基于PLC和变频器的抽风系统节能改造.pdf

1 1 0 基于 P L C和变频器的抽风系统节能改造 基于 P L C和变频器的抽风系统节能改造 E n e r g y s a V j n g Re c o n s t r u c t i o n o f E x h a u s t e r S y s t e m B a s e d o n PL C a n d I n v e r t e r 陈文翔 许 力 浙江大学电气工程学院， 浙江 杭州 3 1 0 0 2 7 摘 要 针对改造前 未进 行调 压变速控制的 系统 中存在 的 电能浪 费， 介绍 了一种基 于 P L C、 变频 器与压 力变送 器的压 力 自动 控制 系统 ， 并应 用于袜机抽 风除尘 系统的节能改造 。最终 实现 了节能减排 的预 期 目标 ， 经现场运行数据统计 ， 节电效果能 够达到 3 0 ％左右。 关键词 P L C， 变频器， 抽风机 ， 调压 ， 节能 Ab st r ac t C o n t r a p o s e d t h e p o we r w a s t e in t h e t r a d it io n a l s y s t e m wit h o u t p r e s s u r e a d j u s t me n t a n d v a r i a b le s p e e d c o n t r o l ，t h is p a p er p r e s en t s a n en er gy-s av ing s ys t e m wit h a ut oma t ic pr es s u r e c on t r ol b as ed o n PL C， i n v e r t er a n d pr e s s u r e t r an s mit t er ， which ha s be e n app l i e d t o t h e r e c on s t r u ct i o n o f t h e h os ier y ma ch i n e de du s t in g s y s t em b y e xh a us t e r s ． Th e e n ha nc e d s y s - t e rn f ina l ly a ch i e v es t he e x pe c t e d goa l o f en er gy-s a v i n g a n d e mis s i o n r e duc t i o n． T h e e ff ec t c an b e almo s t 3 0 p er ce n t off ac c or ding t o f ield op er a t i o n d a t a． K e y wo r d s P L C， in v e rt e r ， e x h a u s t e r ， p r e s s u r e a d j u s t me n t ， e n e r g y - s a v i n g 大型织袜 生产 车间往往 几百台袜机共用一套除尘装置来过 滤含尘气 流 ，其 中抽风机是按 系统所需最大压力并考虑一定裕 量来选 型的。但是 多数情况下袜 机的实际台数要视车 间的具体 布局 而定 ， 而且一套 除尘装置下的袜机也不一定全 部一 齐工作 ， 所以实际运行 的负荷往往是 低于额定 值且不断变化 的。而改造 前 系统抽 风机恒定按 照额定 功率工作 ， 因此浪费了大量 电能 。 经 过改造后 的除尘 系统能够根 据抽 风管内压力变化情况 自动调节 抽风机转速 ， 从而保 证压力值稳定在期望 区间内 ， 进而改善 了生 产工 艺， 同时避免 了能源的浪费。 1 变频调速 改造理论依据 为了保证抽风管 网内的压力 稳定在某一范围 内，经常需要 人 为地对 风机工作状况进行调节 ， 改变风机 的工况点 。 工况点是 风机 性能曲线 与管网阻力性 能曲线的交点 ，所以改变风机性能 曲线 或管网阻力性 能曲线都 能够实现工况点 的转移 。尽管各种 方式都能 到达调节 风量 和压 力的 目的 ，但不 同的调节方法在调 压 范围 、 调压效 率上却有很 大差别 。 如 图 1 所示 离心式 风 机 各种 调 节方式 下 功耗 差别 ， 从 图中可知其 中变频 器控 制最为接近理想 曲线 ， 其 调节深度最大 ， 节能效 果 也 最 明显 】 。此 外 由 于变 频 调速方式在频率范 围 、 动 态 响应 、 低频转 速 、 转差 补偿 、 功率 因数 、 工作 效率等方 面 的也 具有巨大的优势 ， 因此 采 用变 频 调速 节 能是 除尘 风机 的最优选择 。 图 1 不同调节方式下功率消耗比较 9 8 5工程 三期 控 制工程综合科技创 新平 台 项 目 2抽风 系统项 目实施 2 ． 1抽风系统硬件设计 如图 2所示 ，首先压力变送器将抽风管 网内的压力转换 成 4 - 2 0 mA的电流信 号传 输给 A ／ D模 块 ，再 由 A ／ D模块负责将 模拟信号转换成 P L C可采样的数字信号。 P L C每隔一个控制周 期 检 测 抽 风 管 网 内 的压 力 ，与用户期 望值进行误 差 比较 和相 关计 算后 ， 输 出相应信 号调 整变频器 的 转速 ，由此形 成一个闭环 反馈控制 。变 频器作为执 行 机 构 在执 行 P L C命 令 的同时将 部分 运行 信息 反 馈给 P L C处理 。 { 图 形 操 } P L C I 』 作 终 端 I J ● - H 变 频 器 }异步电机I ’ 压力变送器 除尘装置 图 2 1 P L C选用三菱 F X l S系列 P L C， P L C 的 0作 为外部启 动／ 停止按钮输入 ， 1和 2分别输入变频器输 出频率到达 给定 值信号 和变频器故 障报警信 号 。输 出端 Y1 选择 变频器启动 方 向 ， Y 2 ～ Y 5组合 选择变频 器的 1 5段速 ，实现管 网 内的压力 调 节 。 2 A ／ D转换模块 选用与 P L C配套 的 F X 1 N一 2 A D模块 ， 将 4 ～ 2 0 mA电流信号转换为 0 - 2 0 0 0数字信号送入 P L C中。 3 图形操作终端 采用三菱 GT 1 0 2 0触摸 屏 ， 作为整 个系统 的人机交互设备 。 图形操作终端负责接受操作人员 的指令 、 修改 各项参数 以及监控 当前压力 、 频率等运行参数 。 4 变频器 选 用三菱 F R F 7 4 0 4 5 k W 型变频器 ， 按 照 P L C 的命令驱动电机并反馈运行状态信息 ，同时对 电机提供 电路保 护等功能 。 5 压力变送器 采 用 Y Y B R系列 压力变送器 ， 将管 网内的 幸 [ 、 膏费纂 工业控制计算机} 2 0 1 1 年第 2 4卷第 9 期 0 ． 1 6 k P a压 力值 的转换成 4 - 2 0 mA的电流信号。 2 ． 2 抽风系统软件设计 系 统软件设计 主要分 为 3个 模 块 参 数设定模块 、 密 码管理模块 以 及 自动运行模块 ， 触摸屏人机界面设 计 的菜单选择 按钮可实 现 3个模 块 之间 自由切换。 参数设定模块不仅包 括用 户期望压 力 区间 、采 样控制 周 期 、比例系数 等相关控制 参数 的设 定 ， 还将变频器每一段的频率值存 储 至 P L C的数据 寄存 器中 ，使 自动运 行时监控显示更加直观方便 。 如图 3 所示 ， 执行相关参数设定修改操作之 前必须先解除密码锁定 ， 这样既能防 止 误触 碰触 摸屏 引起 的参数 改 变 ， L 竺 鳖 塞 _ I 图 3 又能防止现场无关人员更改 系统参数 。 密码管理模块用于保护系统 相关操作信息 ， 防止现场车间工 人无意中更改相关参数设置而引起不必要的故 障。如图 4所示 ， 密码管理模块主要包括密码修改和密码状态更改等两大功能 ， 其 中超级密码作为后 台密码 ， 方便系统开发人员进行后期维护。 进 } 管蹦 模块 自动运行模块是整 个 系 统 节 能 改 造 的 核 心 ， 如 图 5所示 ， 自动运 行模 块主要负责压力采 样运算 、执行相应的变 频器 自动 控 制算法 ， 真 正实现抽风系统节能运 行 。 三菱 F R F 7 4 0型变 频 器 具 有 1 5段 恒 速 选 择功 能 ，通过设定每一 段 的频率 值可以满足生 产工 艺的要求 ，因此可 以通 过控 制变频器输出 1 5段 速对 应 的频 率 来 实现 转速调节。 自动运 行模块 根据系统实时风 压 值 来 调 整 变 频 器 的 1 5段 输 出 频率 以控 制 电机转 速 ，使 得系统风 压 维持 在 预期 范 围内 ， 图 4 图 5 从而实现了系统风压的 自适应控制 。 3改造效果分析 改造前每套 除尘 系统 驱动 1台 4 5 k W 的三相 异步电动机同 时对约 1 5 O台袜机进行 局部除尘 ，某 大型织袜厂共有 5 0套此 类除尘系统。 风机采用 高效 离心式风机 ， 但系统不具备管网内压 力调节能力 ，因此常有 系统压力 高于生 产所 需而导致 电能浪费 等现象发生。 此外所有交 流电动机直接启动 ， 产生的大电流对供 电电网和相关除尘设 备的冲击很大 ， 增加了设 备的维护费用 ， 同 时缩短了设 备的使用 寿命 。改造后 的系统经长 时间现场统计数 据分析 ， 各变 频器 均运行在 4 3 H z - 4 6 H z频率范 围内， 取平均值 4 4 ． 5 H z进行改造后功率 估算 ， P t／ P 。 7 0 ． 5 ％。节省了 2 9 ． 5 ％。一 般情况下 5 O套系统 2 4小时连续工作 ， 一天可节电约 5 0 4 5 2 42 9 ． 5 ％1 5 9 3 0度 ， 按 当地 工业用 电每度 0 ． 8元 计算 ， 每天 约可节省电费 1 5 9 3 0 0 ． 8 1 ． 2 7万元 ，短期内就 可收回改造成 本。此外 ， 采用变频调速还有下述其它优点【 ] 通过变频器 实现 了电机软起停 ， 起停过程平稳。 避免了工频 直接起动时大电流对 电网、负荷等 的冲击和停止 时对机械设备 的摩擦 冲击 ， 可 以减少设备 维护费用 ， 延长设备使用寿命 。 变频调 节风压变化平缓 ， 用风设备 压力变 化小 ， 减轻 了风道 振动和轴承的磨损 。 变频器完善的 自身保护功能可以对电机起到很好的保护作用。 功率因素接近 1 ， 从 而可减少无功电流和无功损耗 ， 显著提 高了系统效率 和节 电效果 。 提高了系统 自动化程度 ， 减轻 了现场工人的劳动强度 。 4结束 语 该 系统 已在某大型织袜厂 中运行使用一年有余 ， 稳 定可靠 ， 节能效 果显 著。加之该系统 自控水平较高 ， 适 应性 强 ， 可 以在现 有 的纺织厂 除尘设备 中广泛推广应用 。当然系统还有进一步改 进 的空 间，如通过变频器数字输入端 口定义模拟 电动 电位器作 为频率 给定 以实现 电机无级调速 ， 代替当前采用的 1 5段恒速选 择 ， 从而提升控制精度 ， 具有更 好的节能性能 。 参考文献 l 1 ] 胡炫 ， 朱虎 ， 杨 志 高压 变频器在发 电厂 引风机上的应用与节 能分析 [ J] ． 电机与控制应用 ， 2 0 1 0， 3 7 2 3 8 [ 2 ] 王洪平． 纺织厂风机节能降耗的途径[ J ] ． 国际纺织导报， 2 0 0 8 1 0 5 5 [ 3] Mi t s u b i s h i 三菱通用变频器使用手册[ M] [ 收稿 日期 2 0 1 1 ． 5 ． 1 1 ]