可以避免繼電器控制的觸點(diǎn)

13、競爭和時(shí)序失配等問題。也可以說,繼 電器控制裝置是根據(jù)輸入和邏輯控制結(jié)構(gòu)就可以直接得到輸出,而 PLC 控制則需 要輸入傳送、執(zhí)行程序指令、輸出 3個(gè)階段才能完成控制過程。1.4 循環(huán)掃描技術(shù)PLC 采用循環(huán)掃描技術(shù)可以分為 3個(gè)階段:輸入階段 (將外部輸入信號(hào)的狀態(tài) 傳送到 PLC 、執(zhí)行程序和輸出階段(將輸出信號(hào)傳送到外部設(shè)備 。掃描過程如圖 1.3所示。 在輸入階段中, PLC 先進(jìn)行自我診斷,然后與編程器或計(jì)算機(jī)通信,同時(shí)中央 處理器掃描各個(gè)輸入端并讀取輸入信號(hào)的狀態(tài)和數(shù)據(jù),并把它們存入相應(yīng)的輸入 存儲(chǔ)單元。在執(zhí)行階段中, PLC 按照由上到下的次序逐步執(zhí)行程序指令。 從相應(yīng)的輸入存

14、儲(chǔ)單元讀入輸入信號(hào)的狀態(tài)和數(shù)據(jù),然后根據(jù)程序內(nèi)部繼電器、定時(shí)器、計(jì)數(shù)器 數(shù)據(jù)寄存器的狀態(tài)和數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯運(yùn)算,得到運(yùn)算結(jié)果,并將這些結(jié)果存入相應(yīng) 的輸出存儲(chǔ)器單元。在輸出階段中, PLC 將相應(yīng)的輸出存儲(chǔ)單元的運(yùn)算結(jié)果傳送到輸出模塊上, 并 通過輸出模塊向外部沒備傳送輸出信號(hào),開始控制外部設(shè)備。1.5 PLC的編程工具PLC 的編程主要是通過編程器或用 PLC 公司提供的編程軟件來完成。每個(gè) PLC 公司都有自己的編程器,一般它比較小,而且比較輕,適合在現(xiàn)場使用。但是它 只能使用助記符語言對 PLC 進(jìn)行編程,而且由于屏幕較小,每次只能顯示一兩行 程序,難于對程序從整體上進(jìn)行分析。 PLC 公司

15、提供的編程軟件則能使用梯形圖、 助記符或功能塊圖語言進(jìn)行編程。通過編程軟件,不僅能在一個(gè)屏幕上看到十幾 頁,甚至幾十頁的程序,從宏觀上對程序進(jìn)行編輯和分析,而且它還能對程序的 運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)視 5。1.6 PLC控制系統(tǒng)的構(gòu)成、設(shè)計(jì)原則及步驟PLC 控制系統(tǒng)由硬件部分和軟件部分組成。對于整個(gè) PLC 控制系統(tǒng)來說,其硬件部分不僅包括選擇符合控制要求的 PLC 機(jī)型、存儲(chǔ)器容量、電源模塊、輸入 /輸出模塊、通信模塊、模擬量輸入 /輸出模 塊和特殊功能模塊等,還應(yīng)當(dāng)包括選擇合適的可編程控制器外圍裝置、設(shè)備與接 口,如輸入設(shè)備(控制按鈕、開關(guān)、傳感器等 、執(zhí)行裝置(接觸器、繼電器等 和由執(zhí)行裝置控制

16、的現(xiàn)場設(shè)備(水泵、鼓風(fēng)機(jī)、閥門等 。軟件部分主要包括對 PLC 進(jìn)行 I/O點(diǎn)地址、內(nèi)部繼電器、定時(shí)器、計(jì)數(shù)器等 的分配, PLC 控制程序的設(shè)計(jì)(梯形圖、語句表、流程圖等 ,還有一些技術(shù)文件 等。PLC 控制系統(tǒng)是為工藝流程服務(wù)的, 所以它首先要能很好地實(shí)現(xiàn)工藝提出的控 制要求。 PLC 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)遵循以下原則。(1根據(jù)工藝流程進(jìn)行設(shè)計(jì),力求控制系統(tǒng)能最大限度地滿足控制要求。(2在滿足控制要求的前提下,盡量減少 PLC 系統(tǒng)硬件費(fèi)用。(3考慮到以后控制要求的變化,所以控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮 PLC 的可擴(kuò)展 性。(4控制系統(tǒng)使用和維護(hù)方便、安全可靠。具體操作如下:(1控制要求分析在設(shè)計(jì)

17、PLC 控制系統(tǒng)之前,必須對工藝過程進(jìn)行細(xì)致的分析,詳細(xì)了解控制 對象和控制要求,這樣才能真正明白自己所要完成的任務(wù),并更好地完成任務(wù),設(shè)計(jì)出令人滿意的控制系統(tǒng)。(2確定輸入 /輸出設(shè)備根據(jù)控制要求選擇合適的輸入設(shè)備(控制按鈕、開關(guān)、傳感器等和輸出設(shè) 備(接觸器、繼電器等 ,根據(jù)所選用的輸入 /輸出設(shè)備的類型和數(shù)量確定 PLC 的 I/0點(diǎn)數(shù)。(3選擇合適 PLC確定 PLC 的 I/0點(diǎn)數(shù)后,就根據(jù) I/0點(diǎn)數(shù)、控制要求等來進(jìn)行 PLC 的選擇。 選擇包括機(jī)型、存儲(chǔ)器容量、輸入 /輸出模塊、電源模塊和智能模塊等。(4 I/0點(diǎn)數(shù)分配點(diǎn)數(shù)分配就是規(guī)定 PLC 的 I/0端子和輸入 /輸出設(shè)備,

18、畫出 I/0接線原理圖。 (5 PLC 程序設(shè)計(jì)首先把工藝流程分為若干階段,確定每一階段的輸入信號(hào)和輸出要控制的設(shè) 備,還有不同階段之間的聯(lián)系,然后畫出程序流程圖,最后再進(jìn)行程序編制。 (6模擬調(diào)試程序編制好后,可以用按鈕和開關(guān)模擬數(shù)字量,電壓源和電流源代替模擬量, 進(jìn)行模擬調(diào)試,使控制程序基本滿足控制要求。(7現(xiàn)場聯(lián)機(jī)調(diào)試現(xiàn)場聯(lián)機(jī)調(diào)試就是將 PLC 與現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行調(diào)試。在這一步中可以發(fā)現(xiàn)程序存 在的實(shí)際問題,然后經(jīng)過修正后使其滿足控制要求。(8整理技術(shù)文件這一步主要包括整理與設(shè)計(jì)有關(guān)的文檔,包括設(shè)計(jì)說明書、 I/O接線原理圖、 程序清單和使用說明書等。1.7 PLC控制系統(tǒng)發(fā)展趨勢PLC 的

19、主要發(fā)展趨勢主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面 4:(1高速度、高 I/0容量、功能強(qiáng)大隨著 CPU 處理速度的提高, PLC 程序執(zhí)行的速度也越來越快; 大規(guī)模和超大規(guī) 模集成電路的發(fā)展,相應(yīng)地使 I/O的容量也得到增加;智能模塊的增加,使 PLC 能夠?qū)崿F(xiàn)的功能越來越多。(2強(qiáng)大的 PLC 聯(lián)網(wǎng)能力隨著人們對工業(yè)自動(dòng)化的要求越來越高,人們已經(jīng)不再滿足對幾個(gè)設(shè)備、幾 條生產(chǎn)線的 PLC 控制,而是要求實(shí)現(xiàn)對全工廠的自動(dòng)化,所以提高 PLC 控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)功能成為 PLC 的發(fā)展趨勢。以后人們不僅能通過通信模塊進(jìn)行 PLC 與 PLC 、 PLC 與上位機(jī)之間的連接,還能通過撥號(hào)或者無線的方式使 PLC

20、聯(lián)網(wǎng)。(3編程軟件多樣化PLC 的梯形圖語言、 助記符語言和功能模塊語言雖然使用方便, 而且也能很好 地實(shí)現(xiàn)控制要求,但是在處理一些高級(jí)功能(復(fù)雜運(yùn)算、報(bào)表生成和打印等功能 時(shí)存在明顯的不足,所以就要求高級(jí)語言(BASIC 、 C 、 FORTRAN 等 、圖形語言、 匯編語言兼容。這樣不僅可以通過梯形圖語言、助記符語言和功能模塊語言來編 寫程序,也可以通過高級(jí)語言來編程。2 變頻調(diào)速技術(shù)概述2.1 變頻調(diào)速原理變頻調(diào)速技術(shù)可以節(jié)約能源,提高產(chǎn)品質(zhì)量。而在通風(fēng)空調(diào)設(shè)備中采用變頻 調(diào)速技術(shù),可以降低空調(diào)能耗,本文研究如何在空壓機(jī)中應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù),來 使空壓機(jī)能耗降低。以下對變頻調(diào)速的原理進(jìn)行了

21、研究:異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速 n 可以表示為: (12160n n s p f n -=-= (2.1式中 :2n -同步轉(zhuǎn)速;1n -轉(zhuǎn)差損失的轉(zhuǎn)速;P-磁極對數(shù);s-轉(zhuǎn)差率;f-電源頻率。分析式 2.1, 發(fā)現(xiàn)改變電源頻率可以改變同步轉(zhuǎn)速和電機(jī)轉(zhuǎn)速。 電源頻率的下 降會(huì)導(dǎo)致以下現(xiàn)象發(fā)生:磁通的增加,造成磁路飽和,勵(lì)磁電流增加,功率因數(shù) 下降,鐵心和線圈過熱。顯然這些現(xiàn)象是不允許的,因此要在降頻的同時(shí)還要降 壓,因此要求頻率與電壓協(xié)調(diào)控制。此外,在許多應(yīng)用場合,為了保持在調(diào)速時(shí) 電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩不變,這也需要維持磁通不變。因此這也是由頻率和電壓協(xié) 調(diào)控制來實(shí)現(xiàn),故稱為可變頻率可變電壓調(diào)速 (VVV

22、F,簡稱變頻調(diào)速。實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速的裝置稱為變頻器。變頻器一般由整流器、濾波器、驅(qū)動(dòng)電路、 保護(hù)電路以及控制器 (MCU / DSP 等部分組成。首先將單相或三相交流電源通過 整流器并經(jīng)電容濾波后,形成幅值基本固定的直流電壓加在逆變器上,利用逆變 器功率元件的通斷控制,使逆變器輸出端獲得一定形狀的矩形脈沖波形。在這里, 通過改變矩形脈沖的寬度控制其電壓幅值;通過改變調(diào)制周期控制其輸出頻率, 從而在逆變器上同時(shí)進(jìn)行輸出電壓和頻率的控制,而滿足變頻調(diào)速對 U/f協(xié)調(diào)控 制的要求。 PWM 的優(yōu)點(diǎn)是能消除或抑制低次諧波, 使負(fù)載電機(jī)在近似正弦波的交變 電壓下運(yùn)行,轉(zhuǎn)矩脈沖小,調(diào)速范圍寬 2。2.2 變頻

23、調(diào)速的主要功能(1變頻調(diào)速系統(tǒng)具有軟起動(dòng)功能,可抑制起動(dòng)電流,減少機(jī)械振動(dòng),可無 沖擊地進(jìn)行加減速運(yùn)行,從而對機(jī)械實(shí)現(xiàn)優(yōu)化控制。(2變頻調(diào)速系統(tǒng)具有非常強(qiáng)的保護(hù)功能。如欠壓、過壓、缺相、過載,過電流、短路、瞬時(shí)停電等多項(xiàng)保護(hù)功能,系統(tǒng)可手動(dòng)、自控、遙控,也可與可編 程控制器、計(jì)算機(jī)等聯(lián)接,實(shí)現(xiàn)閉環(huán)自動(dòng)控制。其標(biāo)準(zhǔn)的積木式硬件結(jié)構(gòu)以及模 塊化軟件,使得它可以適應(yīng)大小不同,功能繁鎖的控制要求,并且采用電氣操作 人員習(xí)慣的梯形圖與功能助記符編程,便于用戶十分方便地讀懂程序,編寫、修 改和擴(kuò)展。系統(tǒng)有完善的診斷、監(jiān)視、報(bào)警等功能,穩(wěn)定性、抗干擾能力強(qiáng),可 以適應(yīng)惡劣的工業(yè)環(huán)境。(3變頻調(diào)速系統(tǒng)具有檢測

24、顯示,指令丟失的自動(dòng)運(yùn)行功能,頻率設(shè)定,禁 止功能,以達(dá)到防止機(jī)械系統(tǒng)發(fā)生共振的目的。2.3 變頻器的選取隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的日新月異。現(xiàn)代電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展和現(xiàn)代調(diào)速控制 理論的長足進(jìn)步,變頻器不僅用于一般性能的節(jié)能調(diào)速控制,而且已經(jīng)用于高性 能、高轉(zhuǎn)速、大容量調(diào)速控制方面,變頻器普遍的被冶金、機(jī)械、鋼鐵、紡織、 造紙等企業(yè)選用。交流傳動(dòng)與控制技術(shù)是目前發(fā)展最為迅速的技術(shù)之一。這是與電力電子器件 制造技術(shù)、變流技術(shù)、控制技術(shù)、微型計(jì)算機(jī)和大規(guī)模集成電路的飛速發(fā)展密切 相關(guān)的。變頻技術(shù)是應(yīng)交流電機(jī)無級(jí)調(diào)速的需要而誕生的。自 20世紀(jì) 80年代初 通用變頻器問世以來,通用變頻器更新?lián)Q代了五次:第

25、一代是 80年代初的模擬通 用變頻器,第二代是 80年代中期的數(shù)字式通用變頻器,第三代是 90年代初的智 能型通用變頻器,第四代是 90年代中期的多功能通用變頻器,本世紀(jì)研制上市第 五代集中型通用變頻器。變頻器對電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制是根據(jù)電動(dòng)機(jī)的特性參數(shù)及電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)要求,對電 動(dòng)機(jī)提供電壓、電流頻率進(jìn)行控制,達(dá)到負(fù)載的要求。因此就和變頻器的主電路 一樣,逆變器件也相同,單片機(jī)位數(shù)也一樣,只是控制方式不一樣,其控制效果 是不一樣的。所以控制方式是很重要的,它代表變頻器的水平。目前變頻器對電 動(dòng)機(jī)的控制方式大體可分為 u /f 恒定控制:轉(zhuǎn)差頻率控制;矢量控制;直接轉(zhuǎn)矩 控制;非線性控制;自適應(yīng)控制;滑

26、模變結(jié)構(gòu)控制;智能控制 6。變頻器的控制方式代表著變頻器的性能和水平,在工程應(yīng)用中根據(jù)不同的負(fù) 載及不同控制要求,合理選擇變頻器以達(dá)到資源的最佳配置,具有重要的意義.變頻器選擇時(shí),應(yīng)根據(jù)負(fù)載特性、工藝要求、工作環(huán)境、投資情況、能否完成調(diào) 速功能、能否運(yùn)用于不同負(fù)載,并且負(fù)載出現(xiàn)故障時(shí)能夠起到有效保護(hù)等方面綜 合考慮。(1容量選擇根據(jù)電動(dòng)機(jī)功率來做初步比較,更為仔細(xì)地按實(shí)際電流選擇。 一般變頻器按 4級(jí)電機(jī)標(biāo)稱電流,若帶兩種電機(jī),更應(yīng)注意電流容量。同時(shí)其保 護(hù)動(dòng)值也作相應(yīng)修改。避免選用變頻器驅(qū)動(dòng)與其容量不符的電動(dòng)機(jī).變頻器在容 量選擇時(shí)主要考慮電機(jī)運(yùn)行電流、過載倍數(shù)、負(fù)載特性等問題。(2傳動(dòng)功能

27、選擇。根據(jù)所帶電機(jī)負(fù)載變化特性,選擇不同性能的變頻器, 在控制精度、反饋控制要求及給定方式比較,并且考慮內(nèi)部功能及其設(shè)置,使其 達(dá)到良好控制,如果變頻器控制的電機(jī)長期低速運(yùn)行,則選型時(shí)要考慮適當(dāng)加大 變頻器容量以保證電機(jī)更加良好運(yùn)行.此外,還要考慮環(huán)境溫度,散熱條件等其 他因素.(3保護(hù)特性。變頻器在出廠時(shí)都設(shè)定保護(hù)功能,為使系統(tǒng)能正?？煽康毓?作,應(yīng)根據(jù)需要作相應(yīng)調(diào)整。用一臺(tái)變頻器控制多臺(tái)電動(dòng)機(jī)時(shí),除了電動(dòng)機(jī)運(yùn)行 的總電流小于變頻器額定電流外,還要使電動(dòng)機(jī)最大電流的總和 (例如加速電流 不得大于變頻器的最大輸出電流。此外,還至少要計(jì)算一臺(tái)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流的影 響,以避免變頻器瞬間過流保護(hù),而造

28、成系統(tǒng)死機(jī)。3基于 PLC 的空壓機(jī)變頻改造設(shè)計(jì)3.1車間空壓機(jī)運(yùn)營情況簡介為了滿足給生產(chǎn)車間提供正壓和負(fù)壓的需要,工廠設(shè)置了專門空壓房?？諌?房內(nèi)的正壓系統(tǒng)配備有五臺(tái)上海佳力士機(jī)械有限公司生產(chǎn)的 OG160S27/0.8型空壓 機(jī),單機(jī)產(chǎn)氣量 27m 3/min,全部為無油螺桿型壓縮機(jī),具有操作簡便,智能化程 度較高的優(yōu)點(diǎn),正常運(yùn)行為三用兩備。上海佳力士機(jī)械有限公司生產(chǎn)的螺桿型壓縮機(jī)的壓力采用上、下限控制兩點(diǎn) 控制。當(dāng)空氣壓縮機(jī)的壓力達(dá)到設(shè)定值上限時(shí),空氣壓縮機(jī)通過油壓關(guān)閉進(jìn)氣閥。 當(dāng)空氣壓縮機(jī)的壓力下降到設(shè)定值下限時(shí),也通過油壓打開進(jìn)氣閥。在生產(chǎn)中的 用氣量是時(shí)常變化的,這就導(dǎo)致了空氣壓縮

29、機(jī)頻繁的卸載和加載,這對空氣壓縮 機(jī)、電動(dòng)機(jī)和電網(wǎng)造成很大的沖擊。當(dāng)空氣壓縮機(jī)卸荷運(yùn)行時(shí),不產(chǎn)生壓縮空氣,電動(dòng)機(jī)處于空載狀態(tài),其用電 量為滿負(fù)載的 60%左右。這部分電能被白白浪費(fèi)。在這種情況下,對其進(jìn)行變頻改 造是非常必要的。3.2螺桿空壓機(jī)變頻控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)一般來說,變頻技術(shù)能夠通過控制螺桿壓縮機(jī)內(nèi)的電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速,來改變壓 縮機(jī)主機(jī)的速度來,將壓縮空氣的供氣與用氣相匹配,這樣可以使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定 系統(tǒng)壓力,電流流量負(fù)荷降低。采用變頻控制技術(shù)不僅有利于生產(chǎn)設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn) 行,更可以得到較好的節(jié)能效果。本文設(shè)計(jì)的變頻控制系統(tǒng)的硬件組成主要有以下幾個(gè)部分:智能 PID 控制器、 電源切換柜、傳感器、變

30、頻器和空氣壓縮機(jī)組成。在變頻系統(tǒng)中安裝電源切換柜, 主要是為了加大系統(tǒng)安全系數(shù)。當(dāng)變頻系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí),仍能保證空氣壓縮機(jī)的 正常運(yùn)行;變頻器的主要作用就是控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速,實(shí)現(xiàn)變頻節(jié)能技術(shù);壓力傳 感器的作用主要就是監(jiān)控氣體的壓力;智能 PID 控制器主要作用是,通過相關(guān)算 法保持系統(tǒng)輸出的氣體壓力恒定 7。12 圖 3.1 系統(tǒng)組成框圖變頻控制系統(tǒng)是通過安裝在壓縮空氣系統(tǒng)總管上的壓力傳感器檢測到系統(tǒng)壓 力的變化傳給 PID 控制器, PID 控制器按照設(shè)定壓力輸出一個(gè)電流信號(hào)送到變頻器。 當(dāng)壓力傳感器檢測到的壓力信號(hào)大于目標(biāo)壓力設(shè)定值時(shí), PID 控制器輸出的信號(hào)減 弱,使變頻器輸出頻率降低,

31、空氣壓縮機(jī)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低,輸送到管網(wǎng)的氣量減 少,系統(tǒng)壓力降低;當(dāng)壓力傳感器檢測劍的壓力信號(hào)小于目標(biāo)壓力設(shè)定值時(shí), PID 控制器輸出的信號(hào)增強(qiáng),使變頻器輸出頻率增加,空氣壓縮機(jī)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速上升, 空氣壓縮機(jī)輸送到管刪的氣量增加,系統(tǒng)壓力升高,從而達(dá)到穩(wěn)定系統(tǒng)壓力的目 的。空壓機(jī)變頻控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和電源頻率的關(guān)系可由式 3.1表示:psfn /1(60-=(3.1 式中: n電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速;s電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差率;f電源頻率;p電動(dòng)機(jī)極對數(shù)。(1 PID 控制基本原理PID 控制器由比例單元, 積分單元, 和微分單元組成。 它結(jié)構(gòu)簡單、 穩(wěn)定性好、 工作可靠、調(diào)整方便。 PID 控制器的結(jié)構(gòu)框圖如圖 3.2

32、所示1314 圖 3.2 PID系統(tǒng)框圖其中 r(t為給定值, e(t為偏差值, u(t為控制值。PID 控制器根據(jù)給定值 r(t與實(shí)際輸出值 c(t相減構(gòu)成的控制偏差 e(t( ( ( e t r t c t =- (3.2將式 (3.2中的控制偏差 e(t與比例環(huán)節(jié) P ,積分環(huán)節(jié) I 和微分環(huán)節(jié) D 通過線 性組合構(gòu)成控制量輸出 u (t ,對被控對象進(jìn)行控制,故稱為 PID 控制器。其控制 規(guī)律為:(01( ( D P t I T de t u t K e t dt T e t dt =+ (3.3 其中 I T , D T 為積分時(shí)間和微分時(shí)間, P K 為比例系數(shù)。 這三個(gè)參數(shù)的取

33、值優(yōu)劣 將影響到 PID 控制系統(tǒng)的控制效果的好壞。(2 PID 控制器各參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響 1比例增益 P K 的作用是為了及時(shí)的反映控制系統(tǒng)的偏差信號(hào),一旦系統(tǒng)出現(xiàn) 了偏差,比例調(diào)節(jié)作用立即產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用,使系統(tǒng)偏差快速減小。增大 P K , PID 控制器可以加快調(diào)節(jié),但是過大的比例增益會(huì)使調(diào)節(jié)過程出現(xiàn)較大的超調(diào)量,降 低系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 2積分環(huán)節(jié)的引用是為了消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差,提高系統(tǒng)的無差度,以保證實(shí) 際值對設(shè)定值的無靜差跟蹤。但積分環(huán)節(jié)的引入會(huì)使系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)變慢。實(shí)際中, 積分作用常與另外兩種調(diào)節(jié)規(guī)律結(jié)合,組成 PI 控制器或者 PID 控制器。 3微分環(huán)節(jié)作用的引入,主要是為了改善

34、控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度和穩(wěn)定性。微 分作用能反映系統(tǒng)偏差的變化規(guī)律,預(yù)見偏差變化的趨勢,因此能產(chǎn)生超前的控 制作用。微分作用的強(qiáng)弱取決于微分時(shí)間 D T 的大小, D T 越大,微分作用越強(qiáng),反 之則越弱。(3智能 PID 控制器設(shè)計(jì)本文設(shè)計(jì)的智能 PID 控制器的主要特點(diǎn)就是相關(guān)參數(shù)可變。為了保持系統(tǒng)輸 出壓力的恒定,當(dāng)壓力偏差很大時(shí),采用比例 P 控制,讓實(shí)際值快速趨近給定值, 增強(qiáng)系統(tǒng)的快速性;而當(dāng)壓力偏差很小的時(shí)候,采用 PI 聯(lián)用控制,增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn) 定性,抑制超調(diào)。系統(tǒng)框圖如圖 3.3所示。 圖 3.3 系統(tǒng)框圖系統(tǒng)程序邏輯框圖如圖 3.4所示。 圖 3.4 程序框圖3.3 變速驅(qū)動(dòng)空壓

35、機(jī)能效特點(diǎn)空壓機(jī)的轉(zhuǎn)矩負(fù)載在工作過程中比較恒定。因此,當(dāng)空氣壓縮機(jī)內(nèi)的電動(dòng)機(jī) 的功率與轉(zhuǎn)速呈近似一次方的關(guān)系時(shí),其消耗功率和負(fù)荷百分比的變化曲線如圖 3.5所示。15 圖 3.5 變頻控制空氣壓縮機(jī)負(fù)荷功率對比曲線由于變速驅(qū)動(dòng)過程存在一些內(nèi)在損耗,因此變速驅(qū)動(dòng)控制模式在負(fù)荷變化較 大且很少處于滿載狀態(tài)的單個(gè)壓縮機(jī)應(yīng)用場合工作效果最佳。在多級(jí)壓縮機(jī)應(yīng)用 場合,變速控制壓縮機(jī)應(yīng)當(dāng)只作為調(diào)節(jié)壓縮機(jī)使用。針對本文而言,本文的壓縮 機(jī)不屬于多級(jí)壓縮機(jī),所以應(yīng)用起來比較適合。164 空壓機(jī)變頻改造實(shí)現(xiàn)4.1 硬件選擇空壓機(jī)冷卻系統(tǒng)水泵控制系統(tǒng)使用的三菱 FX2N-64MR-001型可編程控制器, 外加了一

36、模擬量輸入模塊 FX2N-4AD-PT 。 壓力表選擇了磁助電接點(diǎn)壓力表, 量程為 01.6Mpa。水泵變頻器選用了三墾品牌風(fēng)機(jī)水泵專用變頻器,在型號(hào)和功率選擇 方面考慮可能性的重載而選擇了 SANKEN SHF-15K,功率為 15KW 。其它控制元器 件如斷路器、接觸器、熱繼電器和中間繼電器均選擇西門子產(chǎn)品,其它部分元器 件如隔離開關(guān)、電度計(jì)量表和保險(xiǎn)等選擇國內(nèi)正泰產(chǎn)品。4.2 電氣原理圖的繪制選用了 AUTOCAD2004畫圖軟件畫制了電氣原理圖,詳見附件一的電氣接線圖, 在設(shè)計(jì)上為了控制能耗情況而設(shè)計(jì)了電能計(jì)量表,第二臺(tái)水泵現(xiàn)采用工頻控制, 預(yù)留安裝變頻器控制的空間,內(nèi)含有水池冷卻塔控

37、制電源,同時(shí)在第一臺(tái)變頻器 控制水泵留有工頻控制功能。詳見圖 4.1電氣原理圖。 2#泵變頻控制1#水泵變頻控制 工 頻 互 鎖 變 頻 互 鎖 啟 動(dòng) 停 止 停 止 啟 動(dòng) 2#風(fēng)扇說明:1、本柜中使用三菱 2、本控制單獨(dú)啟動(dòng)按鈕,1#水泵的運(yùn)行狀態(tài)為運(yùn)行方式旋鈕控制,2#水泵為工頻 。正常按需要開啟1#和2#水泵,3#為備用。 3、1#水泵變頻控制中的運(yùn)行頻率按照水管壓力和水溫來調(diào)節(jié),如水管中的壓力低(電極點(diǎn)壓力表信號(hào)或進(jìn)水管中的溫度高 ( ,20攝氏度 以低速(25運(yùn)行,其它運(yùn)行在中速(40 4、風(fēng)扇為工頻運(yùn)行方式。水溫過高時(shí)將報(bào)警來提示開風(fēng)扇向 運(yùn) 轉(zhuǎn) 速 運(yùn) 行 速 運(yùn) 行 速 運(yùn)

38、 行速 運(yùn) 行 速 運(yùn) 行 速 運(yùn) 行 向 運(yùn) 轉(zhuǎn) 柜 體 風(fēng) 扇工 頻 電 源 工 頻 電 源 變 頻 電 源 頻 電 源 電 源 電源變換器 5水 壓 信 號(hào) 上 變 頻 互 鎖 工 頻 互 鎖 變 頻 運(yùn) 行工 頻 運(yùn) 行 變 頻 運(yùn) 行工 頻 運(yùn) 行 泵 電 源頻 電 源 泵頻 電 源 報(bào) 警1#風(fēng) 扇 1#風(fēng)扇控制 扇 運(yùn) 行 扇 運(yùn) 行 2#風(fēng)扇控制 體 風(fēng) 扇 運(yùn)行方式1#風(fēng)扇水 池 溫 度 管 道 溫 度 水 壓 信 號(hào) 下 工 頻 信 號(hào) 水溫信號(hào)2#風(fēng)扇控制風(fēng) 扇 運(yùn) 行 風(fēng) 扇 運(yùn) 行 1#風(fēng)扇控制 工 頻 信 號(hào) 管 道 溫 度工 頻 信 號(hào)啟 動(dòng) 停 止 停 止 啟

39、動(dòng) 啟 動(dòng) 停 止 備 用頻 狀 態(tài) 狀 態(tài) 變 頻 電 源 工 頻 電 源 2#風(fēng) 扇 3#水 泵水 壓 信 號(hào) 下 水 壓 信 號(hào) 上圖 4.1 電氣原理圖4.3 可編程控制器程序的編寫在可編程 控 制器的 程序 編 寫中, 使 用了三菱公司 較新的 編程軟件:GX DEVELOPER 。其具有較強(qiáng)大的功能,具有檢測程序?qū)Ψ窈图m錯(cuò)功能,可在線運(yùn)行觀 察。在設(shè)制控制變頻器運(yùn)行中,對變頻器設(shè)立了三檔,由可編程控制器對變頻器 進(jìn)行控制及切換。其規(guī)定是按照程序設(shè)定的要求,管道內(nèi)冷卻水如超過第三檔則 停機(jī)開另一臺(tái)工頻水泵,如低于第一檔則停機(jī),具體設(shè)定如下:(1變頻器低速檔:進(jìn)水總管內(nèi)溫度低于 20或回水總管內(nèi)溫度低于 26 或進(jìn)水