本科毕业设计论文-PLC结合变频器在风机节能上的应用.doc

本科毕业设计论文 论文题目： PLC 结合变频器在风机节能上的应用 作者姓名作者姓名 徐沛东徐沛东 指导教师指导教师 吴根忠吴根忠 所在院系所在院系 成教学院成教学院 专业班级专业班级 电气工程及自动化电气工程及自动化 提交日期提交日期 2016.3.18 PLC 结合变频器在风机节能上的应用 摘要摘要 随着我国经济的高速发展，微电子技术，计算机技术，和自动化 控制技术也得到了迅速发展，交流变频调速技术已经进入了一个崭新 的时代，其应用越来越广。而风机作为厂矿企业必不可少的设备，与 企业的生产效率紧密相关，随着能源的日益缺乏，企业中的设备节能 问题就显得尤为重要。 本文将设计一个风机节能的实例，文章中将以一个电锯车间使用 11 千瓦的吸尘风机来清理锯屑，以此风机的节能来展开讲述，车间 中共有五台电锯，当电锯的开启数量不同时所要求的风量是不同的， 即所要求风机的转速是不同的。在不使用变频器控制时，风机只能以 最大转速运行，这样就造成了电能的严重浪费。本文中使用 PLC 来对 电锯开启数目进行检测，从而结合变频器来控制风机的转速。从而达 到节能的效果。 关键词：关键词： 变频器,风机,节能,PLC I 目录目录 摘要摘要.I 目录目录.II 第第 1 1 章章 绪论绪论 1 1.1 节能的意义.1 1.2 PLC 结合变频器控制风机的意义 2 第第 2 2 章章 整体方案的说明整体方案的说明 3 2.1 控制要求.3 2.2 控制方案.3 第第 3 3 章章 系统硬件设计系统硬件设计 4 3.1 硬件选型.4 3.1.1 主要硬件的选型4 2、变频器的选型： 4 3.1.2 出于安全考虑的其他硬件选择5 3.2 主电路图及其说明.7 3.2.1 主电路图7 3.2.2 电路各部分说明7 图 34 PLC 变频器接线图9 3.3 各主要硬件的日常维护.9 第第 4 4 章章 软件系统设计软件系统设计 12 4.1 程序流程图.12 4.2 PLC 端子定义12 如下表 12 4.3 编程.12 第第 5 5 章章 系统仿真系统仿真 14 5.1 仿真程序的编译.14 5.2 系统仿真.15 II 第第 6 6 章章 结论结论 19 6.1 实测能耗.19 6.2 节能效果计算.19 致谢致谢 20 参考文献参考文献 21 附附 录录 22 附录 1：程序变量说明 .22 附录 2：程序梯形图 .24 浙江工业大学本科毕业设计论文 0 第第 1 1 章章 绪论绪论 1.11.1节能的意义节能的意义 尽管我国 2007 年发电机装机容量已达到 7.1329 亿 kw，发电量 32086.86 亿 kwh，但由于我国国民经济连续 20 多年的高速发展，供电状况仍然非常紧张，不 少地区仍要拉闸限电。32086.86 亿 kwh 发电量中，水电只占 4343.25kwh（13.54%） ， 核电 621.3kwh（1.94%） ，而占 27012.56 亿 kwh （84.19%）仍然是热电。燃烧的 煤向大气中排放 CO2 SO2 NOX，造成温室效应和酸雨，影响我们生存的环境。 况且我国是化石能源贮量较少的国家，煤的藏量占世界第 3 位，石油和天然 气只占世界第 10 位。如用 13 亿人口来计算，只是世界人均 1/20。见表 1、表 2。因而节约能源是大势所趋、是基本国策。椐统计，全国发电量的 60%通过电 机转换能量， 。在“十一五”规划中，把电机系统节能放到重要位置。电机系统 节能主要二个方面，一是节能电机，如永磁同步电机，二是电机调速节电。变频 调速体积小、重量轻、转矩大、精度高、功能强、可靠性高、操作简单，便于通 信等功能优于以往任何调速方式，使用它除优质、增产、降耗外，还大量节电。 变频器可以从四个方面节电。第一，软启动，一般交流电机的启动电流为电 机额定电流的 6-7 倍，变频调速后启动电流不超过电机的额定电流。第二，节省 设计冗余，一般设计都按照使用时的极端条件，因而都留有设计冗余，有的余量 很大，形成大马拉小车，变频调速可以把冗余节省下来。第三是调速节电，按流 体力学原理，轴功率正比速度的立方，转速下降，轴功率变小，这是变频调速的 主要节电原理。第四是系统功率因数高，一般在 0.95 以上，节省无功，减轻了 变压器的负担。 近几年来我国国民经济持续高速发展,但能源不足成了影响其发展的瓶颈。 在新闻媒体上不止一次看到这样的信息：“我国单位产出能源消耗大大高于发达 国家和世界平均水平。据计算，2003 年，我国单位国内生产总值的能源消耗比 世界平均水平高 2.2 倍，比美国高 2.3 倍，比欧盟高 4.5 倍，比日本高 8 倍，比 印度还高 0.3。 ”数字是枯燥的，但反映出的现实是惊人的。这组数据说明了一 浙江工业大学本科毕业设计论文 1 个问题，中国能源利用率太低，低到了制约国民经济发展的严重地步。作为一个 制造行业的技术人员，国家能耗过高，电力资源不足，大力上马电站又带来一系 列环境问题，直接威胁到我们的生存质量。因此我们绝不能置身事外，我们要尽 可能的为节约能源做点贡献。本文将以实例来讲述用变频器多段速功能结合 实现风机节能调速。 1.21.2PLC 结合变频器控制风机的意义结合变频器控制风机的意义 本文将以有五台设备共用一台主电机为 11KW 的吸尘风机为例。风机用来吸 取电锯工作时产生的锯屑。不同设备对风量的需求区别不是很大，但设备运转时 电锯并非一直工作，而是根据不同的工序投入运行。 (1) 电能的严重浪费 不同设备一般对风量的需求有所区别，并且并非五台设备同时工作，而是根 据不同的工序投入运行。而一般情况下风机都已最大功率运行，因此造成能源浪 费，增加了生产成本。 (2) 启动困难，机械损伤严重 风机采用直接启动，启动时间长，启动电流大，对电动机的绝缘有着较大的 威胁，严重时甚至烧毁电动机。而高压电动机在启动过程中所产生的单轴转矩现 象使风机产生较大的机械振动应力，严重影响到电动机、风机及其它机械的使用 寿命。 (3) 自动化程度低 风机依靠人工调节档板，更不具备风量的自动实时调节功能，自动化程度低。 在故障状态下，如风流短路，将对正常生产造成严重影响。为了设备的安全生产 和降低生产成本，提升整体的自动化水平，对风机进行变频调速改造具有非常重 要的意义。 以上问题能够解决上述问题，下面章节将进行说明。 浙江工业大学本科毕业设计论文 2 第第 2 2 章章 整体方案的整体方案的说明说明 2.12.1控制要求控制要求 本文将以有五台设备共用一台主电机为 11KW 的吸尘风机为例。由于五台电 锯并非同时工作，所以不同情况下要求的风量是不同的，当一台电锯运行和五台 电锯同时工作时所需的风量相差很大，而在没有变频器的情况下，风机只能以最 大转速运转。所以在对风量需求不大的情况下是对能源的一种浪费，本文设计出 方案，方案要求，用 PLC 对电锯运行的台数进行计算，在电锯开启台数不同的情 况下对变频器的输出频率进行控制，从而控制了风机的转速，对风量的大小进行 调整。 2.22.2控制方案控制方案 用接收各机台电锯工作的信息并对投入工作的电锯台数进行判断，根 据判断，相应的输出点动作来控制变频器的多段速端子，实现多段速控制。从而 不用人为的干预，自动根据投入电锯的台数进行风量控制。根据投入运行的电锯 台数实施五个速段的速度控制。速度设定方案如表一： 表一 运行电锯台数和需求频率对应表 运行电锯台数（台）对应变频器输出频率（Hz）备注 1 25 233 3 40 4 45 5 50 具体设定频率根据现 场效果修改 浙江工业大学本科毕业设计论文 3 第第 3 3 章章 系统硬件设计系统硬件设计 3.13.1硬件选型硬件选型 3.1.1 主要硬件的选型 1、PLC 的选型 根据设计要求，设备中的 PLC 要求 7 输入/4 输出，因此本文将选用 HOLLIAS-LEC G3 系列 LM3105 进行讨论与说明。 （1）HOLLIAS-LEC G3 系列 PLC 的特点： 1)小巧紧凑的结构； 2)简便可靠的安装； 3)丰富的模块种类； 4)灵活的系统配置；5)强大的模拟量处理； 6)丰富的指令集； 7)高性能的运动控制；8)优秀的控制功能；9)独特的掉电保护； 10)实用的离线仿真；11)标准的编程语言；12)通用的人机界面。 （2）HOLLIAS-LEC G3 系列 PLC 的技术规格如下表所示： 表 31 HOLLIAS-LEC G3 系列 PLC 的技术规格 I/O 数目8 路输入/6 路输出 可连接扩展模块2 个 电源电压220V AC50Hz 输出电压24VDC 输入电压24VDC 通讯接口1 个 RS-232(非隔离) 输出类型继电器 2、变频器的选型： 由于本设计中所用的风机为三相 380V11KW，所以本文将选用 HLP-A 系列 HLPA001143B 变频器进行讨论与说明。 （1）此变频器的特点： 1）以大规模电机控制 ICIGBT 为核心，具有多种保护功能，整机可靠性高； 2）对进线电压适应性强，波动可达20%,特别适用于电网质量较差的国家 与地区； 3）软件功能强大，内置有多种控制方式，广泛适应各种工业场合的控制需求； 4）内置 PID 调节器，可方便地构成闭环控制系统； 5）内置简易 PLC，具有牵升、扰动、多段速控制、程序运行等多种功能； 6）高输出扭矩，1HZ 时可达 150%；频率解析度高达 0.01HZ; 浙江工业大学本科毕业设计论文 4 7）过载能力强，150% (1 分钟)，200% (2ms)； 8）具有良好的通讯制界面，极易组成集中控制系统； （2）此变频器的规格如下： 表二 变频器的规格 型号 HLPA001143B 控制方式 SPWM 输入电压3 相 380V 50HZ 功率（KW） 11 驱动器容量（KVA） 19 输出电流（A） 24 适用电机（KW） 11 输出解析度 0.01Hz 范围 0.10400.00Hz 3.1.2 出于安全考虑的其他硬件选择 主电路中估算电流为 20A，电压 380V。功率 11KW。由于对线路安全性的考 虑，以下说明主电路各个部件的选择和规格。 1、 断路器的选择： C65 N - C 20A / 2P VE + SD 分析能力 N：6000A H：10000 A 脱扣曲线 C 型曲线 （配电保护） D 型曲线 （动力保护） 额定电流 1A 2A 4A 6A 10A 16A 20A 25A 32A 40A 50A 63A 极数 1P 2P 3P 4P 可配漏电 保护附件 VE: vigi C65 ELE VEG:vigiC 65G ELE VM: vigi C65 ELM 可配电器附件 MX:分励脱扣单 元 MN：欠压脱口 单元（瞬时型） MN（s）：欠压 脱口单元（延时 型） SD:报警接点 OF:辅助触点 OF+SD/OF:双重 切换接点 图 31 C65 断路器选型表 浙江工业大学本科毕业设计论文 5 结合上表，我们选择的断路器型号为：C65 ND25/3PVE 2、熔断器的选择： （1）熔断器类型的选择 熔断器类型应根据负载的保护特性和短路电流大小来选择。对于保护照明和 电动机的熔断器，一般只考虑它们的过载保护，这时，熔体的熔化系数适当小些。 对于大容量的照明线路和电动机，除过载保护外，还应考虑短路时分断短路电流 的能力来选择。当短路电流较大时，还应采用具有高分断能力的熔断器甚至选用 具有限流作用的熔断器。 此外，还应根据熔断器所接电路的电压来决定熔断器的额定电压。 （2）熔体与熔断器额定电流的确定 熔体额定电流大小与负载大小、负载性质有关。对于负载平稳、无冲击电流， 如一般照明电路、电热电路可按负载电流大小来确定熔体的额定电流。对于有冲 击电流的电动机负载，为达到短路保护目的，又保证电动机正常起动，对笼型感 应电动机其熔断器熔体的额定电流为： 单台电动机 INP=（1.5 2.5）INM （1-6） 由于估算电流为 20A。系数取 2.0，则 INP=2.0*20A=40A 基于上述考虑我们选择德力西 RL1 系列螺旋式熔断器，型号：RL1-40。 3、热过载继电器的选择： 对于热过载继电器的选择，要求电压与电流相匹配。所以我们选择德力西 JR36 系列热过载继电器型号为 JR36-20。 4、导线的选择：导线的选择原则如下表： 表三 导线的选择原则 电流范围（安）导线标准截面积（平方米） 01e81.8 81e121.5 121e202.5 201e254.0 251e326.0 结合上表，我们的估算电流为 20A，所以选择截面积为 4.0 平方毫米的导线 为主线路导线。 浙江工业大学本科毕业设计论文 6 3.23.2主电路图及其说明主电路图及其说明 3.2.1 主电路图 图 32 风机主接线图 3.2.2 电路各部分说明 1、PLC 的作用： 本文中的 PLC 主要用于电锯开关信号的采集、计算以及控制变频器的输出 频率。电锯投入运行信号的采集： 用电锯工作时的控制接触器的一对常开辅助触点控制一个中间继电器，中间 继电器要选用最少有两对常开触点的。用其中的一对接入的一个输入点， 另一对控制一个气阀，气阀再带动气缸，用气缸启闭设备上的风口。这样就实现 了对投入电锯信号的接收，也实现了风口的自动启闭，简单实用。 如图 3-3 所示： 浙江工业大学本科毕业设计论文 7 图 3-3 图中，KA1-KA5 分别是连接五台电锯的时间继电器的常开开关。当所对 应的电锯运行时，开关闭合，即完成了 PLC 的信号采集。 2、变频器的作用： 根据多段速控制的需要和风机运行的特点主要设定的参数如表二。 表四 变频器参数设定表 功能代码编号设定值 意义 备注 01 1 变频器操作方法 20 25 第一段速度 22 33 第二段速度 22 40 第三段速度 23 45 第四段速度 24 50 第五段速度 32 0000 X1 至 X5 端子功能定义 具体设定频率 根据现场效果 修改 75 1 节能运行 3、 PLC 结合变频器的具体实施： （1）多段速控制时端子的组合这个系列的变频器进行多段速控制的端子为 x1,x2 和 x3。通过这三个端子的组合最多可以实现七段速度运行。进行五段速度 控制时的端子组合如表。 浙江工业大学本科毕业设计论文 8 表五 多段速端子与速度段组合表 （2）PLC 输出端与变频器控制端子接线图如图： 图 34 PLC 变频器接线图 3.33.3各主要硬件的日常维护各主要硬件的日常维护 1、PLC 的日常维护： （1）锂电池寿命约 5 年，需更换。 （2）输出接点电流较大或 O N/OFF 频繁者要注意接点寿命，检查更换。 （3）PLC 使用于振动机械上时要注意端子的松动现象。 （4）注意 Plc 的外围温度( O-55 方)湿度(35-85%RH 不结露)及粉尘。 （5）锂电池电压太低，面板上 BATT.low 灯会亮，虽然程序尚可保持一月以上。 （6）更换电池方法步骤：切电源、取下上盖板、拔下旧电池、30 秒内插上新 电池、固定新电池并盖好上盖板。 2、变频器的日常维护： 浙江工业大学本科毕业设计论文 9 （1）良好的接地。电机等强电控制系统的接地线必须通过接地汇流排可靠接 地，微机控制板的屏蔽地，应单独接地。对于某些干扰严重的场合，建议将传 感器、I/O 接口屏蔽层与控制板的控制地相连。 （2）给微机控制板输入电源加装 EMI 滤波器、共模电感、高频磁环等，可以 有效抑制传导干扰。另外，在辐射干扰严重的场合，如周围存在 GSM、或者小 灵通基站时，可以对微机控制板添加金属网状屏蔽罩进行屏蔽处理。 （3）给变频器输入端加装电磁干扰(EMI)滤波器，可以有效抑制变频器对电网 的传导干扰，加装输入交流和直流电抗器，可以提高功率因数，减小谐波污染， 综合效果好。在某些电机与变频器之间距离超过 100 米的场合，需要在变频器 侧添加交流输出电抗器，解决因为输出导线对地分布参数造成的漏电流保护和 减少对外部的辐射干扰。 一个行之有效的方法就是采用钢管穿线或者屏蔽电缆的方法，并将钢管外壳 或者电缆屏蔽层与大地可靠连接。值得注意的是，在不添加交流输出电抗器时， 如果采用钢管穿线或者屏蔽电缆的方法，增大了输出对地的分布电容，容易出 现过流。当然，在实际应用中一般采取其中的一种或者几种方法。 （4）对模拟传感器检测输入和模拟控制信号进行电气屏蔽和隔离。在变频器 组成的控制系统设计过程中，建议尽量不要采用模拟控制，特别是控制距离大 于 1 米、跨控制柜安装的情况下。因为变频器一般都有多段速设定、开关频率 量输入输出，可以满足要求。如果非要用模拟量控制时，建议一定采用屏蔽电 缆，并在传感器侧或者变频器侧实现远端一点接地。如果干扰仍旧严重，需要 实现 DC/DC 隔离措施，可以采用标准的 DC/DC 模块，或者采用对 v/f 转换光隔 离，再采用频率设定输入的方法。 3、风机的日常维护： 定期的维护保养可以让设备保持最佳期的状态，并延长风机的使用寿命。定 期检修维护工作的主要内容有：风机联接件之间的螺栓力矩检查(包括电气连接)， 各传动部件之间的润滑和各项功能测试。风机在正常运行中时，各联接部件的螺 栓长期运行在各种振动的合力当中，极易使其松动，为了不使其在松动后导致局 部螺栓受力不均被剪切，我们必须定期对其进行螺栓力矩的检查。在环境温度低 于-5时，应使其力矩下降到额定力矩的 80%进行紧固，并在温度高于-5后进 行复查。我们一般对螺栓的紧固检查都安排在无风或风小的夏季，以避开风机的 高出力季节。风机的润滑系统主要有稀油润滑(或称矿物油润滑)和干油润滑(或 称润滑脂润滑)两种方式。风机的齿轮箱和偏航减速齿轮箱采用的是稀油润滑方 式，其维护方法是补加和采样化验，若化验结果表明该润滑油已无法再使用，则 进行更换。干油润滑部件有发电机轴承，偏航轴承，偏航齿等。这些部件由于运 行温度较高，极易变质，导致轴承磨损，定期维护时，必须每次都对其进行补加。 浙江工业大学本科毕业设计论文 10 另外，发电机轴承的补加剂量一定要按要求数量加入，不可过多，防止太多后挤 入电机绕组，使电机烧坏。 定期维护的功能测试主要有过速测试，紧急停机测试，液压系统各元件定值 测试，振动开关测试，扭缆开关测试。还可以对控制器的极限定值进行一些常规 测试。定期维护除以上三大项以外，还要检查液压油位，各传感器有无损坏，传 感器的电源是否可靠工作，闸片及闸盘的磨损情况等方面。 浙江工业大学本科毕业设计论文 11 第第 4 4 章章 软件系统设计软件系统设计 4.14.1程序流程图程序流程图 4.24.2PLCPLC 端子定义端子定义 如下表 输入 输出 %IX0.0设备一电锯工作信号%QX0.1 变频器端子 x1 %IX0.1设备二电锯工作信号%QX0.2 变频器端子 x2 %IX0.2设备三电锯工作信号%QX0.3 变频器端子 x3 %IX0.3设备四电锯工作信号%QX0.0 变频器正转信号 %IX0.4设备五电锯工作信号 %IX0.6启动按钮 %IX0.7停止按钮 4.34.34.34.3 编程编程 1、编程软件 PowerPro 的设置 浙江工业大学本科毕业设计论文 12 第一步：新建工程的目标配置 第二步:创建 POU，即编程语言的选择 选择 LD 梯形图语言。 第三步：程序的编写 的程序变量说明见附录 1，程序梯形图见附录 2。 浙江工业大学本科毕业设计论文 13 第第 5 5 章章 系统仿真系统仿真 5.15.1仿真程序的编译仿真程序的编译 浙江工业大学本科毕业设计论文 14 5.25.2系统仿真系统仿真 1、正确配置 PLC 2、仿真模式下的运行 步骤：在线-仿真模式-登陆-运行 以下是两台电锯同时运行下的状态: 浙江工业大学本科毕业设计论文 15 浙江工业大学本科毕业设计论文 16 浙江工业大学本科毕业设计论文 17 浙江工业大学本科毕业设计论文 18 第第 6 6 章章 结论结论 6.16.1实测能耗实测能耗 当变频器在 50Hz 和 40Hz 运行时在变频器输出侧实测数据：40Hz 时电流为 12.2A,电压 250V;50Hz 时电流为 15.8A,电压为 370V。则 P11.732*250*12.2=5.28kw P2=1.732*370*15.8A=10.13kw P1/P2=52.1% 由于此系统中电机总功率比较小，因此变频器的能耗占的比重较大，尽管实 测值与理论值有一定的差距，但改造后每个小时能耗仍可节约 4.85 个千瓦。 6.26.2节能效果计算节能效果计算 改造前每年消耗的电能（按每天工作小时，每年工作天计） W1=10.13*22*250=55715Kwh 改造后每年消耗的电能 W2=5.28*22*250Kwh=29040Kwh 则每年节约电能为 W=W1W2=26675Kwh 如果以每度电 0.5 元计，则每年节约电费 13337.5 元。可见节能效果和经济 效益当可观。 在本设计中，PLC 对开启电锯数目进行了数据的采集和计算，从而改变变频 器的输出频率，变频器控制风机运转，在不同风量的需求下使风机按照要求进行 运转，达到了节能减排的目的。 风机的变频节能效果非常可观，并且在节能的同时减轻了设备的机械负荷， 延长了设备的使用寿命，提高了设备的自动化程度。也符合国家提倡的建设节能 型社会的需求。因此这个实例很值得在多风口集中吸尘应用情况下推广使用。 浙江工业大学本科毕业设计论文 19 致谢致谢 本论文的顺利完成离不开各位老师，同学的关心和帮助。 在此，我要首先感谢毛梅娟老师四年来对我的培养，她严谨的治学态度，精 益求精的工作作风，诲人不倦的高尚师德，严以律己、宽以待人的崇高风范，平 易近人的人格魅力对我影响深远，受用一生。 本文的撰写过程中得到了指导老师王华老师对研究课题的支持和对文章孜孜 不倦的批阅、指导，在与的讨论中得到许多启发，受益良多，在此特别感谢！ 本文的撰写过