基于变频调速和PLC的风机控制系统研究(1).pdf

、1 lI5 出 基于变频调速和P L C 的风机控制系统研究 The r es ear ch o f f an con t r ol s ys t em based on f r equ enc y con ver s i on and PLC 朱秀斌 ZHU Xi u b i n 淄博职业学院，淄博 2 5 5 3 1 4 摘要节能问题已成为影响我国经济建设的关键问题，尤其在环境改造工程中 ，风机的变频控制 对于实现能源的节约与再利用起到非常关键的作用。通过P L _ C 来实现对风机的变频自动化控 制 ，从而实现生产的自动化及能源的节约化。本文就某钢厂除尘现场风机电气控制及PL C 控 制系统作了较为详细的论述。 关键词PL C；控制系统；风机 中图分类号T P 2 7 3 文献标识码 A D o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ J ． i s s n ． 1 0 0 9 -0 1 3 4 ． 2 0 1 1 ． 1 2 下 ． 2 4 0 引言 当今社会，风机设 备被广泛的应用于钢铁生 产 企业中，传统风机 的转速不能根据实际生产所 需 风量变化，而 是以设 定的速 度运行 的，这就使 得 很多能量被浪费 了。而随着经济的发展，节能 环 保已经成为越 来越被关注的问题，同时也是社 会 进步的基 本要求。因此 ，必须改变传统的风机 控 制方法 。风机变频调速是解决这个 问题的一个 行之 有效的办法，它是根据实 际生产情况来调节 风机 转速的，近年来这种方法在风机设计和改造 中也得到了广泛的应用 ⋯。 1 风机的节能机理 众 所周知，风机 的工作 点是 由风机的工作特 性 曲线和管网的特性 曲线共 同决定的，设此除尘 用风机原工作 点在 2 N 点 ，如 需减小流量 ，可采 用 阀门控制和变频调速控制两种方案来实现 。现 以除尘 改造工程 用风机 为例 ，根据管网特性 曲线 来分析风机 的实际工作点，如图 1 所示。 用 阀 门控制 减小 流量时 要关小 阀 门，此 时， 管 网阻力增 大，管 网特性 曲线从 1到 2 ，风压 从 日。 上升 到 ，流量从 Q 减小到 Q ，风机 的工作 点从 Ⅳ 点移到 Ⅳ 2 点。 用变频调速控制时，则可以改变风机的转速， 而机械 阀门开度 不变，管 网特性 曲线也不变。风 机 的工作特性取 决于转速 ，如果把转速降低 ，风 机特性 曲线将从 3到 4 ，风机工作工作 点将 从 』 V 点转移到 Ⅳ3 点，风压从 下降到 ，流量从 Q 也下降到 Q 。 文章编号1 0 0 9 -0 1 3 4 2 0 1 1 1 2 下 一0 0 6 9 0 3 H H2 H 1 H3 Q2 l Q 图 1 风机 变频调速节能原理 图 以上两种调节方式均可把流量从 Q。 调至 Q ， 但却得到两个不同的工作点 Ⅳ2 和 ，对应着两个 不同的工作压力 和 ，其压差值为 一 ， 这对用户来讲是多余的压力。 也就是说 ，用阀 门控制时有A P的功 率被 白 白浪费掉 了，而用变频调速控制时 ，根据 风机风 量、风压及功率的比例关 系，改变风机的转速 n ， 可使风机的流量 Q、风压 H和功率 P都随之相应 的改变 ，其关系式为 a Y 云n Y 1 1 l l 旦 1 H 11 , ／ ＼ 2 、 ． 1 J P P 鲁n ／1’ 3 ． ＼ lj J 收稿日期2 0 1 1 - 0 8 - 3 1 作者简介朱秀斌 1 9 7 6 一，男，山东莱少 ／I A，硕士 ，讲师，主要从事电子电气智能控制等方面的设计和研究。 第3 3 卷第1 2 期2 0 1 1 1 2 下 【 6 9 】 务I 匐 似 式中 n 、Q 、H1 、P 分别是条件 改变 后的风 机的转速、风量、风压、功率。 由以上关系可以 看 出，改变风机的转速 ，就可 以改变风机对应的 风量、风压及所耗功率 ，以满足除尘风量系统的 要求。由式 3 可知 ，风机消耗的功率是按照三 次方的关 系下降的，因此节能效果非常显著 。而 且 由于风机 的效率随转速 变化不 是很大 ，因此 ， 当转速变化的范围在 2 0 ％左右时 ，可以不考虑效 率的变化。因此 ，采用变频调 速法能够很好 的实 现节能的 目的 。 2 控制系统变频调速的实现 钢铁生产除尘风机的变频控制系统涉及 的软 硬件组成及其控制方式包括 P L C控制、电气控制、 变频器、风机、管道及各种传感器等 ，如图2 所示。 图 2 变频控制系统 示意 图 变频调 速控制 系统 采用 负压反馈变送器、可 编程序控 制 P L C 、变 频调速 器、风机 、电机 、 变频设 定、风量控制、数据显示和流量积算仪等 组成 ，除此之外还包括上位控制系统 HMI 。 当变频器带 动电机、风机起动 后，通过 所建 立的特征模型的控制器及其通过 WI NC C来读 P L C 中除尘器入 口处管 网压力信号 ，通过编制相应的 P L C程序 ，P L C把 读过来 的信号通过程序本身进 行相应 的比较和运算，由上位 系统 HMI 按照智能 P I D 控制 器的控制原理 给 P L C输 出一个 电信 号， 由 P L C来进行 A ／ D转换 ，输 出一个电信号 模拟 量和数字量 来进行变频器 的启动 ／ 停止和频率给 定 ，从 而改变 电动机 的运行频率和电压，既而改 变风机的转速。这样就构成了以管网压力跟踪烟 尘量为标准的闭环反馈控制系统。 除尘 系统变频器大部分时间内是运行在变频 调速状态 ，因为在工况运行 的情况下 ，满足 了在 炼钢加料过程最大风量的要求，但是也造 成了风 量的富余 ，能量得到了极大的浪费。鉴于此 ，炼 钢 过程 中，变频器始终运行在变频调速状态 ，通 过控制管 网负压 的方式实时跟踪烟 尘量 ，达到了 好 的节 能效果。系统软件 采用模块化 程序设计 ， 由主程序统一调用 ，主要包括初始化子程序 、A／ D 转换子程序 、D ／ A转 换子程序、风量检测和控制 U0 1 第3 3 卷第1 2 期2 0 1 1 1 2 下 子程序 、算法比较子程序等 0 。 3 控制系统的硬件与软件设计 3 ． 1硬件设计 在整个控 制系统 中，在硬件 的选用上采用 了 S I E ME NS S 7 4 0 0系列的 P L C、E T 2 0 0 M 智能终端 及合资厂生产的 3 5 0 1 型智能负压变送器等相关 的 电气产品，此外 系统 中还采 用了液力耦合器 ，输 出功率为 9 0 0 K W ，和 AB公司的中压变频器，输 出功率为 6 3 0 KW。 3 ． 2软件设计 变频控制系统中，在软件的编 制上 侧重 于变 频 响应速度的问题，因此，通过现场采集生产数 据并结合实际生产情况虚拟的给 出对应管网的压 力值 ，并且 采用相 应的仿人 智能 P I D控制算法 ， 提高 了 自动控制系统的稳态性能 、响应速度 ，提 高了变频 系统的效率，起到了很好的效果。 为 了简化编程应尽可能将共性的部分如风机 加减速脉冲扫描程序、输入输 出程序等编入主程 序，而对于其他的程序如循环程序、码表程序等， 应将其 编 入子程 序 ，通过 在主 程序 中周期 的扫 描，从而读取对应的子程序 ，而这个时候 ，由于 在主程序中直接加入 了风机加减速脉冲扫描程序、 输入输 出程序等，提高 了系统的读取速度 ，因为 P L C程序 的扫描方式是根据主程序来了，在主程 序中嵌入 了子程序，扫描主程序的同时在执行着 子程序，但是子程序和主程序还是有一定 的时 间 差问题的，正是利用 P L C主程序的快速扫描特性， 使得风机 的加减速变化能够快速的跟踪实 际数据 的变化，达到实时控制和节能效果。 在变频系统 中，控制系统需要检 测的信号非 常多，如实时报警信号，线路故障信号等，这些 信号通常包括 电机过载保 护信号 、短路保护信号 和管网风量检 测信号等。在故障报警 中，通过对 故障进行相应的分类 ，分成重故障和轻故障，所 谓轻故障即不影响整个系统的 自动运行 ，重故障 即当故障发生时，对整个 系统 的运行有很 大的影 响，比如变频器故障、检测信号装置发生故障等， 为了确保设备的安全 ，系统会退出 自动运行状态， 并发 出故障报警信 号，要想重新恢复 自动运行系 统 ，只有等待设备维修 员进行设备 的维修 以后， 通过 H MI 的按钮切换或者通过 P L C内部切换 ，使 运行状态在手动和 自动之 间切换 。这样 ，就解决 骞 、 l 造 匐 出 了系统 中的故障问题 ，同时又能保护设备和管网。 4 现场实际应用及数据结果 通过采用变频调 速控制系统 ，废弃 了之前 的 在额定转速 即工频下运行 的方式 。因此 ，风机转 速可以实时调节。我 们采集了控制 系统 改造之 后 的风机所耗电量的数据 ，如表 1 所示。 表 2和 表 3表示控制 系统 改造之前 的风机所 耗电量，由于之前风机 是以满负荷运行，偶尔调 节风机前 阀，管网阻力增大 ，实际情况说明 ，除 尘器阻力很大 ，风机 效率很低 ，因此，风机并没 有处于最佳工作点的状态 ，除尘效 果不理 想。加 之在 电炉冶炼 时产生大量的烟尘 ，很容 易将管 网 堵塞 ，尤其是在除尘管 网轴流风机处 ，由于并行 的冷却管束直径不大 ，由现场实际情况可以发现， 此处很容 易被堵塞 ，造成 了能量 的极大 浪费 ，迫 使风机工作点偏离最佳运行工作点。 表 1 风机4 月份耗电量 日期 l 2 3 4 5 耗电量 2 0 3 0 0 l 9 9 0 0 2 1 9 O 0 1 8 0 2 0 1 9 O 9 0 日期 6 7 8 9 1 0 耗电量 2 0 o 3 0 1 9 7 9 0 1 7 4 8 0 2 o o 5 O 1 9 3 3 0 日期 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5 耗电量 1 8 7 7 0 2 2 0 9 o 2 3 0 1 0 2 2 5 8 0 2 1 5 7 0 日期 1 6 l 7 l 8 1 9 2 0 耗电量 检修 2 O 0 6 o 2 0 4 5 0 2 1 4 8 0 2 2 4 7 0 日期 2 1 2 2 2 3 2 4 2 5 耗电量 2 3 6 8 0 1 9 8 9 0 2 3 4 8 0 1 9 8 7 0 2 4 0 2 0 日期 2 6 2 7 2 8 2 9 3 0 耗电量 2 2 1 O 0 1 8 9 8 0 2 1 3 9 0 2 5 0 6 0 2 4 2 3 0 总计好点KWh 平均好点K Wh 61 O 9 4 O 21 0 6 7 表2 风机1 月份耗电量 日期 1 2 3 4 5 耗电量 2 9 7 7 0 2 9 6 7 0 3 0 0 1 0 2 6 8 9 0 2 8 7 6 0 日期 6 7 8 9 1 0 耗 电量 2 6 9 4 0 2 6 7 8 0 2 7 0 5 0 2 9 O 5 0 2 8 9 7 0 日期 l 1 1 2 1 3 1 4 1 5 耗电量 2 9 7 8 0 停产 2 7 9 8 0 2 6 7 9 0 2 8 6 9 0 日期 1 6 1 7 1 8 1 9 2 0 耗电量 检修 3 0 0 1 O 3 O 2 o o 3 O O 2 0 2 7 9 0 0 日期 2 1 2 2 2 3 2 4 2 5 耗 电量 2 9 3 8 0 2 9 5 8 0 2 7 5 8 0 2 9 0 5 0 2 9 9 8 0 E t 期 2 6 2 7 2 8 2 9 3 0 耗电量 3 O O 6 0 2 7 8 4 o 2 9 7 4 |D 2 8 6 9 0 3 0 0 7 0 日期 3 1 总计耗电K Wh 平均耗 电KWh 耗电量 2 7 9 4 O 8 3 5 1 7 0 2 8 7 9 9 表3 风机2 月份耗电量 日期 1 2 3 4 5 耗 电量 2 9 6 8 0 2 9 5 7 0 3 O O 6 0 2 7 8 4 0 2 8 9 6 0 日期 6 7 8 9 1 O 耗 电量 2 9 9 7 0 2 9 4 8 0 2 6 8 9 0 2 8 6 o 0 2 9 3 9 O 日期 l 1 1 2 1 3 1 4 1 5 耗 电量 3 O O 7 0 2 7 5 3 0 2 9 6 3 0 2 9 8 5 0 2 8 4 8 0 日期 1 6 1 7 1 8 1 9 20 耗 电量 检修 3 0 0 1 0 2 9 9 7 0 2 7 3 9 0 2 7 8 9 0 日期 2 1 2 2 2 3 2 4 2 5 耗 电量 2 6 9 3 0 2 8 7 9 0 2 8 9 4 O 2 9 5 7 0 3 o 0 2 0 日期 2 6 2 7 2 8 总计耗电KWh 平均耗电KWh 耗 电量 2 7 3 9 0 2 7 9 8 0 2 9 6 9 0 7 8 0 5 7 0 2 8 9 1 0 从 表 2 、表 3所 测 的 风机 功 率 数 据 中，1 2 月炼 钢 风 机 都 是 高 速 运 转，两 个 月 合 计 用 电 1 6 1 5 7 4 0 K W ， 月平 均 用 电 8 0 7 8 7 0 K WH， 而 改 造之 后的 4月份除尘 系统正 常运行 以来 ， 按照工艺 要 求 自动 的调节变 频器的输 出频 率， 月平均耗 电为 6 l 0 9 4 | D I m， 相比 1 、 2月节电达到 8 o 7 8 7 0 6 1 O 9 4 0 1 9 6 9 3 O K WH， 节电率达到 1 9 6 9 3 0 ／ 8 0 7 8 7 0 2 4 ． 3 8 ％。 以每 台风机 每年 工作 7 2 0 0小 时计 算，每年 节 电 1 9 6 9 5 8 7 KWH，节 约 电费 1 9 6 9 5 8 70 ． 4 1 8 0 ． 7 5万 元 。 由此可 以看 出，此钢铁公司炼钢 厂除尘 改造 工程在采用 了基于变频调速的控制 系统后 ，不仅 实际控制 、除尘效果良好 ，而且在节能 效果方面 也得到了显著的提高。 5 结束语 本文结合除尘现场管网系统 设计了基于 P L C 的风机变频控制系统 ，介绍 了该 系统 的实现原理、 软件和硬件设计，并且将该 系统应用于某钢铁生 产公司的除尘系统 中，经过实际测量发现不仅取 得 了较好的除尘效果，而且使风机在节能效果方 面也得到 了显著的提高。 参考文献 【 1 】张殿 印， 张学义 ． 除尘技术手册【 M】 ． 北京 冶金工业 出版 社 ， 2 0 0 2 ． [ 2 ]赫崇俊 ， 潘永沛 ． 变频装置控制风机风量的节 电效果 [ J 】 ． 燃烧球 团， 1 9 9 6 ， 2 1 5 4 3 4 7 ． 【 3 ]齐 振邦 ． 风机 变 频调速 应用现 状及节 能原理 ⋯ ． 风机技 术 ， 2 0 0 0 ， 3 ． 【 4 ]商景泰， 等． 通风机手册[ M】 ． 北京 机械工业出版社， 1 9 9 4 ． 【 5 】P ． G n a c i n s k i ． E n e r g y s a v i n g wo r k fr e q u e n c y c o n t r o l l e d i n d u c t i o n c a g e ma c h i n e [ J ] ． E n e r g y Co n v e r s i o n a n d Ma n a g e me n t ； 2 0 0 7 4 8 9 1 9 9 2 6 ． [ 6 】宋君烈， 等． 可编程控制器原理及应用【 M】 ． 沈阳 东北大 学出版社， 2 0 0 2 ． 第3 3 卷第1 2 期2 0 1 1 - 1 2 下 【 7 1 】