可編程控制器在空壓機變頻改造中的應用研究

1、網(wǎng)絡教育學院 本 科 生 畢 業(yè) 論 文(設 計 原創(chuàng)優(yōu)秀論文題 目:可編程控制器在空壓機變頻改造中的應用研究學習中心:江蘇南通奧鵬層 次:專科起點本科專 業(yè):電氣工程及其自動化年 級:學 號:學 生:指導教師:王 瑩完成日期: 2011年 3月 2日 內(nèi)容摘要空壓機是一種用來壓縮氣體提高氣體壓力的機械,廣泛地應用在采礦、冶金、 機械制造、石油化工以及國防工業(yè)中。而空壓機生產(chǎn)壓縮空氣的過程是重要耗能 環(huán)節(jié)之一,同時,空壓機的加、卸載工作方式會產(chǎn)生很多缺陷。相關資料表明:使用變頻調(diào)速技術能很好地克服上述缺點。而對空壓機進行 變頻改造,控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和有效性非常重要。本文通過實踐介紹了基于 PL

2、C 的空壓機變頻改造系統(tǒng)設計、基本工作原理和主要實現(xiàn)形式,為實現(xiàn)空壓機變頻 改造的穩(wěn)定性和有效性提供了可行的解決辦法。關鍵詞:空壓機; PLC ;變頻改造目 錄內(nèi)容摘要 . I 引 言 . 1 1 PLC 的結(jié)構(gòu)、工作原理及系統(tǒng)設計 . 3 1.1 PLC的結(jié)構(gòu) . 3 1.2 PLC的主要組成部分 . 4 1.3 PLC的工作原理 . 5 1.4 循環(huán)掃描技術 . 5 1.5 PLC的編程工具 . 6 1.6 PLC控制系統(tǒng)的構(gòu)成、設計原則及步驟 . 61.7 PLC控制系統(tǒng)發(fā)展趨勢 . 73.3 變速驅(qū)動空壓機能效特點 . 154 空壓機變頻改造實現(xiàn) . 17 4.1 硬件選擇 . 17

3、4.2 電氣原理圖的繪制 . 17 4.3 可編程控制器程序的編寫 . 184.4 系統(tǒng)改造中應注意的問題 . 204.5 節(jié)能效果分析 . 215 結(jié)論 . 22參考文獻 . 23引 言壓縮空氣是工業(yè)上常用的能源介質(zhì)之一,是用以驅(qū)動風鎬、風鉆等風動機械 的原動力,其最大的優(yōu)點是能夠利用取之不盡、用之不竭的自由空氣。與電力相 比,它具有以下特點:不產(chǎn)生火花;不怕超負荷;無觸電危險;在濕度大、溫度 高、灰塵多的環(huán)境中能很好的工作 1?？諝鈮嚎s機 (簡稱空壓機 是一種用來壓縮氣體提高氣體壓力或輸送氣體的機 械。隨著生產(chǎn)技術的不斷發(fā)展,壓縮機的種類和結(jié)構(gòu)型式也日益增多。目前不但 廣泛地應用在采礦業(yè)、

4、冶金業(yè)、機械制造業(yè)、土木工程、石油化工、制冷與氣體 分離工程以及國防工業(yè)中。而且醫(yī)療、紡織、食品、農(nóng)業(yè)、交通等部門,對壓縮 機的需要也在不斷地增加。而空壓機生產(chǎn)壓縮空氣的過程是工業(yè)生產(chǎn)中的重要耗 能環(huán)節(jié)之一?？諌簷C在很多工礦企業(yè)中是不可缺少的設備。同時,配套電動機容量的設計 裕量一般偏大,且往往是常年連續(xù)運行,系統(tǒng)能源浪費巨大,運行成本高。因此, 空壓機的節(jié)能潛力很大?？諌簷C (螺桿式 傳統(tǒng)工作方式為進氣閥開、關控制方式。 即壓力達到上限 (emax時關閥,壓縮機進入輕載運行;壓力達到下限 (Pmin時開 閥,壓縮機進入滿載運行。壓縮機這種加、 卸載方式,使得壓縮氣體的壓力在 Pmin-Pma

5、x 之間來回變化。 這里, Pmin 為能夠保證用戶正常工作的最低壓力值, Pmax 為設定的最高壓力值。一般情況下, Pmax 為 (1.11. 25Pmin ?？諌簷C這種 加、卸載工作方式,優(yōu)點是控制方式簡單,成本較低,但會造成如下負面效果 2:空載運行浪費很多能量。壓縮空氣壓力超過 Pmin 時,壓縮機還要使其壓力 繼續(xù)上升到 Pmax 才關閥,這一過程需要電源提供空壓機能量;當 P=Pmax時,關 閉進氣閥,空壓機不再壓縮氣體做功,但空壓機的主電機還在運轉(zhuǎn),此時能耗約 占空壓機滿載運行的 30%70%,屬非經(jīng)濟運行,電能浪費嚴重。主電機雖然以星三角降壓起動,但起動時的電流仍然很大,大約

6、是額定電 流的 57倍,會影響電網(wǎng)的穩(wěn)定及其它用電設備的運行安全。主電機工頻起動設備的沖擊大,電機軸承的磨損大,所以對設備的維護量 大。減壓閥減壓能量浪費。氣動元件的額定氣壓在 Pmin 左右。高于 Pmin 的氣 體在進入氣動元件之前,要經(jīng)過減壓至接近 Pmin 值,同樣是一個耗能過程。 空壓機電動機容量的浪費。設計者考慮空壓機滿載運行的可能,空壓機電 動機容量按最大需要選擇,但實際運行中,輕載運行時間所占比例是非常高的,造成很大能量浪費?？繖C械方式頻繁地調(diào)節(jié)閥動作,加速了調(diào)節(jié)閥的磨損,縮短壽命,增加維 護工作量,加大成本。經(jīng)查閱資料,使用變頻調(diào)速技術能很好地克服上述的缺點。而對空壓機進行

7、變頻改造,整體控制系統(tǒng)的穩(wěn)定度和有效性非常的重要。而基于可編程序控制器 (PLC對空壓機進行變頻改造可以很好的提高整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和有效性,是空壓 機改造的一個未來發(fā)展方向之一 3。 本文基于可編程控制器對空壓機變頻改造進行 了研究、實踐,希望本文的研究可以提高我國空壓機的應用精度,降低使用能耗。1 PLC的結(jié)構(gòu)、工作原理及系統(tǒng)設計1.1 PLC的結(jié)構(gòu)PLC 實質(zhì)是一種專用于工業(yè)控制的計算機, 其硬件結(jié)構(gòu)基本上與微型計算機相 同。根據(jù)結(jié)構(gòu)形式的不同, PLC 的基本結(jié)構(gòu)分為整體式和模塊式結(jié)構(gòu)兩類 4。 整體式 (又稱箱體式 結(jié)構(gòu)的 PLC 由中央處理器 (CPU 、 存儲器、 輸入 /輸出 (

8、I/O 單元、電源電路和通信端口等組成,并將這些組裝在同一機體內(nèi)。這種結(jié)構(gòu)的特 點是結(jié)構(gòu)簡單、體積小、價格低、輸入 /輸出點數(shù)固定、實現(xiàn)的功能和控制規(guī)模固 定,但靈活性較低。其基本結(jié)構(gòu)框圖如圖 1.1所示。 圖 1.1 整體式結(jié)構(gòu)模塊式(又稱組合式結(jié)構(gòu)的 PLC 是將中央處理器(CPU 、存儲器、輸入 /輸 出(I/O單元、電源電路和通信端口等分別做成相應的模塊,應用時將這些模塊 根據(jù)控制要求插在機架上,各模塊間通過機架上的總線相互聯(lián)系。模塊式的 PLC 安裝完成后,需進行登記,以便 PLC 對安裝在總線上的各模塊進行地址確認,其 特點是系統(tǒng)構(gòu)成的靈活性較高, 可以構(gòu)成不同控制規(guī)模和功能的 P

9、LC , 但同時價格 也較高?；窘Y(jié)構(gòu)框圖如圖 1.2所示,設計采用的是模塊式結(jié)構(gòu)。 圖 1.2 模塊式結(jié)構(gòu)1.2 PLC的主要組成部分(1中央處理器中央處理器(CPU 是 PLC 的核心部分,它通過系統(tǒng)總線與用戶存儲器、輸入 /輸出(I/O 、通信端口等單元相連。通過制造廠家預制在系統(tǒng)存儲器內(nèi)部的系統(tǒng) 程序完成各項任務。其主要功能是由編程器寫入控制程序和數(shù)據(jù)到存儲器、調(diào)用 系統(tǒng)程序?qū)τ脩舫绦蜻M行編輯或編譯并把相應的操作數(shù)轉(zhuǎn)存到內(nèi)存中去、從存儲 器上讀取和執(zhí)行程序,還可以進行 PLC 內(nèi)部故障的診斷等。(2存儲器根據(jù)存儲器存儲內(nèi)容的不同,把存儲器分為:系統(tǒng)程序存儲器:用來存放系統(tǒng)程序的存儲器。

10、系統(tǒng)程序相當于計算機操作 系統(tǒng),主要包括檢查程序、編譯程序和監(jiān)控程序,是 PLC 廠家根據(jù)選用的 CPU 的 指令系統(tǒng)編寫的,并固化到 ROM 里,用戶不能修改其內(nèi)容。用戶程序存儲器:用來存放用戶根據(jù)控制要求編制的程序。不同類型的 PLC , 其存儲容量也不一樣。數(shù)據(jù)存儲器:用以存放 PLC 運行中的各種數(shù)據(jù)的存儲器。因為運行中數(shù)據(jù)不 斷變化,所以這種存儲器必須可讀寫。(3輸入 /輸出(I/O單元輸入 /輸出(I/O單元是 PLC 與外部設備連接的紐帶。輸入單元接收現(xiàn)場設 備向 PLC 提供的開關量信號,經(jīng)過處理后,變成 CPU 能夠識別的信號。輸出單元 將 CPU 的信號經(jīng)處理后來控制外部設

11、備的。(4電源部分不同型號的 PLC 有不同的供電方式, 所以 PLC 電源的輸入電壓既有 12V 和 24V 直流,又有 110V 和 220V 交流。 PLC 內(nèi)部使用的電源是整體的供給中心,它的優(yōu)劣 直接影響到 PLC 的功能和可靠性,因此目前大部分 PLC 采用開關式穩(wěn)壓電源供電。 (5通信端口PLC 的 CPU 模塊上至少有一個通信端口。通過這個通信端口, PLC 可以直接和 編程器或上位機相連。(6編程器幾乎每個 PLC 廠家都有自己的編程器。用戶通過編程器來編寫控制程序,并 通過編程器接口將自己的控制程序輸入到 PLC 。它還可以在線檢測程序的運行情 況。(7特殊功能單元主要包括

12、模擬量輸入 /輸出單元、遠程 I/0模塊、通信模塊、高速計數(shù)模塊、 中斷輸入模塊和 PID 調(diào)解模塊等。隨著 PLC 的進一步發(fā)展,特殊功能單元的應用 也越來越多。1.3 PLC的工作原理PLC 與繼電器構(gòu)成的控制裝置的重要區(qū)別之一就是工作方式不同, 繼電器控制 是并行運行方式,即如果輸出線圈通電或斷電,該線圈的觸點立即動作,只要形 成電流通路,就有可能有幾個電器同時動作。而 PLC 則不同,它采用循環(huán)掃描技 術,只有該線圈通電或斷電,并且必須當程序掃描到該線圈時,該線圈觸點才會 動作,而且每次它只能執(zhí)行一條指令,這也就是說 PLC 以“串行”方式工作的, 這種工作方式可以避免繼電器控制的觸點

13、競爭和時序失配等問題。也可以說,繼 電器控制裝置是根據(jù)輸入和邏輯控制結(jié)構(gòu)就可以直接得到輸出,而 PLC 控制則需 要輸入傳送、執(zhí)行程序指令、輸出 3個階段才能完成控制過程。1.4 循環(huán)掃描技術PLC 采用循環(huán)掃描技術可以分為 3個階段:輸入階段 (將外部輸入信號的狀態(tài) 傳送到 PLC 、執(zhí)行程序和輸出階段(將輸出信號傳送到外部設備 。掃描過程如圖 1.3所示。 在輸入階段中, PLC 先進行自我診斷,然后與編程器或計算機通信,同時中央 處理器掃描各個輸入端并讀取輸入信號的狀態(tài)和數(shù)據(jù),并把它們存入相應的輸入 存儲單元。在執(zhí)行階段中, PLC 按照由上到下的次序逐步執(zhí)行程序指令。 從相應的輸入存

14、儲單元讀入輸入信號的狀態(tài)和數(shù)據(jù),然后根據(jù)程序內(nèi)部繼電器、定時器、計數(shù)器 數(shù)據(jù)寄存器的狀態(tài)和數(shù)據(jù)進行邏輯運算,得到運算結(jié)果,并將這些結(jié)果存入相應 的輸出存儲器單元。在輸出階段中, PLC 將相應的輸出存儲單元的運算結(jié)果傳送到輸出模塊上, 并 通過輸出模塊向外部沒備傳送輸出信號,開始控制外部設備。1.5 PLC的編程工具PLC 的編程主要是通過編程器或用 PLC 公司提供的編程軟件來完成。每個 PLC 公司都有自己的編程器,一般它比較小,而且比較輕,適合在現(xiàn)場使用。但是它 只能使用助記符語言對 PLC 進行編程,而且由于屏幕較小,每次只能顯示一兩行 程序,難于對程序從整體上進行分析。 PLC 公司

15、提供的編程軟件則能使用梯形圖、 助記符或功能塊圖語言進行編程。通過編程軟件,不僅能在一個屏幕上看到十幾 頁,甚至幾十頁的程序,從宏觀上對程序進行編輯和分析,而且它還能對程序的 運行情況進行監(jiān)視 5。1.6 PLC控制系統(tǒng)的構(gòu)成、設計原則及步驟PLC 控制系統(tǒng)由硬件部分和軟件部分組成。對于整個 PLC 控制系統(tǒng)來說,其硬件部分不僅包括選擇符合控制要求的 PLC 機型、存儲器容量、電源模塊、輸入 /輸出模塊、通信模塊、模擬量輸入 /輸出模 塊和特殊功能模塊等,還應當包括選擇合適的可編程控制器外圍裝置、設備與接 口,如輸入設備(控制按鈕、開關、傳感器等 、執(zhí)行裝置(接觸器、繼電器等 和由執(zhí)行裝置控制

16、的現(xiàn)場設備(水泵、鼓風機、閥門等 。軟件部分主要包括對 PLC 進行 I/O點地址、內(nèi)部繼電器、定時器、計數(shù)器等 的分配, PLC 控制程序的設計(梯形圖、語句表、流程圖等 ,還有一些技術文件 等。PLC 控制系統(tǒng)是為工藝流程服務的, 所以它首先要能很好地實現(xiàn)工藝提出的控 制要求。 PLC 控制系統(tǒng)的設計應遵循以下原則。(1根據(jù)工藝流程進行設計,力求控制系統(tǒng)能最大限度地滿足控制要求。(2在滿足控制要求的前提下,盡量減少 PLC 系統(tǒng)硬件費用。(3考慮到以后控制要求的變化,所以控制系統(tǒng)設計時應考慮 PLC 的可擴展 性。(4控制系統(tǒng)使用和維護方便、安全可靠。具體操作如下:(1控制要求分析在設計

17、PLC 控制系統(tǒng)之前,必須對工藝過程進行細致的分析,詳細了解控制 對象和控制要求,這樣才能真正明白自己所要完成的任務,并更好地完成任務,設計出令人滿意的控制系統(tǒng)。(2確定輸入 /輸出設備根據(jù)控制要求選擇合適的輸入設備(控制按鈕、開關、傳感器等和輸出設 備(接觸器、繼電器等 ,根據(jù)所選用的輸入 /輸出設備的類型和數(shù)量確定 PLC 的 I/0點數(shù)。(3選擇合適 PLC確定 PLC 的 I/0點數(shù)后,就根據(jù) I/0點數(shù)、控制要求等來進行 PLC 的選擇。 選擇包括機型、存儲器容量、輸入 /輸出模塊、電源模塊和智能模塊等。(4 I/0點數(shù)分配點數(shù)分配就是規(guī)定 PLC 的 I/0端子和輸入 /輸出設備,

18、畫出 I/0接線原理圖。 (5 PLC 程序設計首先把工藝流程分為若干階段,確定每一階段的輸入信號和輸出要控制的設 備,還有不同階段之間的聯(lián)系,然后畫出程序流程圖,最后再進行程序編制。 (6模擬調(diào)試程序編制好后,可以用按鈕和開關模擬數(shù)字量,電壓源和電流源代替模擬量, 進行模擬調(diào)試,使控制程序基本滿足控制要求。(7現(xiàn)場聯(lián)機調(diào)試現(xiàn)場聯(lián)機調(diào)試就是將 PLC 與現(xiàn)場設備進行調(diào)試。在這一步中可以發(fā)現(xiàn)程序存 在的實際問題,然后經(jīng)過修正后使其滿足控制要求。(8整理技術文件這一步主要包括整理與設計有關的文檔,包括設計說明書、 I/O接線原理圖、 程序清單和使用說明書等。1.7 PLC控制系統(tǒng)發(fā)展趨勢PLC 的

19、主要發(fā)展趨勢主要表現(xiàn)在以下幾個方面 4:(1高速度、高 I/0容量、功能強大隨著 CPU 處理速度的提高, PLC 程序執(zhí)行的速度也越來越快; 大規(guī)模和超大規(guī) 模集成電路的發(fā)展,相應地使 I/O的容量也得到增加;智能模塊的增加,使 PLC 能夠?qū)崿F(xiàn)的功能越來越多。(2強大的 PLC 聯(lián)網(wǎng)能力隨著人們對工業(yè)自動化的要求越來越高,人們已經(jīng)不再滿足對幾個設備、幾 條生產(chǎn)線的 PLC 控制,而是要求實現(xiàn)對全工廠的自動化,所以提高 PLC 控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡功能成為 PLC 的發(fā)展趨勢。以后人們不僅能通過通信模塊進行 PLC 與 PLC 、 PLC 與上位機之間的連接,還能通過撥號或者無線的方式使 PLC

20、聯(lián)網(wǎng)。(3編程軟件多樣化PLC 的梯形圖語言、 助記符語言和功能模塊語言雖然使用方便, 而且也能很好 地實現(xiàn)控制要求,但是在處理一些高級功能(復雜運算、報表生成和打印等功能 時存在明顯的不足,所以就要求高級語言(BASIC 、 C 、 FORTRAN 等 、圖形語言、 匯編語言兼容。這樣不僅可以通過梯形圖語言、助記符語言和功能模塊語言來編 寫程序,也可以通過高級語言來編程。2 變頻調(diào)速技術概述2.1 變頻調(diào)速原理變頻調(diào)速技術可以節(jié)約能源,提高產(chǎn)品質(zhì)量。而在通風空調(diào)設備中采用變頻 調(diào)速技術,可以降低空調(diào)能耗,本文研究如何在空壓機中應用變頻調(diào)速技術,來 使空壓機能耗降低。以下對變頻調(diào)速的原理進行了

21、研究:異步電機的轉(zhuǎn)速 n 可以表示為: (12160n n s p f n -=-= (2.1式中 :2n -同步轉(zhuǎn)速;1n -轉(zhuǎn)差損失的轉(zhuǎn)速;P-磁極對數(shù);s-轉(zhuǎn)差率;f-電源頻率。分析式 2.1, 發(fā)現(xiàn)改變電源頻率可以改變同步轉(zhuǎn)速和電機轉(zhuǎn)速。 電源頻率的下 降會導致以下現(xiàn)象發(fā)生:磁通的增加,造成磁路飽和,勵磁電流增加,功率因數(shù) 下降,鐵心和線圈過熱。顯然這些現(xiàn)象是不允許的,因此要在降頻的同時還要降 壓,因此要求頻率與電壓協(xié)調(diào)控制。此外,在許多應用場合,為了保持在調(diào)速時 電動機產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩不變,這也需要維持磁通不變。因此這也是由頻率和電壓協(xié) 調(diào)控制來實現(xiàn),故稱為可變頻率可變電壓調(diào)速 (VVV

22、F,簡稱變頻調(diào)速。實現(xiàn)變頻調(diào)速的裝置稱為變頻器。變頻器一般由整流器、濾波器、驅(qū)動電路、 保護電路以及控制器 (MCU / DSP 等部分組成。首先將單相或三相交流電源通過 整流器并經(jīng)電容濾波后,形成幅值基本固定的直流電壓加在逆變器上,利用逆變 器功率元件的通斷控制,使逆變器輸出端獲得一定形狀的矩形脈沖波形。在這里, 通過改變矩形脈沖的寬度控制其電壓幅值;通過改變調(diào)制周期控制其輸出頻率, 從而在逆變器上同時進行輸出電壓和頻率的控制,而滿足變頻調(diào)速對 U/f協(xié)調(diào)控 制的要求。 PWM 的優(yōu)點是能消除或抑制低次諧波, 使負載電機在近似正弦波的交變 電壓下運行,轉(zhuǎn)矩脈沖小,調(diào)速范圍寬 2。2.2 變頻

23、調(diào)速的主要功能(1變頻調(diào)速系統(tǒng)具有軟起動功能,可抑制起動電流,減少機械振動,可無 沖擊地進行加減速運行,從而對機械實現(xiàn)優(yōu)化控制。(2變頻調(diào)速系統(tǒng)具有非常強的保護功能。如欠壓、過壓、缺相、過載,過電流、短路、瞬時停電等多項保護功能,系統(tǒng)可手動、自控、遙控,也可與可編 程控制器、計算機等聯(lián)接,實現(xiàn)閉環(huán)自動控制。其標準的積木式硬件結(jié)構(gòu)以及模 塊化軟件,使得它可以適應大小不同,功能繁鎖的控制要求,并且采用電氣操作 人員習慣的梯形圖與功能助記符編程,便于用戶十分方便地讀懂程序,編寫、修 改和擴展。系統(tǒng)有完善的診斷、監(jiān)視、報警等功能,穩(wěn)定性、抗干擾能力強,可 以適應惡劣的工業(yè)環(huán)境。(3變頻調(diào)速系統(tǒng)具有檢測

24、顯示,指令丟失的自動運行功能,頻率設定,禁 止功能,以達到防止機械系統(tǒng)發(fā)生共振的目的。2.3 變頻器的選取隨著計算機技術的日新月異?，F(xiàn)代電力電子技術的迅速發(fā)展和現(xiàn)代調(diào)速控制 理論的長足進步,變頻器不僅用于一般性能的節(jié)能調(diào)速控制,而且已經(jīng)用于高性 能、高轉(zhuǎn)速、大容量調(diào)速控制方面,變頻器普遍的被冶金、機械、鋼鐵、紡織、 造紙等企業(yè)選用。交流傳動與控制技術是目前發(fā)展最為迅速的技術之一。這是與電力電子器件 制造技術、變流技術、控制技術、微型計算機和大規(guī)模集成電路的飛速發(fā)展密切 相關的。變頻技術是應交流電機無級調(diào)速的需要而誕生的。自 20世紀 80年代初 通用變頻器問世以來,通用變頻器更新?lián)Q代了五次:第

25、一代是 80年代初的模擬通 用變頻器,第二代是 80年代中期的數(shù)字式通用變頻器,第三代是 90年代初的智 能型通用變頻器,第四代是 90年代中期的多功能通用變頻器,本世紀研制上市第 五代集中型通用變頻器。變頻器對電動機進行控制是根據(jù)電動機的特性參數(shù)及電動機運轉(zhuǎn)要求,對電 動機提供電壓、電流頻率進行控制,達到負載的要求。因此就和變頻器的主電路 一樣,逆變器件也相同,單片機位數(shù)也一樣,只是控制方式不一樣,其控制效果 是不一樣的。所以控制方式是很重要的,它代表變頻器的水平。目前變頻器對電 動機的控制方式大體可分為 u /f 恒定控制:轉(zhuǎn)差頻率控制;矢量控制;直接轉(zhuǎn)矩 控制;非線性控制;自適應控制;滑

26、模變結(jié)構(gòu)控制;智能控制 6。變頻器的控制方式代表著變頻器的性能和水平,在工程應用中根據(jù)不同的負 載及不同控制要求,合理選擇變頻器以達到資源的最佳配置,具有重要的意義.變頻器選擇時,應根據(jù)負載特性、工藝要求、工作環(huán)境、投資情況、能否完成調(diào) 速功能、能否運用于不同負載,并且負載出現(xiàn)故障時能夠起到有效保護等方面綜 合考慮。(1容量選擇根據(jù)電動機功率來做初步比較,更為仔細地按實際電流選擇。 一般變頻器按 4級電機標稱電流,若帶兩種電機,更應注意電流容量。同時其保 護動值也作相應修改。避免選用變頻器驅(qū)動與其容量不符的電動機.變頻器在容 量選擇時主要考慮電機運行電流、過載倍數(shù)、負載特性等問題。(2傳動功能

27、選擇。根據(jù)所帶電機負載變化特性,選擇不同性能的變頻器, 在控制精度、反饋控制要求及給定方式比較,并且考慮內(nèi)部功能及其設置,使其 達到良好控制,如果變頻器控制的電機長期低速運行,則選型時要考慮適當加大 變頻器容量以保證電機更加良好運行.此外,還要考慮環(huán)境溫度,散熱條件等其 他因素.(3保護特性。變頻器在出廠時都設定保護功能,為使系統(tǒng)能正?？煽康毓?作,應根據(jù)需要作相應調(diào)整。用一臺變頻器控制多臺電動機時,除了電動機運行 的總電流小于變頻器額定電流外,還要使電動機最大電流的總和 (例如加速電流 不得大于變頻器的最大輸出電流。此外,還至少要計算一臺電動機起動電流的影 響,以避免變頻器瞬間過流保護,而造

28、成系統(tǒng)死機。3基于 PLC 的空壓機變頻改造設計3.1車間空壓機運營情況簡介為了滿足給生產(chǎn)車間提供正壓和負壓的需要,工廠設置了專門空壓房?？諌?房內(nèi)的正壓系統(tǒng)配備有五臺上海佳力士機械有限公司生產(chǎn)的 OG160S27/0.8型空壓 機,單機產(chǎn)氣量 27m 3/min,全部為無油螺桿型壓縮機,具有操作簡便,智能化程 度較高的優(yōu)點,正常運行為三用兩備。上海佳力士機械有限公司生產(chǎn)的螺桿型壓縮機的壓力采用上、下限控制兩點 控制。當空氣壓縮機的壓力達到設定值上限時,空氣壓縮機通過油壓關閉進氣閥。 當空氣壓縮機的壓力下降到設定值下限時,也通過油壓打開進氣閥。在生產(chǎn)中的 用氣量是時常變化的,這就導致了空氣壓縮

29、機頻繁的卸載和加載,這對空氣壓縮 機、電動機和電網(wǎng)造成很大的沖擊。當空氣壓縮機卸荷運行時,不產(chǎn)生壓縮空氣,電動機處于空載狀態(tài),其用電 量為滿負載的 60%左右。這部分電能被白白浪費。在這種情況下,對其進行變頻改 造是非常必要的。3.2螺桿空壓機變頻控制系統(tǒng)設計一般來說,變頻技術能夠通過控制螺桿壓縮機內(nèi)的電動機的轉(zhuǎn)速,來改變壓 縮機主機的速度來,將壓縮空氣的供氣與用氣相匹配,這樣可以使系統(tǒng)達到穩(wěn)定 系統(tǒng)壓力,電流流量負荷降低。采用變頻控制技術不僅有利于生產(chǎn)設備的穩(wěn)定運 行,更可以得到較好的節(jié)能效果。本文設計的變頻控制系統(tǒng)的硬件組成主要有以下幾個部分:智能 PID 控制器、 電源切換柜、傳感器、變

30、頻器和空氣壓縮機組成。在變頻系統(tǒng)中安裝電源切換柜, 主要是為了加大系統(tǒng)安全系數(shù)。當變頻系統(tǒng)出現(xiàn)故障時,仍能保證空氣壓縮機的 正常運行;變頻器的主要作用就是控制電機的轉(zhuǎn)速,實現(xiàn)變頻節(jié)能技術;壓力傳 感器的作用主要就是監(jiān)控氣體的壓力;智能 PID 控制器主要作用是,通過相關算 法保持系統(tǒng)輸出的氣體壓力恒定 7。12 圖 3.1 系統(tǒng)組成框圖變頻控制系統(tǒng)是通過安裝在壓縮空氣系統(tǒng)總管上的壓力傳感器檢測到系統(tǒng)壓 力的變化傳給 PID 控制器, PID 控制器按照設定壓力輸出一個電流信號送到變頻器。 當壓力傳感器檢測到的壓力信號大于目標壓力設定值時, PID 控制器輸出的信號減 弱,使變頻器輸出頻率降低,

31、空氣壓縮機電動機轉(zhuǎn)速降低,輸送到管網(wǎng)的氣量減 少,系統(tǒng)壓力降低;當壓力傳感器檢測劍的壓力信號小于目標壓力設定值時, PID 控制器輸出的信號增強,使變頻器輸出頻率增加,空氣壓縮機電動機轉(zhuǎn)速上升, 空氣壓縮機輸送到管刪的氣量增加,系統(tǒng)壓力升高,從而達到穩(wěn)定系統(tǒng)壓力的目 的?？諌簷C變頻控制電動機轉(zhuǎn)速和電源頻率的關系可由式 3.1表示:psfn /1(60-=(3.1 式中: n電動機轉(zhuǎn)速;s電動機轉(zhuǎn)差率;f電源頻率;p電動機極對數(shù)。(1 PID 控制基本原理PID 控制器由比例單元, 積分單元, 和微分單元組成。 它結(jié)構(gòu)簡單、 穩(wěn)定性好、 工作可靠、調(diào)整方便。 PID 控制器的結(jié)構(gòu)框圖如圖 3.2

32、所示1314 圖 3.2 PID系統(tǒng)框圖其中 r(t為給定值, e(t為偏差值, u(t為控制值。PID 控制器根據(jù)給定值 r(t與實際輸出值 c(t相減構(gòu)成的控制偏差 e(t( ( ( e t r t c t =- (3.2將式 (3.2中的控制偏差 e(t與比例環(huán)節(jié) P ,積分環(huán)節(jié) I 和微分環(huán)節(jié) D 通過線 性組合構(gòu)成控制量輸出 u (t ,對被控對象進行控制,故稱為 PID 控制器。其控制 規(guī)律為:(01( ( D P t I T de t u t K e t dt T e t dt =+ (3.3 其中 I T , D T 為積分時間和微分時間, P K 為比例系數(shù)。 這三個參數(shù)的取

33、值優(yōu)劣 將影響到 PID 控制系統(tǒng)的控制效果的好壞。(2 PID 控制器各參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響 1比例增益 P K 的作用是為了及時的反映控制系統(tǒng)的偏差信號,一旦系統(tǒng)出現(xiàn) 了偏差,比例調(diào)節(jié)作用立即產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用,使系統(tǒng)偏差快速減小。增大 P K , PID 控制器可以加快調(diào)節(jié),但是過大的比例增益會使調(diào)節(jié)過程出現(xiàn)較大的超調(diào)量,降 低系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 2積分環(huán)節(jié)的引用是為了消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差,提高系統(tǒng)的無差度,以保證實 際值對設定值的無靜差跟蹤。但積分環(huán)節(jié)的引入會使系統(tǒng)動態(tài)響應變慢。實際中, 積分作用常與另外兩種調(diào)節(jié)規(guī)律結(jié)合,組成 PI 控制器或者 PID 控制器。 3微分環(huán)節(jié)作用的引入,主要是為了改善

34、控制系統(tǒng)的響應速度和穩(wěn)定性。微 分作用能反映系統(tǒng)偏差的變化規(guī)律,預見偏差變化的趨勢,因此能產(chǎn)生超前的控 制作用。微分作用的強弱取決于微分時間 D T 的大小, D T 越大,微分作用越強,反 之則越弱。(3智能 PID 控制器設計本文設計的智能 PID 控制器的主要特點就是相關參數(shù)可變。為了保持系統(tǒng)輸 出壓力的恒定,當壓力偏差很大時,采用比例 P 控制,讓實際值快速趨近給定值, 增強系統(tǒng)的快速性;而當壓力偏差很小的時候,采用 PI 聯(lián)用控制,增強系統(tǒng)的穩(wěn) 定性,抑制超調(diào)。系統(tǒng)框圖如圖 3.3所示。 圖 3.3 系統(tǒng)框圖系統(tǒng)程序邏輯框圖如圖 3.4所示。 圖 3.4 程序框圖3.3 變速驅(qū)動空壓

35、機能效特點空壓機的轉(zhuǎn)矩負載在工作過程中比較恒定。因此,當空氣壓縮機內(nèi)的電動機 的功率與轉(zhuǎn)速呈近似一次方的關系時,其消耗功率和負荷百分比的變化曲線如圖 3.5所示。15 圖 3.5 變頻控制空氣壓縮機負荷功率對比曲線由于變速驅(qū)動過程存在一些內(nèi)在損耗,因此變速驅(qū)動控制模式在負荷變化較 大且很少處于滿載狀態(tài)的單個壓縮機應用場合工作效果最佳。在多級壓縮機應用 場合,變速控制壓縮機應當只作為調(diào)節(jié)壓縮機使用。針對本文而言,本文的壓縮 機不屬于多級壓縮機,所以應用起來比較適合。164 空壓機變頻改造實現(xiàn)4.1 硬件選擇空壓機冷卻系統(tǒng)水泵控制系統(tǒng)使用的三菱 FX2N-64MR-001型可編程控制器, 外加了一

36、模擬量輸入模塊 FX2N-4AD-PT 。 壓力表選擇了磁助電接點壓力表, 量程為 01.6Mpa。水泵變頻器選用了三墾品牌風機水泵專用變頻器,在型號和功率選擇 方面考慮可能性的重載而選擇了 SANKEN SHF-15K,功率為 15KW 。其它控制元器 件如斷路器、接觸器、熱繼電器和中間繼電器均選擇西門子產(chǎn)品,其它部分元器 件如隔離開關、電度計量表和保險等選擇國內(nèi)正泰產(chǎn)品。4.2 電氣原理圖的繪制選用了 AUTOCAD2004畫圖軟件畫制了電氣原理圖,詳見附件一的電氣接線圖, 在設計上為了控制能耗情況而設計了電能計量表,第二臺水泵現(xiàn)采用工頻控制, 預留安裝變頻器控制的空間,內(nèi)含有水池冷卻塔控

37、制電源,同時在第一臺變頻器 控制水泵留有工頻控制功能。詳見圖 4.1電氣原理圖。 2#泵變頻控制1#水泵變頻控制 工 頻 互 鎖 變 頻 互 鎖 啟 動 停 止 停 止 啟 動 2#風扇說明:1、本柜中使用三菱 2、本控制單獨啟動按鈕,1#水泵的運行狀態(tài)為運行方式旋鈕控制,2#水泵為工頻 。正常按需要開啟1#和2#水泵,3#為備用。 3、1#水泵變頻控制中的運行頻率按照水管壓力和水溫來調(diào)節(jié),如水管中的壓力低(電極點壓力表信號或進水管中的溫度高 ( ,20攝氏度 以低速(25運行,其它運行在中速(40 4、風扇為工頻運行方式。水溫過高時將報警來提示開風扇向 運 轉(zhuǎn) 速 運 行 速 運 行 速 運

38、 行速 運 行 速 運 行 速 運 行 向 運 轉(zhuǎn) 柜 體 風 扇工 頻 電 源 工 頻 電 源 變 頻 電 源 頻 電 源 電 源 電源變換器 5水 壓 信 號 上 變 頻 互 鎖 工 頻 互 鎖 變 頻 運 行工 頻 運 行 變 頻 運 行工 頻 運 行 泵 電 源頻 電 源 泵頻 電 源 報 警1#風 扇 1#風扇控制 扇 運 行 扇 運 行 2#風扇控制 體 風 扇 運行方式1#風扇水 池 溫 度 管 道 溫 度 水 壓 信 號 下 工 頻 信 號 水溫信號2#風扇控制風 扇 運 行 風 扇 運 行 1#風扇控制 工 頻 信 號 管 道 溫 度工 頻 信 號啟 動 停 止 停 止 啟

39、動 啟 動 停 止 備 用頻 狀 態(tài) 狀 態(tài) 變 頻 電 源 工 頻 電 源 2#風 扇 3#水 泵水 壓 信 號 下 水 壓 信 號 上圖 4.1 電氣原理圖4.3 可編程控制器程序的編寫在可編程 控 制器的 程序 編 寫中, 使 用了三菱公司 較新的 編程軟件:GX DEVELOPER 。其具有較強大的功能,具有檢測程序?qū)Ψ窈图m錯功能,可在線運行觀 察。在設制控制變頻器運行中,對變頻器設立了三檔,由可編程控制器對變頻器 進行控制及切換。其規(guī)定是按照程序設定的要求,管道內(nèi)冷卻水如超過第三檔則 停機開另一臺工頻水泵,如低于第一檔則停機,具體設定如下:(1變頻器低速檔:進水總管內(nèi)溫度低于 20或回水總管內(nèi)溫度低于 26 或進水