【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 保持并網(wǎng)運(yùn)行的低電壓穿越運(yùn)行要求。應(yīng) 該說(shuō)，這還只是一個(gè)初步的、相對(duì)較低的運(yùn)行要求。在今后可能還會(huì)出臺(tái)更為嚴(yán)格的上網(wǎng)限制措施。這些要求的實(shí)現(xiàn)，主要靠 控制系統(tǒng)中變頻器算法及結(jié)構(gòu)的改善，當(dāng)然和主控和變槳系統(tǒng)也有密切聯(lián) 系。 （ 3）實(shí)現(xiàn)在功率預(yù)估條件下的風(fēng)電場(chǎng)有功及無(wú)功功率自動(dòng)控制。目前，風(fēng)電機(jī)組都是運(yùn)行在不調(diào)節(jié)的方式，也就是說(shuō)，有多少風(fēng)、發(fā)多少電，這在風(fēng)電所占比例較小的情況下也沒有多大問(wèn)題。但是，隨著風(fēng)電上網(wǎng)電量的大幅度增加，在用電低谷段往往是風(fēng)機(jī)出力最大的時(shí)段，造成電網(wǎng)調(diào)峰 異常困難，電網(wǎng)頻率、電壓均易出現(xiàn)較大波動(dòng)。當(dāng)前，電網(wǎng)對(duì)這一問(wèn)題已 相當(dāng)重視，要 求開展 。 安徽工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 第二章 總體方案設(shè)計(jì) 控制系統(tǒng)的要求 （ 1）高可靠性，以適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)十分惡劣和復(fù)雜的工作條件。 （ 2）具有實(shí)時(shí)響應(yīng)處理能力，以滿足工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程實(shí)時(shí)控制要求。 （ 3）有豐富的可與工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)相連接的工業(yè)接口，方便實(shí)現(xiàn)在線 監(jiān) 控。 （ 4）控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)應(yīng)能組配靈活，易于擴(kuò)展。 （ 5）有先進(jìn)的系統(tǒng)環(huán)境和應(yīng)用軟件便于開發(fā)。 （ 6）有自動(dòng) /手動(dòng)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，保證在自動(dòng)控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，可以 手 動(dòng)控制。 （ 7）有可靠的報(bào)警系統(tǒng)，在風(fēng)機(jī)電機(jī)過(guò)熱，變頻器出現(xiàn)故障時(shí)能及 時(shí) 發(fā)出報(bào)警信號(hào)。 系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理 工業(yè)離心風(fēng)機(jī)的工作要求是指在特定的工作環(huán)境中，風(fēng)機(jī)輸出的風(fēng)量要隨著外界條件的變化，保持在設(shè)定的參數(shù)值上。這樣，既可滿足工作要求，又不使電動(dòng)機(jī)空轉(zhuǎn)，而造成電能的浪費(fèi)。為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，本系統(tǒng)采用閉環(huán)控制的方式。工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的溫度由溫度傳感器檢測(cè)，變換成模擬輸入反饋信號(hào)，經(jīng) A/D轉(zhuǎn)換后與 PLC中給定值比較，再經(jīng) D/A轉(zhuǎn)換變成模擬量輸出信號(hào)，控制變頻器調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到控制工廠車間溫度的目的 系統(tǒng)組成簡(jiǎn)圖如圖 21所示。 圖 21 自動(dòng)控制系統(tǒng)組成框圖 變頻調(diào)速節(jié)能分 變頻調(diào)速應(yīng)用于風(fēng)機(jī)系統(tǒng)電機(jī)的自動(dòng)控制中，其節(jié)能效果明顯。 由流體力學(xué)的基本定律可知：風(fēng)機(jī)、泵類設(shè)備均屬平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載，其轉(zhuǎn)速 n與流黃煒 ： 基于 PLC的 風(fēng)機(jī) 控制 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 6 量 Q，壓力 H以及軸功率 P具有如下關(guān)系： Q∝ n， H∝ n2， P∝ n3，即流量與轉(zhuǎn)速成正比，壓力與轉(zhuǎn)速的平方成正比，軸功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比。圖 2給出了風(fēng)機(jī)中風(fēng)門調(diào)節(jié)和變頻調(diào)速兩種控制方式下風(fēng)路的壓力 風(fēng)量 (HQ)關(guān)系及功率 風(fēng)量 (PQ)關(guān)系。其中，曲線 1是風(fēng)機(jī)在額定轉(zhuǎn)速下的 HQ曲線，曲線 2是風(fēng)機(jī)在某一較低速度下的 HQ曲線，曲線 3是風(fēng)門開度最大時(shí)的 HQ曲線， 曲線 4是風(fēng)機(jī)在某一較小開度下的 HQ曲線?？梢钥闯?，當(dāng)實(shí)際工況風(fēng)量由 Q1下降到 Q2時(shí)，如果在風(fēng)機(jī)以額定轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)的條件下調(diào)節(jié)風(fēng)門開度，則工況點(diǎn)沿曲線 1由 A點(diǎn)移到 B點(diǎn)；如果在風(fēng)門開度最大的條件下用變頻器調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，則工況點(diǎn)沿曲線 3由 A點(diǎn)移到 C點(diǎn)。顯然， B點(diǎn)與 C點(diǎn)的風(fēng)量相同，但 C點(diǎn)的壓力要比 B點(diǎn)壓力小得多。因此，風(fēng)機(jī)在變頻調(diào)速 運(yùn)行 方式下，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速可大大降低，節(jié)能效果明顯。曲線 5為變頻控制方式下的 PQ曲線，曲線 6為風(fēng)門調(diào)節(jié)方式下的 PQ曲線?？梢钥闯?，在相同的風(fēng)量下，變頻控制方式比風(fēng)門調(diào)節(jié)方式能耗更小，二者之 差可由下述經(jīng)驗(yàn)公式 （ 2l）表示： 30 . 4 0 . 6 / ( / )P Q Q e Q Q e P e??? ? ??? （ 21） （ l）其中 Q為風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)實(shí)際風(fēng)量。 Qe為風(fēng)門開度為最大，且電機(jī)運(yùn)行在額定轉(zhuǎn)速時(shí)的風(fēng)量。 Pe為風(fēng)門開度為最大，且電機(jī)運(yùn)行在額定轉(zhuǎn)速時(shí)的功率。 通過(guò)以上分析得出，采用轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)風(fēng)量，比起用擋板調(diào)節(jié)風(fēng)量節(jié)省能源，風(fēng)量調(diào)節(jié)幅度越大，節(jié)電效果越高。對(duì)我國(guó)風(fēng)機(jī)現(xiàn)有的運(yùn)行狀況進(jìn)行調(diào)查后得出，其中大多數(shù)風(fēng)機(jī)處于大馬拉小車的狀態(tài)，用 擋板進(jìn)行運(yùn)行流量的調(diào)節(jié)，極大的浪費(fèi)了電能，若采用調(diào)速方式運(yùn)行，則可以大量節(jié)約電能，并能在 1至 2年內(nèi)收回投資成本。 圖 22 變頻調(diào)速在風(fēng)機(jī)中的節(jié)能分析 變頻調(diào)速的依據(jù) 變頻調(diào)速技術(shù)的基本原理是根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速與工作電源輸入頻率成正 比 的關(guān)系，如公式（ 22）所示： 60 (1 ) /n f s p?? （ 22） 其中 n表示電機(jī)轉(zhuǎn)速； 安徽工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 f為電動(dòng)機(jī)工作電源頻率； s為電機(jī)轉(zhuǎn)差率； p為電機(jī)磁極對(duì)數(shù)。 通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)工作電源頻率達(dá)到改變電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。交流 電動(dòng) 機(jī) 調(diào)速方法有三種，主要有： （ 1） 變極對(duì)數(shù)調(diào)速， （ 2）變轉(zhuǎn)差率調(diào)速， （ 3）變頻調(diào)速，即改變電源的頻率來(lái)改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。這三種方法前兩種有一定的局限性，而變頻調(diào)速具有其他調(diào)速方法無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，變頻調(diào)速的性能和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)己趕上直流調(diào)速系統(tǒng)。變頻調(diào)速傳動(dòng)效率高，因變頻調(diào)速屬于電氣調(diào)速，無(wú)中間機(jī)械設(shè)備，也就沒有附加的轉(zhuǎn)差損耗，屬于低損耗的高效調(diào)速，而且其調(diào)速范圍廣，反應(yīng)速度快，精度高，裝置安全可靠，安裝調(diào)試方便，容易實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，能達(dá)到自動(dòng)調(diào)節(jié)。另外，使用變頻調(diào)速還具有高效節(jié)能的效果。目前，變頻調(diào)速控制器 作為一種新型的節(jié)能控制裝置，已開始在各行各業(yè)逐漸得到推廣和應(yīng)用。 變頻系統(tǒng)的 主電路原理圖如圖 23所示。 圖 23 變頻器主電路原理圖 離心風(fēng)機(jī)控制原理分析 三臺(tái)大容量的離心風(fēng)機(jī) (1, 2, 3)根據(jù)工作狀態(tài)的不同，具有變頻、工頻兩種運(yùn)行方式，因此每臺(tái)離心風(fēng)機(jī)均要求通過(guò)兩個(gè)接觸器分別與工頻電源和變頻電源輸出相聯(lián)。 QS1, QS2, QS3, QS4分別為主電路、變頻器和各電機(jī)的工頻運(yùn)行控制開關(guān)， KM1， KM2， KM3為三臺(tái)風(fēng)機(jī)工頻運(yùn)行時(shí)的交流接觸器， KM4， KM5， KM6為三臺(tái)風(fēng)機(jī)變頻運(yùn)行 時(shí)的交流接觸器， FR1, FR2, FR3為工頻和變頻運(yùn)行時(shí)的電機(jī)過(guò)載保護(hù)用熱繼電器，變頻運(yùn)行時(shí)由變頻器也可實(shí)現(xiàn)電機(jī)過(guò)載保護(hù)。變頻器的主電路輸出端子 (U, V, W)經(jīng)接觸器接至三相電動(dòng)機(jī)上，當(dāng)旋轉(zhuǎn)方向與工頻時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)向不一致時(shí)，需要調(diào)換輸出端子 (U, V, W)的相序，否則無(wú)法工作。主電路見圖 24所示 。 在控制電路的設(shè)計(jì)中，必須要考慮弱電和強(qiáng)電之間的隔離問(wèn)題。為了保護(hù) PLC設(shè)備， PLC輸出端口并不是直接和交流接觸器連接，而是在 PLC輸出端口和交流接觸器之間引入中間繼電器，通過(guò)中間繼電器控制接觸器線黃煒 ： 基于 PLC的 風(fēng)機(jī) 控制 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 8 圈的得電 /失電，進(jìn)而控制電機(jī)或者閥門的動(dòng)作。通過(guò)隔離，可延長(zhǎng)系統(tǒng)的 使 用壽命，增強(qiáng)系統(tǒng)工作的可靠性。 控制電路之中還要考慮電路之間互鎖的關(guān)系，這對(duì)于變頻器安全運(yùn)行十分重要。變頻器的輸出端嚴(yán)禁和工頻電源相連，也就是說(shuō)不允許一臺(tái)電機(jī)同時(shí)接到工頻電源和變頻電源的情況出現(xiàn)。因此，在控制電路中，對(duì)各風(fēng)機(jī)電機(jī)的工頻 /變頻運(yùn)行接觸器作了互鎖設(shè)計(jì)；另外，變頻器是按單臺(tái)電機(jī)容量配置，不允許同時(shí)帶多臺(tái)電機(jī)運(yùn)行，為此對(duì)各電機(jī)的變頻運(yùn)行也作了互鎖設(shè)計(jì)。為提高互鎖的可靠性，在 PLC控制程序設(shè)計(jì)時(shí)，進(jìn)一步通過(guò) PL C內(nèi)部的軟繼 電器來(lái)做互鎖。 出于可靠性及檢修方面的考慮，設(shè)計(jì)了手動(dòng) /自動(dòng)轉(zhuǎn)換控制電路。通 過(guò) 轉(zhuǎn)換開關(guān)及相應(yīng)的電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。電氣控制線路圖見圖 25所示。 圖 25中， SA為手動(dòng) /自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)， KA為手動(dòng) /自動(dòng)轉(zhuǎn)換用中間繼電器，打在 ① 位置為手動(dòng)狀態(tài)，打在 ② 位置 KA吸合，為自動(dòng)狀態(tài)。在手動(dòng)狀態(tài)，通過(guò)按鈕 SB1SB12控制各臺(tái)風(fēng)機(jī)的起停。在自動(dòng)狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)執(zhí)行 PLC的控制程序，自動(dòng)控制風(fēng)機(jī)的起停。中間繼電器 KA的 6個(gè)常閉觸點(diǎn)串接在三臺(tái)風(fēng)機(jī)的手動(dòng)控制電路上，控制三臺(tái)風(fēng)機(jī)的手動(dòng)運(yùn)行。中間繼電器 KA的常開觸點(diǎn)接 PLC的 X0，控制自動(dòng)變頻運(yùn)行程序的執(zhí)行。在自動(dòng)狀態(tài)時(shí)，三臺(tái)風(fēng)機(jī)在 PLC的控制下能夠有序而平穩(wěn)地切換、運(yùn)行。風(fēng)機(jī)電機(jī)電源的通斷，由中間繼電器 KA1KA6控制接觸器 KM 1KM6的線圈來(lái)實(shí)現(xiàn)。 HL0為自動(dòng)運(yùn)行指示燈。 FR1, FR2, FR3為三臺(tái)風(fēng)機(jī)的熱繼電器的常閉觸點(diǎn)，對(duì)電機(jī)進(jìn)行過(guò)流保護(hù) 。 圖 24 離心風(fēng)機(jī)主電路圖 安徽工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 圖 25 離心風(fēng)機(jī)控制線路圖 黃煒 ： 基于 PLC的 風(fēng)機(jī) 控制 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 10 第 3章 系統(tǒng) 硬件設(shè)計(jì) 溫度傳感器 選擇 本系統(tǒng)是將傳感器安裝在工廠車間中，通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)車間內(nèi)的溫度，換算出與設(shè)定溫 度之間的調(diào)整值， 通過(guò)變頻器自動(dòng)調(diào)節(jié)到合適的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速 ， 從而使車間內(nèi)溫度達(dá)到設(shè)定的溫度值。 中間繼電器 KA1KA6控制接觸器KM1KM6的接線圖如圖 31所示 。 圖 31 KAKM接線圖 根據(jù)本系統(tǒng)的具體情況，經(jīng)認(rèn)真比較最后選定熱電偶傳感器，它是工業(yè)測(cè)量中應(yīng)用最廣泛的一種溫度傳感器，它與被測(cè)對(duì)象直接接觸，不受中間介質(zhì)的影響，具有較高的精確度；測(cè)量范圍廣，可從 50℃ ～ 1600℃ 進(jìn)行連續(xù)測(cè)量，當(dāng)工作端的被測(cè)介質(zhì)溫度發(fā)生變化時(shí)，熱電勢(shì)隨之發(fā)生變化 將熱電勢(shì)送入 PLC進(jìn)行處理，即可得到溫度值。 PLC的選擇 對(duì)于主控設(shè)備 PLC的選擇，從收集的國(guó)內(nèi)外各種 PLC產(chǎn)品的資料來(lái)看，充分考慮了工業(yè)離心風(fēng)機(jī)工作狀況和本控制系統(tǒng)的特點(diǎn)以及現(xiàn)有條件，最終選擇了日本松下電工 FP0系列 PLC產(chǎn)品。 FP0系列 PLC的特點(diǎn) FP0系列 PLC在小機(jī)殼內(nèi)匯聚了先進(jìn)的功能和優(yōu)異的表現(xiàn)，包括脈沖捕捉，兩路脈沖輸出， PID， PWM，高速計(jì)數(shù)，網(wǎng)絡(luò)通信，模擬量設(shè)定和時(shí)鐘功能等。主機(jī)單元是集成了 CPU，電源 (AC)，輸入輸出單元的獨(dú)立模塊，可單獨(dú)使用，也可以和擴(kuò)展單元任意組合使用，最多可配置 3個(gè)擴(kuò)展模塊。I/O點(diǎn)可以從最少的 10點(diǎn)擴(kuò)展 到最多的 128點(diǎn)。使用時(shí)可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行適當(dāng)?shù)?組合。主機(jī)和擴(kuò)展單元都有專門的擴(kuò)展接口，在擴(kuò)展時(shí)可以直接連接， 不 需要連接電纜。本設(shè)計(jì)根據(jù)需要，主模塊選用 FP0C32，擴(kuò)展模塊選用FP0E16， A/D轉(zhuǎn)換模塊采用 FP0A80模塊。 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程 安徽工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟 如圖 32所 示，在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，使用了一個(gè)主模塊，一個(gè)擴(kuò)展模塊，一個(gè) A/D轉(zhuǎn)換模塊，共使用 19個(gè)輸入口， 12個(gè)輸出口，在 I/O口的使用上，充分考慮了系統(tǒng)在以后擴(kuò)展的需要，對(duì)一些有特殊用途的端口如 A/D轉(zhuǎn)換模塊 的接口盡量不用或者少用。為了提高系統(tǒng)的可靠性，在軟件設(shè)計(jì)時(shí)除了編制正常工作下的自動(dòng)控制程序外，還在 PLC中編制了手動(dòng)控制程序，這樣做較之以往的控制系統(tǒng)有三個(gè)好處：第一，可以在系統(tǒng)安裝完成后，對(duì)各個(gè)設(shè)備進(jìn)行單個(gè)調(diào)試，以檢查設(shè)備是否工作正常；第二，可以在系統(tǒng)自動(dòng)控制程序出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)，用手動(dòng)方式在 PLC上控制系統(tǒng)的運(yùn)行；第三，當(dāng)系統(tǒng)工作單元如電機(jī)出了故障時(shí)，可以手動(dòng)切換出現(xiàn)故障的電機(jī)，使之停止運(yùn)行，把沒有故障的電機(jī)切換入系統(tǒng)保證系統(tǒng)正常運(yùn)行；正是因?yàn)橛羞@些好處，在 PLC上用了 12個(gè)輸入口實(shí)現(xiàn)對(duì)手動(dòng)控制程序的支持，從 而大大提高了系統(tǒng)可靠性。 PLC模塊接線圖如圖 32所示， I/O分配 如表 31所示。 變頻器的選擇 本系統(tǒng)設(shè)計(jì)選用變頻器為森蘭 BT12S系列，變頻器的連接端子圖如圖33所示。輸入端 R， S， T通過(guò)主電路接至電源，輸出端 U， V， W通過(guò)主電路接至離心風(fēng)機(jī)，使用時(shí)絕對(duì)不允許接反，控制端子 FWD為正轉(zhuǎn)啟動(dòng)端，為保證電動(dòng)機(jī) 單向正轉(zhuǎn)運(yùn)行，將 FWD與公共端 CM相接。變頻器的功能預(yù)置為： F01=5 頻率由 X4， X5設(shè)定。 F02=1 使變頻器處于外部 FWD控制模式。 F28=0 使變頻器的 FMA輸出功能為 頻率。 F40=4 設(shè)置電動(dòng)機(jī)極數(shù)為 4極。 FMA為模擬信號(hào)輸出端，可在 FMA和 GND兩端之間跨接頻率表，用于監(jiān)視 變頻器的運(yùn)行頻率。 F69=0 選擇 X4， X5端子功能，即用于控制端子的通斷實(shí)現(xiàn)變頻器的 升 降速。 X5與公共端 CM接通時(shí)，頻率上升； X5與公共端 CM斷開時(shí)，頻率保持。 X4與公共端 CM接通時(shí)，頻率下降； X4與公共端 CM斷開時(shí)，頻率保持。 本系統(tǒng)中使用 S1和 S2兩個(gè)按鈕分別與 X4和 X5相接，按下按鈕 S2使 X5與公共端 CM接通，控制頻率上升；松開按鈕 S2， X5與公共端 CM斷開，頻率保 持。同樣，按下按鈕 S1使 X4與公共端 CM接通，控制頻率下降；松開按鈕S1， X4與公共端 CM斷開，頻率保持。 VRF， Y1接至 PLC，接收和發(fā)送與 PLC主機(jī)之間的控制信號(hào)。 變頻器頻率參數(shù)設(shè)置為： （ 1） 最高頻率：風(fēng)機(jī)屬于平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載，轉(zhuǎn)矩 T與轉(zhuǎn)速的平方成正比 當(dāng)轉(zhuǎn)速超過(guò)其額定轉(zhuǎn)速時(shí)，轉(zhuǎn)矩將按平方規(guī)律