PLC暨变频调速在凉水塔风机集群化控制上的应用.pdf

P L C暨变频调速在． 京 水塔冈机 集群化控制上的应甩 杨永林 中原石 油化 工 有 限责任 公 司 [ 摘要] 介绍 了一种以P L C为控制中心，将 变频器、智能温度控制器和常规工业控制系统组成的一个 集t ,．t - -T - 业控 制 系统 ，使 生产过程实现 了稳 定化和智 能化 。 关键 词变频调速P L C 软 失速集群化工业控制 0 引言 恒温 控制是化 工厂的基础 ，循环 水稳定 的温度 是工艺 恒温的保 障，因此，凉水塔 在化工 厂水温控 制中具有极其重要 的作用 。我 单位循环水 系统共有 凉水塔风机 9台，其中 8台为 l 6 0 k W，l台为 2 0 0 k W 。 由于风机功率太大， 启动 l台风机温度将降低 2℃， 而工艺要求温度变化及波动不能超过 l ℃，因而，即 使 正常开停 风机对 工艺影 响也 较大 。 有时， 多开 l 台风机温度较低 ，不开又满 足不了生产要 求，特 别 是在春秋季 节，更是如此 。为满足生产 常常 多开风 机 ，造成 了能源 的浪费 。为此，我们提 出了对凉水 塔风机 进 行变频 调速 改造 。 1 技术参数 1 ． 1 F - 1 0 0 1 A- H 1 风机型号L F 8 5 I I A， 叶轮直径8 5 3 4 mm； 风机转速 1 4 9 r ／ mi n ；风量2 7 3l 0 4 m ／ h 9 。 。 2电机型号Y3 l 5 M2 4 W；功率l 6 0 k W； 转速l 4 7 0 r ／ rai n ；电压3 8 0 V；额定 电流2 8 9 A。 1 ． 2 F ． 1 0 0 1 I 1 风机型号L 9 2 D；叶轮直径9 1 4 0 mm；叶 轮转速1 2 7 r ／ mi n ；叶轮安装角调节范围1 3 。～l 7 。 ； 叶 片数量 l 0片；叶片安装角度 为 l 6。 时，风量 3 l 5 X l 0 4 m ／ h ；轴功率l 7 3 k W。 2 电机 型号 Y 3 1 5 L 2 - 4 L W； 同步转速 1 5 0 0 r ／ rai n ； 收稿 日期 2 0 0 4 - 0 4 - 1 5 作者简介杨永林 1 9 6 9 ，男，高级工程师，主要从事电 气自动化及电气运行等方面的工作 。 额定功率 2 0 0 k W；工作频率 5 0 Hz 。 4年来每 月平均 开机 台数如图 1 。 开 机 台数 图1 凉水塔风机运行台数曲线图 2 技术分析 2 ． 1改造中需要特别注意的部分 凉水塔风机和其他负荷有很大不同，主要是停车 状态的凉水塔风机在风力、热力等 因素的作用下会 自 转，转速有时还很高，电机轴转速经常在 2 0 0 r ／ mi n左 右 。另外 ，在运行状 态时，如果发 生电 网瞬 间失电 俗 称晃电 ，若小于 l s ，交流接触 器常因剩磁等原 因还没等 断开又得 电了，使 电机在 其惰行状态二次 开车， 这 将对供 电 回路产 生影 响 。我们 这里经 常发 生这 样 的现 象 晃 电后 交流 接触器 不跳 ，来 电后 为 其供 电的断路 器跳开 。这一现象就是 电机 自转和惰 行造成的断路 器过电流所 引起的 。若 不解 决这个问 题 ，改 为变频 调速后，将对 变频器启动很 不利，甚 至烧坏 变频器 。这是有 自转现象的 电机 改为变频调 速控 制必 须考 虑 的问题 。 2 0 0 5 年 1 期 四衄2 1 维普资讯 变 频 技 z g 2 ． 2 必要性 1 生产要求。由运行历史资料可知全年 8个 月 为非全开车状态，6月到 8月风机全部 开车 ，2月 份基本不开。单机风量为 2 7 3l 0 4 m ／ h 9 。 F l 0 0 l A． H和 3 l 5l 0 4 m ／ h F ． 1 0 0 l I 。因而，在 春秋季， 系统开 、停任何 l台风机， 都必然对水温 造成 波动，所 以， 为确 保水温稳 定，进行调 速改造 很 有必 要 。 2节能。对于离心式风机， 当风机转速从 n变 到 n 后，其风量 Q、风压 Ⅳ及轴功率 P的变化关系 分别是Q Q I n ；I T H n I n ； P P n I n 。 即风 量 与 转 速 成 正 比 ， 风 压 与 转 速 平 方 成 正 比 ， 轴 功 率与 转 速立 方成 正 比。 图 2为风 机 的特 性 曲 线 。 1 2 0 图2 风机的特性曲线 在图 2中，曲线 l为恒速下风压风量 ． Q特 性曲线，曲线 2为恒速下功率风量 P． Q特性曲线， 曲线 3为风 阻特 性曲线。假设 曲线 l与 曲线 3的交 叉点 A为设计效率最高点，输出风量 Q 为 l 0 0 ％ ， 此时轴功率 P 。 与 Q。 、Ⅳ。 的乘积 面积 Ⅳ． O Q． 成正 比。若根 据生产 工艺需 要，需要减 少风量 时 比如 从 Q． 减 为 Q， ，由于对大型凉水塔来说，风 阻特性曲 线 3一般是不变的 ，则只有降低转速 比如降为速 度 n ， 运 行， 画出其风 压 一 风量特 性曲线 4 。可见， 在满足风量 Q， 时，风压 ， 也 大幅度 降低，功率 P 相 当于面积 H， 0Q， 也显著降低，所 以，采用调 速控 制风机 ，经 济效益 显著 。 2 ． 3基本控制方式的选择 中原乙烯在建厂初期曾经设计了 F ． 1 0 0 l H风机 的滑差调速控制 ，但 由于设备安 装后 一直调试不 成 功 而 废弃 其 中一个 原 因就 是 前 面提 到 的风 机 自 转 ，所 以基本 方案我 们定 为采用 变频调 速进 行控 制 。 2 ． 4改造台数 由于 单机风量属 于 中等， 全部改 为变频调速 没 有必要 ，而只 改 1台对温 度 的调整不 一定见 效 果， 2 2四圆2 0 0 5 年 1 期 所以，我们决定改 2台。由于 2 0 0 k W 较 l 6 0 k W 变频 器的价格高得多，再加上应考虑备件通用等原因， 所以 我们只对 l 6 0 k W 的2台风机 F l 0 0 l A和 F l 0 0 l H 进行 改造 。 2 ． 5总体技术要求 1 F ． 1 0 0 l A和 F 1 0 0 l H能实现 0～5 0 Hz的平稳 调速。 2P l 0 0 l A和 P l 0 0 l H能实现 自动和手动 切换 ，在 自动状 态实现恒温 控制，在手动状 态实现 工艺特殊 温度要求 。 3 当变频器 出现故 障时， 可 以 方便切 回到 原来 控 制 方式 ， 由原 控 制 回路 控 制 风 机 电机运 转， 以不 影 响生产 。 4对其他 7台没进 行 改造 的工频 风 机 进行 逻 辑 控 制， 以实 现全 部 风 机 自动化 、智能 化， 达 到恒温 控制 。 5其他 工频 电机 能 够 随 时退 出 自动 模 式 ， 以便 当设备 出现故 障时， 能方便 、及 时地退 出来进行 检修 。 6 工艺操 作尽 可 能 简便 。 3 方案确立及初步设计 我们设计 出的总体 方案如 图 3。 控制器 l l系统 学 该方案是以 PLC为控 制中心，将变频器 、智能 温度控 制器和原工 控系统组成 的一个集群化控 制体 系 。 正 常状况下，变频器受 P LC、温度 控制器 和现 场操 作指令 控制；P LC 受温度控制器和现场操作指 令 控制， 同时处 理来 自变频器 的信号 ；温度控制器 受温度传感器 P t l 0 0控制 。温度传感器 、温度控制 器以及变频器故 障状态下 ，变频器所带 电机 受原控 制回路 控制 。 其他 7台工频机 自动时 受 P LC控制，手动时受 原控制回路控制， 自动状态，PLC可以根据温度状 况选择 7台工频机 的启停 。 自动状态下，如果水温超过设定温度，首先 P L C 控制变频器 先升频 以增 加转 速， 当升到 变频 器最高 设 定点 5 0 H z一段 时间后 ，若 水温还没达到设 定温 度，则通过 PLC启动 l台工频风机，设定时间内若 水温 还降 不到设 定温度 ，则 再启动 l台工频风 机， 直到 达 到 设定 温度 ，或 者 将所 有 备 用风 机 全部 启 动。同样 ，若水温低于设定 温度，则 P LC先控制变 维普资讯 变 频 技 术 频器降 频， 当降到设 定的最低频 率一段时 间后，如 果实际温度还低，此时，若有工频风机运行，则逐 台减少工频风 机，直到达 到设定温 度；若没有 工频 风机运行， 则变频风机停运 1台。必要 时变频风机 也可 以反 转 。 由于风机带有减速箱，不能超速运行，所 以，不 设置风 机超过 工频 运行 。 4选材 ⑥有 良好软 件支持 和宽松 的开发平 台； ⑦具 有掉电 保护功能 ，掉 电后保存 数据 时间不少 于 7天；⑧运 行可 靠性 高； ⑨操 作简便 。 3智能温度控制器 的技术要求 ①具 有 良好 的 P I D控制功能，对设定 的 P 比例带 、 I 积分 时间 、D 微分时间 要有稳定的控制输出；②要 有常规通讯 接 口，且 支持通用协议 ；③具有 自动 演 算功能；④能 自主校正 S T ；⑤具有数据锁功能； ⑥具有 超 限报 警功能 。 4 ． 1 选材的技术要求 4 ． 2 材料选择 一 般 在 自动 化 改造 选 材 时都 要 遵 循 “ 切合 实 际 、满 足功能 、简 易操 作、安全 可靠 、性能 稳定 ” 的原 则 。这 就 要在 具体 线 路设 计 之 前提 出技 术 要 求 。 为此， 笔者 根据 设计结 构 图和 生产 实际 情况 ， 对变频器 、P LC和温度控制器 3个主要部件提 出如 下技术 要 求 1 变频器 的技术要求①符合行业相关标准； ②调频范围要宽，能实现 0～5 0 HZ连续调频③响 应 要迅速；④要有 良好 的转矩特 性； ④要能 即插 即 用，后期设置尽量 少；⑥要具有 灵活 性，能进行 必 要 的运 行方式切换； ⑦能进行矢量控 制；⑧要具有 可扩展 性；有 良好 的通信 功能，能支持 常规通讯协 议； ⑨要具 有 自动跟 随功 能、抗晃 电能 力强 、软失 速 控制； ⑩散热 性能 要好 。 2P L C编程器的技术要 求①具有至少 1 0个 输入 9个输出数字量 I ／ O接点；②具有高性价比；④ 具有 良好的通信 功能，能支持 常规通讯 协议 ④具 有 良好的扩展 功能； ⑤属于新版本，5年内不过 时 在 这次改造 中，根 据技术要 求、生产 实际和 改 造 指导思 想， 提 出了 以下的材 料选型 。 1 变频器 我们采 用性能较好 的 TOSHI BA TOS VERT VF． A7。 2 P L C P L C选择 S I MA T I C S 7 ． 2 0 0 。 3智能化温控器 温控器属于直接指令来源， 选择 了日本理化的 CD9 0 1 。 5 系统设计 系统控 制原理 图如 图 4，凉水塔 工频风 机 自选 启动控制原 理图如 图 5，凉水塔 变频调速 电机主接 线 图如 图 6。 5 ． 1 电源回路’ 整个控制系统 由 1台 1 k VA的在线式 UP S供电。 5 ． 2温度采集信号 由循环水出 口阀温度计 引入，型号P t 1 0 0 ，属 于0～5 V 电压信号。 图4 P L C控制凉水塔变频调速系统原理图 Pt l 0 0- 1 Pt l O o ． 2 Pt l 0 0- 3 V I 2 0 0 5 年 1 期 四圆2 3 维普资讯 变 频 技 术 F R 注虚线框内为改造新增部分 图5 凉水塔工频风机自选启动控制原理图 新 增 反转 KM 2 图 6 凉水塔变频调速电机主接线图 5 ． 3温度控制器部分 温度处理在温度控制器 内进行 。经过 P I D处理， 发 出2个开关量信号，通过其 7 、8 、9端子送给 P L C 的 1 ． 0 、1 ． 1和 L 端子。 从温度控制器 的 5和 6端子引出一个 42 0 mA 的电流信号 ，2只并联的 l k Q电阻分 别接在 2台变 频器的 VI 和 C C之间，这样就在 VI 和 CC之间产生 了 2～l 0 V 电压信号， 以此来控制变频器的频率高 低 。 5 ． 4PL C P L C的电源端子 L1 、N直接接至 2 2 0 V UP S电 源上。输出电源端子 1 L、2 L也直接接 2 2 0 V交流电 源 。 P L C的输入端子 0 ． 1 ～0 ． 7分别接 1个经验数据预 给量 的开关，共 7个。Kn的 代表有几 台工频风机 预置 开车 。比如5月份 ，根据 以往经验 这个 月份 需要开 7台风机，除去 2台调频 电机， 还需要再开 5台工频电机。于是在开车前就要把 K5闭合。当启 动开车后，F - 1 O O 1 - B、C、D、E 、F共 5台风机间隔 2 4 四囡豳 2 0 0 5 年1 期 2 mi n顺序 自动开车。然后 P L C再根据温度控制器发 的信号进行 控制 。如果温 度还 高，就再 增开风机 ； 如果温度低 了，就减风机 。这样可 以大大缩短启动 平稳 时 间。 P LC的输 出端子 O ． O～0 ． 6分别接 1个 中间继 电 器，通过其 常开 接点 J 代表要控制 的那 台工频 机 分 别控制 7台工频机 的开停 。 P L C的 1 ． 1 端子和变频器的C C1 、C C 2 ．1 C C、2 C C 作为电源公共端 。这样有利于系统稳定，便于控制。 P L C的 3 L端子为自控输 出端子，用于 自动状态 下去控制 变频器进行调频 。实际上 3 L与 1 ． 1端子之 间相当于 1个开关量，由 P L C控制该开关量的通断。 当它为通 时， 变频器 驱动电机正转 ；断开 时，变频 器 降频直 至 电机停 止 。 5 ．5变频器 在变频器设置中将 F 1 O 3设置为O ，相当于 S T- C C 之 间随时可 以根据 开车指令而 短路 ，使变频 器时刻 处 于待令 运 转状 态 。 从 T OS VE RT VF - A7基本工作原理可知①当 F C C之间短路时，变频器驱动电机正转， 开路时减 频直至停止 ；②当 R- cc之 间短路 时，变频器驱动 电机反转，开路时减频直至停止；③ 当RES CC之 间处于短 路时，可进 行变频调速保 护功能动 作时的 复位，而且 当变频器正 常时，即使 RES - CC之间被 短路也不动作；④ S 1 ． CC之间短路 时，可 以升频； ⑤ S 2 - CC之 间短路时，可 以降频。 下 面 我 们具 体 解 析 图 中变 频 器部 分 的 动 作原 理 仅 以变频器 1为例 ， 变频器 2与 之相 同 ① 当 S A打至 ”手动 ” 状态时，按下 F s 1 按钮，F K1吸 合，则 F K 1的常开接点把变频器 1的 F端子与 cC 接通 ，变频 器开 始正转 升频 ，直 至达到设 定频 率 。 按下 S T1按钮 ，则开始减速，直到停止 。如果按下 RS1按钮，则反转升频，按 下 S T1按钮，则开始减 速直至 停止 。手动 状态还 可 以通过按 下 UP 1启动 变频器 多段速 运转而 升频， 按下 DO 1则 降频 。 ② 在 “ 自动”状态时，K 1 、K2闭合，KH 1的常闭接 点闭合，PLC根据 温度控制 器发来 的信号 控制 3 L 与 1 ． 1端子之间的开关量 。当接通时，相 当于 1 F与 cc之 间接通， 变频器驱 动 电机开 始正转 。③得 电 后 F L A因与 2 4 V短 接而使 RUN1亮灯指示得 电。④ 当变频器故障时，FL A与 F LC接通，G1 报 警灯 亮 而示警。⑤ K1 线路上的 KH1的常闭接点的作用是 当手动 时， 隔离 开两个 变频器 。 如果没这 个接 点， 则当手动 时，若 K1 、K2都处于闭合状 态，启动一 台变频器正转 ，则另外一 台也会 因 F端子与 CC接 通而升速 正转。⑥ AM 作为模拟量输 出到 数字 电流 表进 行电流显 示 。FM 作 为模拟量输 出到数字频率 维普资讯 表 1 变频器设置表 壁兰墨 l R Ul 自 动加 ／ 减 速 设定参数 设定参数说明 参数设定原因分析说明 1 自动加 ， 减速 2 RU 2 自动控制0 自动控制解除 3 CNOD 指令模式选择 0 端子输八有效 4 F N OD速度指令选择1 VI 输人电压信号 5 F NSL 6 F N 7 TYP 8 F R 9 ACC l O DFC Il F H 与P ／V l 端子的 测量 十 连接选择 与 F M端子连 接仪表调整 标准出厂设定 选 择正反 转 加速时间 减速时间 量大频率 I 2 uL 上限频率 l 3 L L 下限额率 I 4 P T V／ F控制选择 0 运转频率 0 没 定 义 1 5 0 Hz 标 准 设定 0 正转 8 O 启动时间8 0 s 8 O 停车时间 5 0 变频器量大 升速频率 由于电机情行和自转对变频器影 响很大。选择1 ，让变频器 自动跟 踪，以决定控制方式。当空转时， 变频器首先发出一个低电压，去 跟踪设备转速，当检测出来的电 流量小时、认为当时的频率就是 电机空转速度和相应频率。在这 个速度下再根据要求加减频率即 可。这样就解决了自转对变频器 的影响。 由銮频器根据情况随时变化控制 方式。 凉水塔 风机 的控制在水气控制 室，而变频器在变电所，只有选 择0 、 让输八端子有效， 即控制室 控制盘有效，才能方便开车，满 足工艺开车需要 来 自温控器的4～2 0 mADC 电 流、用2只并联的 l KQ电阻进行 分压，取其电压信号将 2个并列 电压信号分送给 2台变频器。 若用I I 端子，则需要将电流串联 使用，才能满足 2台设备用一个 信号。若其中 1 台设备停运，则 因为信号中断而使另一台也不能 采集到温控器发的指令，当然就 不会执行，实现不了工艺所要求 的频率改变。 因为接的表计是数字显示频率表 自动 因为我们的电网是 5 0 H z的 标准定义 现场开车时测定 现场停车测定 风机系统带减速齿轮箱，升速超 过 5 0 Hz ，将对齿轮箱不利 5 O 变额器自 动升速 风机系统带减速齿轮箱，升速超 最 高I页 率 过 5 0 H z ，将对齿轮箱不利 l 0 变 颡器自动 下限目的是过低速运转没有实际 升速最低频率 意义。电机发热很重要 1 5 L IB 手动转矩提升量 1 5 I 6 OL N 电子过热保护 继电器保护 1 特性选择 7 F 3 0 1 无跳闸强化设定 3 其他均是出厂标准设定值 平方转矩特性负载 凉水塔风机属于平方转矩特性负 载 。 手动转矩提升量估算、观察值 标准电机需要过由于风机特殊性，需要有过载保 载和过载软失速 护和软失速保护。 保护 软失速保护当变频器监测到过 载 时， 可 以 在 电机 过载 跳 闸 OL N T之前 自 动降低输出频率。 利用本功能可在负荷电流保持平 衡的频率下不必跳闸而继续运转。 瞬停再启动 由于经常性的晃电．当S T在开 ／ 控制选择 关时且 允许瞬时再启动 时起 作 用，以减少晃电带来的危害 表 进 行频 率 的及 时显 示 。 5 ． 6变频器控制电机主接线部分 为了保证 变频器 故障状 态下不影 响生产，我 们 在 变频器 回路和 电机 原控制 回路 之间增加 了一个三 刀双掷开关 K，正常时 K 投在上侧变频器 回路， 由 变频器 控制电机 的运 行； 当变频器 回路故 障时，将 K 投到下侧 原控 制 回路， 电机 由原 回路进 行控制 。 6 安装调试 设备 安装非 常简单， 关键 是调试 ，需要根据现 场情 况 以及 工艺 现场要 求进 行参 数的整定 和修 改 。 在 VF A7变频器 中，给定 了很多参数 、十几种控制 方案供选择使 用，但是 ，要采用哪种 方案则需根据 实际调试使 用 。我们对 各种参数进 行了分析，最后 定下 了一套 比较完善 的设 定参数和控 制方案 。具体 参数如 下 1变频器的设置见表 l 。 2 温度计的设置。上限AL1 S V 0 ． 3 ℃ 下限 A L 2 S V 一 0 ． 3 ℃ AT0 0 P 2 1 21 0 D0 AR1 0 0 PB0 LCK1 0 0 0 3几种运 行方式 切换 。在调试过 程 中，对各 种 切换进 行 了调试 ，均可 以正 常切换 。 7 结束语 2 0 0 2年 6月设备正式投运。自投运以来，有4天 阴雨，环境温度不是太高，风机没有全开。这期间， 变频器一般在低于 5 0 Hz 运行， 大部分时间在 3 0 Hz左 右 。自动、随动性能很好 。水温稳定在 2 6℃，偏差 在 0 ． 3 ℃以内。P L C对工频机 的切换也很正常。循环 水温 度 实现 了 自动 控 制， 预 期 设计 要 求全 部达 到 。 运行表明，当频率为 3 0 Hz时，电流只有 1 0 0 A左右， 照这样计算，2台风机每天可节约电 3 6 0 0多k Wh 。 当年就可 以收 回全 部投资 。实践 证 明，这 次改造是 成 功 的。 参考文献 [ 1 】 廖常初． P L G模拟量输入模块的选择与设置． 重庆 电工 技术 ，2 0 0 3 9 3 9 4 0 PL C Fr e q u e n c y Ch a n g e Sp e e d Re g u l a t i on Us e d i n Ce n t r a l i z e d Co n t r o I o f CO 0 I W a t e r T o we r F a n Ya n g Yo n g l i n Z h o n g y u a n P e t r o c h e mic a l C o ． ， L t d ． [ A b s t r a c t ]T h i s p a p e r i n t r o d u c e s a c e n t r a l i z e d i n d u s t n a l c o n t r o l s y s t e m wit h P L C a s c o n t r o l cen t e r ，wh i c h a I l o w f r e q u e n c y c h a n g e r - i n t e l l i g e n t t e mp e r a t u r e c o n t r o l l e r a n d c o n v e n t i o n a l i n d u s t r i a l co n t r o l s y s t e m t o b e c o mb i n e d i n t o a c e n t r a l i z e d i n d u s t r i a l c o n t r o l s y s t e m， ma k i n g i t p o s s i b l e t o r e a l i z e a s t a b i l i z e d a n d i n t e l l i g e n t p r o c e s s o f p r o d u c t i o n ． Ke y Wo r d s F r e q u e n c y c h a n g eS p e e d r e g u la t i o n PL C S o f t s t a l l Ce n t r a l i z e d i n d u s t r i a l c o n t r o l 2 0 0 5 年 1 期四圆2 5 维普资讯