【文章內(nèi)容簡介】 保持并網(wǎng)運行的低電壓穿越運行要求。應(yīng) 該說，這還只是一個初步的、相對較低的運行要求。在今后可能還會出臺更為嚴(yán)格的上網(wǎng)限制措施。這些要求的實現(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）實現(xiàn)在功率預(yù)估條件下的風(fēng)電場有功及無功功率自動控制。目前，風(fēng)電機組都是運行在不調(diào)節(jié)的方式，也就是說，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)機出力最大的時段，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。當(dāng)前，電網(wǎng)對這一問題已 相當(dāng)重視，要 求開展 。 安徽工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 第二章 總體方案設(shè)計 控制系統(tǒng)的要求 （ 1）高可靠性，以適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場十分惡劣和復(fù)雜的工作條件。 （ 2）具有實時響應(yīng)處理能力，以滿足工業(yè)生產(chǎn)過程實時控制要求。 （ 3）有豐富的可與工業(yè)現(xiàn)場信號相連接的工業(yè)接口，方便實現(xiàn)在線 監(jiān) 控。 （ 4）控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)應(yīng)能組配靈活，易于擴展。 （ 5）有先進的系統(tǒng)環(huán)境和應(yīng)用軟件便于開發(fā)。 （ 6）有自動 /手動轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，保證在自動控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，可以 手 動控制。 （ 7）有可靠的報警系統(tǒng)，在風(fēng)機電機過熱，變頻器出現(xiàn)故障時能及 時 發(fā)出報警信號。 系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理 工業(yè)離心風(fēng)機的工作要求是指在特定的工作環(huán)境中，風(fēng)機輸出的風(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，又不使電動機空轉(zhuǎn)，而造成電能的浪費。為實現(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)場的溫度由溫度傳感器檢測，變換成模擬輸入反饋信號，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，控制變頻器調(diào)節(jié)風(fēng)機轉(zhuǎn)速，從而達到控制工廠車間溫度的目的 系統(tǒng)組成簡圖如圖 21所示。 圖 21 自動控制系統(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)機系統(tǒng)電機的自動控制中，其節(jié)能效果明顯。 由流體力學(xué)的基本定律可知：風(fēng)機、泵類設(shè)備均屬平方轉(zhuǎn)矩負載，其轉(zhuǎn)速 n與流黃煒 ： 基于 PLC的 風(fēng)機 控制 系統(tǒng)設(shè)計 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)機在額定轉(zhuǎn)速下的 HQ曲線，曲線 2是風(fēng)機在某一較低速度下的 HQ曲線，曲線 3是風(fēng)門開度最大時的 HQ曲線， 曲線 4是風(fēng)機在某一較小開度下的 HQ曲線?？梢钥闯?，當(dāng)實際工況風(fēng)量由 Q1下降到 Q2時，如果在風(fēng)機以額定轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)的條件下調(diào)節(jié)風(fēng)門開度，則工況點沿曲線 1由 A點移到 B點；如果在風(fēng)門開度最大的條件下用變頻器調(diào)節(jié)風(fēng)機的轉(zhuǎn)速，則工況點沿曲線 3由 A點移到 C點。顯然， B點與 C點的風(fēng)量相同，但 C點的壓力要比 B點壓力小得多。因此，風(fēng)機在變頻調(diào)速 運行 方式下，風(fēng)機轉(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?？梢钥闯觯谙嗤娘L(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)機運行時實際風(fēng)量。 Qe為風(fēng)門開度為最大，且電機運行在額定轉(zhuǎn)速時的風(fēng)量。 Pe為風(fēng)門開度為最大，且電機運行在額定轉(zhuǎn)速時的功率。 通過以上分析得出，采用轉(zhuǎn)速進行調(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。對我國風(fēng)機現(xiàn)有的運行狀況進行調(diào)查后得出，其中大多數(shù)風(fēng)機處于大馬拉小車的狀態(tài)，用 擋板進行運行流量的調(diào)節(jié)，極大的浪費了電能，若采用調(diào)速方式運行，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表示電機轉(zhuǎn)速； 安徽工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 f為電動機工作電源頻率； s為電機轉(zhuǎn)差率； p為電機磁極對數(shù)。 通過改變電動機工作電源頻率達到改變電機轉(zhuǎn)速的目的。交流 電動 機 調(diào)速方法有三種，主要有： （ 1） 變極對數(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改變電機的轉(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)速方法無可比擬的優(yōu)勢，變頻調(diào)速的性能和經(jīng)濟指標(biāo)己趕上直流調(diào)速系統(tǒng)。變頻調(diào)速傳動效率高，因變頻調(diào)速屬于電氣調(diào)速，無中間機械設(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，容易實現(xiàn)閉環(huán)控制，能達到自動調(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)機控制原理分析 三臺大容量的離心風(fēng)機 (1, 2, 3)根據(jù)工作狀態(tài)的不同，具有變頻、工頻兩種運行方式，因此每臺離心風(fēng)機均要求通過兩個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、變頻器和各電機的工頻運行控制開關(guān)， KM1， KM2， KM3為三臺風(fēng)機工頻運行時的交流接觸器， KM4， KM5， KM6為三臺風(fēng)機變頻運行 時的交流接觸器， FR1, FR2, FR3為工頻和變頻運行時的電機過載保護用熱繼電器，變頻運行時由變頻器也可實現(xiàn)電機過載保護。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機上，當(dāng)旋轉(zhuǎn)方向與工頻時電機轉(zhuǎn)向不一致時，需要調(diào)換輸出端子 (U, V, W)的相序，否則無法工作。主電路見圖 24所示 。 在控制電路的設(shè)計中，必須要考慮弱電和強電之間的隔離問題。為了保護 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，通過中間繼電器控制接觸器線黃煒 ： 基于 PLC的 風(fēng)機 控制 系統(tǒng)設(shè)計 8 圈的得電 /失電，進而控制電機或者閥門的動作。通過隔離，可延長系統(tǒng)的 使 用壽命，增強系統(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，這對于變頻器安全運行十分重要。變頻器的輸出端嚴(yán)禁和工頻電源相連，也就是說不允許一臺電機同時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，對各風(fēng)機電機的工頻 /變頻運行接觸器作了互鎖設(shè)計；另外，變頻器是按單臺電機容量配置，不允許同時帶多臺電機運行，為此對各電機的變頻運行也作了互鎖設(shè)計。為提高互鎖的可靠性，在 PLC控制程序設(shè)計時，進一步通過 PL C內(nèi)部的軟繼 電器來做互鎖。 出于可靠性及檢修方面的考慮，設(shè)計了手動 /自動轉(zhuǎn)換控制電路。通 過 轉(zhuǎn)換開關(guān)及相應(yīng)的電路來實現(xiàn)。電氣控制線路圖見圖 25所示。 圖 25中， SA為手動 /自動轉(zhuǎn)換開關(guān)， KA為手動 /自動轉(zhuǎn)換用中間繼電器，打在 ① 位置為手動狀態(tài)，打在 ② 位置 KA吸合，為自動狀態(tài)。在手動狀態(tài)，通過按鈕 SB1SB12控制各臺風(fēng)機的起停。在自動狀態(tài)時，系統(tǒng)執(zhí)行 PLC的控制程序，自動控制風(fēng)機的起停。中間繼電器 KA的 6個常閉觸點串接在三臺風(fēng)機的手動控制電路上，控制三臺風(fēng)機的手動運行。中間繼電器 KA的常開觸點接 PLC的 X0，控制自動變頻運行程序的執(zhí)行。在自動狀態(tài)時，三臺風(fēng)機在 PLC的控制下能夠有序而平穩(wěn)地切換、運行。風(fēng)機電機電源的通斷，由中間繼電器 KA1KA6控制接觸器 KM 1KM6的線圈來實現(xiàn)。 HL0為自動運行指示燈。 FR1, FR2, FR3為三臺風(fēng)機的熱繼電器的常閉觸點，對電機進行過流保護 。 圖 24 離心風(fēng)機主電路圖 安徽工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 圖 25 離心風(fēng)機控制線路圖 黃煒 ： 基于 PLC的 風(fēng)機 控制 系統(tǒng)設(shè)計 10 第 3章 系統(tǒng) 硬件設(shè)計 溫度傳感器 選擇 本系統(tǒng)是將傳感器安裝在工廠車間中，通過實時檢測車間內(nèi)的溫度，換算出與設(shè)定溫 度之間的調(diào)整值， 通過變頻器自動調(diào)節(jié)到合適的風(fēng)機轉(zhuǎn)速 ， 從而使車間內(nèi)溫度達到設(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)認真比較最后選定熱電偶傳感器，它是工業(yè)測量中應(yīng)用最廣泛的一種溫度傳感器，它與被測對象直接接觸，不受中間介質(zhì)的影響，具有較高的精確度；測量范圍廣，可從 50℃ ～ 1600℃ 進行連續(xù)測量，當(dāng)工作端的被測介質(zhì)溫度發(fā)生變化時，熱電勢隨之發(fā)生變化 將熱電勢送入 PLC進行處理，即可得到溫度值。 PLC的選擇 對于主控設(shè)備 PLC的選擇，從收集的國內(nèi)外各種 PLC產(chǎn)品的資料來看，充分考慮了工業(yè)離心風(fēng)機工作狀況和本控制系統(tǒng)的特點以及現(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 FP0系列 PLC在小機殼內(nèi)匯聚了先進的功能和優(yōu)異的表現(xiàn)，包括脈沖捕捉，兩路脈沖輸出， PID， PWM，高速計數(shù)，網(wǎng)絡(luò)通信，模擬量設(shè)定和時鐘功能等。主機單元是集成了 CPU，電源 (AC)，輸入輸出單元的獨立模塊，可單獨使用，也可以和擴展單元任意組合使用，最多可配置 3個擴展模塊。I/O點可以從最少的 10點擴展 到最多的 128點。使用時可根據(jù)實際情況進行適當(dāng)?shù)?組合。主機和擴展單元都有專門的擴展接口，在擴展時可以直接連接， 不 需要連接電纜。本設(shè)計根據(jù)需要，主模塊選用 FP0C32，擴展模塊選用FP0E16， A/D轉(zhuǎn)換模塊采用 FP0A80模塊。 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計流程 安徽工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計步驟 如圖 32所 示，在本系統(tǒng)的設(shè)計中，使用了一個主模塊，一個擴展模塊，一個 A/D轉(zhuǎn)換模塊，共使用 19個輸入口， 12個輸出口，在 I/O口的使用上，充分考慮了系統(tǒng)在以后擴展的需要，對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)計時除了編制正常工作下的自動控制程序外，還在 PLC中編制了手動控制程序，這樣做較之以往的控制系統(tǒng)有三個好處：第一，可以在系統(tǒng)安裝完成后，對各個設(shè)備進行單個調(diào)試，以檢查設(shè)備是否工作正常；第二，可以在系統(tǒng)自動控制程序出現(xiàn)錯誤時，用手動方式在 PLC上控制系統(tǒng)的運行；第三，當(dāng)系統(tǒng)工作單元如電機出了故障時，可以手動切換出現(xiàn)故障的電機，使之停止運行，把沒有故障的電機切換入系統(tǒng)保證系統(tǒng)正常運行；正是因為有這些好處，在 PLC上用了 12個輸入口實現(xiàn)對手動控制程序的支持，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通過主電路接至電源，輸出端 U， V， W通過主電路接至離心風(fēng)機，使用時絕對不允許接反，控制端子 FWD為正轉(zhuǎn)啟動端，為保證電動機 單向正轉(zhuǎn)運行，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)置電動機極數(shù)為 4極。 FMA為模擬信號輸出端，可在 FMA和 GND兩端之間跨接頻率表，用于監(jiān)視 變頻器的運行頻率。 F69=0 選擇 X4， X5端子功能，即用于控制端子的通斷實現(xiàn)變頻器的 升 降速。 X5與公共端 CM接通時，頻率上升； X5與公共端 CM斷開時，頻率保持。 X4與公共端 CM接通時，頻率下降； X4與公共端 CM斷開時，頻率保持。 本系統(tǒng)中使用 S1和 S2兩個按鈕分別與 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主機之間的控制信號。 變頻器頻率參數(shù)設(shè)置為： （ 1） 最高頻率：風(fēng)機屬于平方轉(zhuǎn)矩負載，轉(zhuǎn)矩 T與轉(zhuǎn)速的平方成正比 當(dāng)轉(zhuǎn)速超過其額定轉(zhuǎn)速時，轉(zhuǎn)矩將按平方規(guī)律