基于PLC控制的矿井热风机组变频调速系统毕业设计说明书论文Word下载.docx
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Keywords:
hotairunit;
PLCcontrol;
Frequencycontrolofmotorspeed;
instrument
绪论
课题的背景和意义
在北方,大多数矿井在冬季以及开春的季节,都会面对温度对进风井的影响,尤其是开春的季节,在井口是由于温度较低,且雪开始融化变成冰,会造成井口结冰或者低温导致隐患,所以井口房一般都会有安置空气加热室,在其中放至热风机组,通过向井内输送热风来保证井口的温度在一定温度以上,来保证矿井的正常运作。
目前,在北方的大部分矿井中,为了保证井口温度,都会安置热风机组。
而为了工艺上的实现以及对本着节能的意愿,我们采用了S7-200PLC控制变频器,由变频调速控制风机吹进热风量来控制井口的温度这一想法。
本课题的选择背景是针对于北方矿井在冬天较冷的情况所设计的系统,在距离井口10米左右放置热风机组,热风由换热器加热,再通过热风机吹入井口,井口放置温度传感器,用于测量井口温度,温度测量值由仪表做显示,在反馈给PLC,由PLC控制变频器,继而控制风机,从而构成闭环,把井口温度控制在一定温度以内,从而保证了矿井井口温度,使得井口不会结冰,造成不必要的麻烦。
变频调速发展概况
变频器的问世于20世纪80年代,初期的变频调速装置由晶闸管等分立电子元件组成,可靠性差,频率低,而且输出的电压和电流的波形为方波。
随着可关断晶闸管和电力电子器件的出现并出现成为逆变器,脉宽调制技术也进入到应用阶段,这个时候的逆变电路已经可以接近到正弦波的输出电流与输出电压,8位微处理器也逐渐的成为了变频器等控制核心,按照压频比控制原理实现异步电动机的变频调速,使其在工作性能上也有了很大的提高。
尤其是这几年中,人们陆续研制出绝缘栅双极晶体管(IGBT)和集成门极换流晶闸管(IGCT),以及性能上更为完善的智能功率模块(IPM),使得变频器的容量和电压等级不断的提高。
自动控制理论的发展使得变频器在改善压频比控制性能,还推出了能实现矢量控制,直接转矩控制,模糊控制,和自适应控制的多种模式。
现在的变频器已经有了类如PID调节器,PLC控制器和通信单元,根据需要可实现拖动不同负载,宽调速和伺服控制多种功能。
目前在我国,变频调速系统仍处于推广的阶段,变频器作为商品在国内的销售量呈逐年增长的趋势,销售前景非常看好,有关报道说明,在过去的几年里我国变频器市场增长率很高,这一速度也已经远远的超过了近几年GDP的增长,市场需求非常广阔,变频调速非常全面的推广应用的时代,也已经来临。
变频器按照原理分类分为交-交变频器和交-直-交变频器,它是将工频交流电通过整流器整流变成直流电,经过逆变器将直流电变成频率和电压可调的交流电。
交-直-交变频器根据直流环节的储能方式,分为电压型和电流型两种。
电压型变频器。
在电压型变频器中,整流电路产生的直流电压,按照主电路工作方式分类,可以分为电压型变频器和电流型变频器;
按照开关方式分类,可以分为PAM控制变频器、PWM控制变频器和高载频PWM控制变频器;
按照工作原理分类,可以分为V/f控制变频器、转差频率控制变频器和矢量控制变频器等;
按照用途分类,可以分为通用变频器、高性能专用变频器、高频变频器、单相变频器和三相变频器等。
PLC发展概况
在可编程控制器问世以前,人们利用电磁继电器来控制顺序型的设备和生产过程。
PLC在我国的研制、生产和应用也获得迅猛发展,尤其在应用方面更为突出。
目前,我国不少科研单位和工厂也在积极研制和生产PLC。
可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统,专为在工业环境下应用而设计,它采用了可编程序的存储器,用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作,并通过数字式或模拟式的输入/输出,控制各种类型机械或生产过程。
可编程控制器及其有关外围设备,都应按易于和工业系统联成一个整体,易于扩充其功能的原则设计。
世界上公认的第一台PLC是1969年美国数字设备公司(DEC)研制的。
限于当时的元器件条件及计算机发展水平,早期的PLC主要由分立组件和中小规模集成电路组成,可以完成简单的逻辑控制及定时、计数功能。
20世纪70年代初出现了微处理器。
人们很快将其引入可编程控制器,使PLC增加了运算、数据传送及处理等功能,完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。
为了方便熟悉继电器、接触器系统的工程技术人员使用,可编程控制器采用和继电器电路图类似的梯形图作为主要编程语言,并将参加运算及处理的计算机存储组件都以继电器命名。
此时的PLC为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。
20世纪70年代中末期,可编程控制器进入实用化发展阶段,计算机技术已全面引入可编程控制器中,使其功能发生了飞跃。
更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。
20世纪80年代初,可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。
这个时期可编程控制器发展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。
这个阶段的另一个特点是世界上生产可编程控制器的国家日益增多,产量日益上升。
这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。
20世纪末期,可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。
从控制规模上来说,这个时期发展了大型机和超小型机;
从控制能力上来说,诞生了各种各样的特殊功能单元,用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合;
从产品的配套能力来说,生产了各种人机界面单元、通信单元,使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。
目前,PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、轻纺、交通运输、及文化娱乐等各个行业,被称为现代技术的三大支柱之一。
西门子公司具有品种非常丰富的PLC产品。
S7系列是传统意义的PLC,S7-200属于小型PLC,在1998年升级为第二代产品,2004年升级为第三代产品,其特点如下:
(1)功能强大。
S7-200有5种CPU模块,最多可扩展7个扩展模块,扩展到248点数字量I/O或38路模拟量I/O,最多有30多KB的程序存储空间和数据存储空间;
(2)先进的程序结构,功能强大、使用方便的编程软件;
(3)灵活方便的寻址方法;
(4)强大的通信功能和品种丰富的配套人机界面;
(5)有竞争力的价格;
(6)完善的网上技术支持等。
工艺过程及对系统的要求
我们研究的主要内容是井口温度检测和井口温度控制两部分模块。
井口温度检测部分主要由温度传感器、温度仪表,井口温度的控制部分主要由PLC、变频器和风机组成。
对于目标控制量,主要是通过调节风机的转速来改变矿井的热风通风量,改变井口温度。
矿井位保证井下温度,需要在井口放至3台热风机来输送热风,3台风机两用一备。
每台风机的功率为11kw,要求1台变频器驱动1台风机,3台风机由2台变频器驱动。
备用的风机可以通过控制柜上的转换开关手动切换来代替运行中的风机中的任意一台。
在井下距离井口的10到20米处,装置一个温度传感器,用于测量井口温度,使控制井口温度在5度到10度之间。
热风是由换热器加热的,当换热器进口温度低于20度的时候,停止风机的运行,并且报警,只有当换热器进口温度高于30度的时候,风机才会启动,。
当气温较高的时候,2台变频器交替运行,交替时间为两天,当气温较低时,则两台同时运行。
图1.1控制流程图
小结
本章详细地介绍了课题的选题背景和选题意义,概述了PLC控制技术的特点和应用功能,以及其在热风机井口温度控制上的应用现状。
同时,又阐述了变频调速技术在矿井风机上应用的必要性和其所能起到的作用和优点,以及变频器和PLC目前在国际和我国的发展状况,和他们在工业设计上的优点。
最后,在此基础上,提出了本课题主要的设计方案。
系统设计
2.1系统设计步骤
本论文以矿井井口温度为研究对象,根据模拟井下井口温度的变化,用PLC控制变频器来驱动风机变频运行,以控制矿井井口温度在设定值区间之内。
同时,还可以利用PLC和组态软件实现井口温度的在线监控,以及实现井口温度的超限报警和变频器故障报警功能。
本论文的主要研究步骤如下:
1)矿井温度控制系统设计
该部分主要包括变频器、风机主电路和PLC控制电路两部分。
要求能实现工频或变频运行,在变频运行时,该系统能根据矿井温度的变化,自动控制风机的转速。
当采集到的井口温度低于规定的安全标准时,PLC给变频器输出一个较小的输出,控制风机以较低转速运行;
当井口温度达到规定的安全标准时,PLC根据一定的逻辑关系的调整风机的转速;
当井口温度超过了规定的报警标准的时,PLC控制风机以最大转速运转,同时报警灯亮;
当变频器发生故障时,系统停止变频运行。
除此之外,系统还要实现矿井井口温度的实时在线监控。
2)控制回路设计
系统电路设计好以后,首先要根据该系统的要求进行PLC、变频器、传感器、风机及其它电气元件的选型,然后再根据矿井下的实际作业状况,确定PLC控制变频器的方式。
最后,完成系统硬件部分的接线工作。
3)可编程控制器设计
可编程控制器和变频器硬件电路部分设计好以后,还要进行系统软件部分的设计,包括该系统的PLC开关量控制,井口温度的PLC模拟量采集处理,以及变频器参数的设定和调试等。
在编写井口温度的PLC控制程序时,需要根据一定的逻辑关系进行设计。
2.2变频器井口温度理论分析
风机电机的多采用是三相异步电动机,而其转速的公式为:
(2.1)
式中:
f表示电源的频率,p表示电动机极对数,s表示转差率。
从上式可知,三相异步电动机的调速方法有:
(l)改变电源频率
(2)改变电机极对数
(3)改变转差率
改变电机极对数调速的调控方式控制简单,投资省,节能效果显著,效率高,但需要专门的变极电机,是有级调速,而且级差比较大,即变速时转速变化较大,转矩也变化大,因此只适用于特定转速的生产机器。
改变转差率调速为了保证其较大的调速范围一般采用串级调速的方式,其最大优点是它可以回收转差功率,节能效果好,且调速性能也好,但是由于线路过于复杂,增加了中间环节的电能损耗[7],且成本高而影响它的推广价值。
下面重点分析改变电源频率调速的方法及特点。
根据公式可知,当转差率变化不大时,异步电动机的转速n基本上与电源频率f成正比。
连续调节电源频率,就可以平滑地改变电动机的转速。
但是,单一地调节电源频率,将导致电机运行性能恶化。
随着电力电子技术的发展,已出现了各种性能良好、工作可靠的变频调速电源装置,它们促进了变频调速的广泛应用。
变频通风控制主要由变频器、控制系统、电机及传感器等部分组成。
该系统通过控制变频调速器,将50Hz的交流电从0~50Hz之间频率输出,实现交流电机的无极调速,从而实现矿井通风机的优化控制,当变频系统为开环时,设备可以人为设定输出任意频率控制电机转速;
当变频系统为闭环时,随着反馈等要求的变化,自动得到相应的频率。
通风电机通常由三相交流异步电动机来拖动,对通风机的调速是通过对其电机转速的调节来实现。
我们知道:
异步电动机转速n=60f(1-S)/P。
在这个公式中,f为电机电源的频率,P为电机的磁极对数,S为转差率(0~3%或0~6%)。
由上述电机的转速公式可见:
要想改变电机的转速,可以通过三种方法来实现:
(1)改变电动机的频率f;
(2)改变电动机的转差率S;
(3)改变电动机的磁极对数P。
通过对上面三种方法的分析可以知道:
改变电动机的转速的最好方法是改变电动机电源的频率。
是由于转差率S的范围在(0~3%或0~6%)之间,由此转差率S对电动机的影响不大,调速效果不明显,效率相对较低。
改变磁极对数P这种方法,首先它不容易实现,其次由电机的工作原理决定了电机的磁极数是固定不变的。
是由于该磁极数值不是一个连续的数值(为2的倍数,例如极数为2,4,6),所以一般不适合通过改变该磁极对数P来调整电机的速度。
电动机的转速n和供电电源的频率f成正比,要设法改变三相交流电动机的频率f,就能十分方便地改变电动机的转速n,另外,频率f能够在电机的外面调节后再供给电机,这样电机的旋转速度就可以被自由的控制,比改变磁极对数P和转差率S两个参数简单方便得多。
而实际上如果仅仅改变电动机的频率并不能获得良好的变频特性。
如果电压不变,频率下调至小于50Hz时,会使电机气隙磁通φ(约等于V/f)饱和;
反之,电压不变,频率上调至大于50Hz时,则使磁通减弱。
所以真正应用变频调速时,需要同时改变电压V和频率f,以保持磁通基本恒定。
通常,电机产生的转矩要随频率的减小(速度降低)而减小。
通过使用磁通矢量控制的变频器,将改善电机低速时转矩的不足,甚至在低速区电机也可输出足够的转矩。
矢量控制具有转矩提升功能,它能增加变频器在低频时的输出电压,以补偿定子电阻上电压降引起的输出转矩损失,从而改善电机的输出转矩。
改善电机低速输出转矩不足的情况,使用“矢量控制”,可以使电机在低速时的输出转矩可以达到电机在50Hz供电输出的转矩。
对于常规的V/F控制,电机的电压降随着电机速度的降低而相对增加,这就导致励磁不足,而使电机不能获得足够的旋转力。
为了补偿这个不足,变频器因为中需要通过提高电压,来补偿电机速度降低而引起的电压降。
转矩提升功能是提高变频器的输出电压。
然而即使提高输出电压,电机转矩并不能和其电流相对应的提高,因为电机电流包含电机产生的转矩分量和其它分量。
矢量控制把电机的电流值进行分配,从而确定产生转矩的电机电流分量和其它电流分量的数值。
矢量控制可以通过对电机端的电压降的响应,进行优化补偿,在不增加电流的情况下,允许电机输出大的转矩。
2.3井口温度控制理论分析
首先由上位机给PLC一个井口温度的期望值,它与温度感器以及变送器送来的实际温度进行比较运算后,生成控制命令,将控制命令以电压的形式送给变频器实现变频,变频器通过输入的电压计算出对应的频率,控制风机的转动速度,不同转动速度对应不同的热风量,从而实现了温度的控制。
例如:
根据系统的设计理论,当井口温度高于给定值时,风机的转速增加,热风量增大使得井口温度增加;
当温度低于给定值时,风机以较小的速度转动,以保持矿井井口温度在给定温度区间之内。
2.4系统组成
本系统设计三台风机组成,三台风机两用一备。
每台风机的功率为11kw,要求一台变频器驱动一台风机,三台风机由两台变频器驱动。
备用的风机可以通过控制柜上的转换开关手动切换来代替运行中的风机中的任意一台,每个巷道的控制量由工频、变频组成。
当系统变频运行时,PLC根据该巷道的温度控制变频器变频输出,而当系统工频运行时,风机直接接入电网,以额定功率运行,停止按钮是保证系统安全运行而设定的。
2.5小结
本章主要介绍了系统的工艺流程以及设计流程,还有PLC的管脚分配,以及各控制量的作用。
第三章系统硬件设计
PLC作为CPU模块,控制整个系统的运行,从温度传感器送来的模拟温度信号经过温度仪表来的上下线来控制温度,到达上限时输出一个开关量信号给PLC输入量信号,到达下限给PLC一个输入量信号。
变频器作为执行设备,主要是接收仪表输出开关量信号,输出风机需要的工作频率。
风机作为被控设备,通过电源的频率的改变来实现无级调速。
传感器和变送器作为检测元件,主要检测矿井井口温度给PLC进行分析运算。
它们共同作用组成了该控制系统,该系统从总体上来看分为由传感器组成的现场采样部分;
PLC和变频器组成的运算、控制、执行部分;
风机是被控部分。
3.1主回路设计
主回路的设计中,我设计了三台风机向井口鼓入热风要,3台风机两用一备。
每台风机的功率为11kw,1台变频器驱动1台风机,3台风机由2台变频器驱动。
备用的风机可以通过控制柜上的转换开关手动切换来代替运行中的风机中的任意一台,电机功率比较小,只有11kw,所以不需要用降压启动,直接启动就可以实现,所以,采用直接启动方法。
主回路设计如图3.1:
图3.1主回路电路图
3.1.1电机的选择
1#电机M1和3#电机M3均为11kW的三相鼠笼型异步电动机,工作方式:
在工频/变频情况下都正转,并且可以手动控制。
2#电机M2为备用电机,同为11kw,可有转换柜上的转换开关进行手动的切换,工作方式:
要求各个电机都具有短路和过载保护。
3.1.2接触器的选择
根据电路要求,风机为11kw则电路允许电流流过大概为22A,根据要求我选择的是CJX8(B)系列中的CJX8-30,使用电机的最大功率为15kw,启动吸持为10VA,允许电流为30A,以下为CJX8系列的产品介绍及图片。
CJX8(B)系列交流接触器(以下简称接触器),主要用于交流50Hz(或60Hz),额定工作电压至660V,额定工作电流至250A的电力系统中接通和分断电路。
并与适当的热继电器或电子式保护装置组合成电动机起动器,以保护可能发生过载的电路。
3.1.3热继电器的选择
根据主电路要求,电路中的电流流过大约是22A,左右,而热继电器要略高于电路额定电流要求,大约为25A,根据要求,我们选择JR28(LR2-D)系列热继电器,此继电器价格便宜,电流设定可以自由选择,完全符合要求。
JR28(LR2-D)系列热继电器用于交流50/60Hz,电压至660V,电流至93A及以下的电路中,供交流电动机热保护作用,并且有差动机构和温度补偿环节,可与CJX2(LC1-D)交流接触器配装,也可独立安装
3.1.4中间继电器选择
在中间继电器的选择中,我根据系统要求,选择的是电压继电器,在控制回路中,选择的是220V的中间继电器,在连接PLC输出的继电器与变频器集电极端子的输出继电器均为24V电压型继电器,根据要求,我们选择的,220V继电器为HH63-AC220V,24V的为HH63-DC24V其具体参数如下表所示:
表3.1中间继电器性能参数表
3.1.5空气开关的选择
在空气开关的选择上,我们需要选择的为三相380V的空气开关,允许通过的电流大概为25A左右,根据选择要求,在价格较为便宜的情况下,我们选择了施耐德空气开关断路器,该空气开关性能优秀,性价比高,普遍用于工程上,根据选择要求,我们选择宽度为6mm,额定电流为25A的EA9AN3C25系列空气开关断路器。
3.1.6开关电源的选择
由于在设计中,我使用的是PLC24V输入端,所以需要将电源220V转成24V用于链接PLC电源和变频器的外加电源,需要将220交流转变成24V直流输出,在此选择的是福来雅开关电源220V转24V直流开关电源,功率为50W。
产品特性:
性能好,效率高,温度低,体积小,重量轻,105度输出电容器,软启动电流,有效降低AC输入冲击,100%满负荷烧机测试,全球适用AC输入电源,有短路保护,过载保护,内装EMI滤波器,纹波极小。
该产品的特点:
1、本电源采用脉宽调制(PWM)开关技术控制,由专业集成电路组成,主要元件均为原装、进口、工作稳定可靠,是一种高可靠性的电源。
内部专业设计散热,内部有足够的空间散热。
因此可以做到比防水电源更加稳定工作的效果。
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