风机电参数测量控制系统毕业设计.docx

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风机电参数测量控制系统毕业设计

摘要

电力机车通常由强迫通风方式降温，因而通风机在通风冷却系统中有着重要作用，风机的工作状态、控制和减少功率消耗成为主要问题。

论文对风机的监控技术进行了研究，旨在实现风机的智能调控。

在分析国内外风机监控系统基础上，设计了一种基于Modbus通讯协议和PLC为主控制器的测量控制方案，该方案中风机采用变频调速，PLC采用通讯方式控制变频器，简化了硬件设计。

为了使风机发挥更强的调节功能和更好的节能效果，方案中使用温度传感器检测冷却液温度，并反馈给PLC，温度在触摸屏上显示，与目标温度对照，此时可以手动调频，进行粗略的经验控制；由于PLC带有PID控制的功能，且工业上已经积累了大量经验，又设计了以冷却液温度为控制量的温度闭环控制系统，通过PID控制环节给出变频器的频率，实现温度的自动控制。

风机调速完成后，进一步对风机的运行状态进行监测。

方案通过电参数测量仪测量和风机有关的各相电压、各相电流、功率等电参数，经过PLC的采集和运算，在触摸屏上可视化的监视风机的工作状态，并能给出报警信号，方便工作人员及时处理和避免事故。

关键词：

风机；电参数；PLC；变频器；Modbus；PID

ABSTRACT

ElectricLocomotiveisusuallycooledbyforcedventilation，soventilationfanplaysanimportantroleintheventilationcoolingsystem．Workingcondition，controlofthefanandareductionofpowerconsumptionhasbecomeamajorproblem．Thisresearchforcontrolsystemoffanisaimedatintelligentcontroloffan．

Basedonanalyzingthemonitorsystemoffanathomeandabroad，thispaperdesignsakindofmeasurementandcontrolschemeonthebasisofModbusprotocolandPLC，hefanadoptsfrequencycontrolandPLCcontrolsFrequencyConverterbymeansofcommunicationtosimplifythehardwaredesigninthisscheme．Inordertomakethefansaveenergybetterandgetsmartercontol，thissystemcheckcoolanttemperatureusingthetemperaturesensorandgivefeedbacktothePLC，thenthetemperatureisdisplayedonthetouchscreen．Comparedwiththetargettemperature，itcanbemanuallyregulatingfrequencywithroughexperience;AsPLChasPIDcontrolfunctionsandtheindustryhasaccumulatedalotofexperience，thissystemalsoincludesaclosedloopcontrolsystemwherecoolanttemperatureiscontrolobjectandFrequencyConverterisgivenfrequencybyPIDalgorithmtorealizetheautomaticcontroloftemperature．Afterfrequencycontrol，thesystemneedtocontrolworkingconditionofthefaninaddition．thissystemmeasuresthevoltageofeachphase，thephasecurrent，powerandotherelectricalparametersonthefan．ThenallowthevisualizationoftheworkingstationonthetouchscreenthoughcollectionandoperationofPLCandcangivealarmsignal，whichisconvenientforworkerstoavoidaccidenttimely．

Keywords:

Fan；Electricalparameters;PLC;FrequencyConverter；Modbus;PID

第1章绪论

1.1论文背景

1.1.1课题研究的背景

电力机车上装有大量的电气设备，如主变压器、主变流器、牵引电动机等，这些电器都是功率器件，工作时因铁耗、铜耗及其他损耗，将产生大量的热量，为使这些部件的温升不超过允许值，机车往往采用强迫通风的冷却方式降温，以确保机车可靠工作。

对于牵引电机，采用了常规的强迫通风的方式，而对于主变压器和主变流器采用了复合冷却通风的方式。

该复合冷却通风系统由两台冷却塔组成，通风系统采用两个各自独立的通风支路，每个通风支路主要部件是由离心力沉降过滤器、进气室、过渡风道、冷却塔、底座组成。

冷却的流程如下：

机车采用车体顶部进风方式，在空气进风口采用了离心力沉降过滤器，该过滤网安装在车体顶盖上，通过过渡风道和冷却塔相连接，车外的空气经由冷却塔通风机吸入，穿过冷却塔的水散热器和油散热器排向车底大气空间，以降低散热器流动介质的温度。

变压器的油由油泵进行循环，在油散热器中进行热交换而被冷却。

主变流器的混合水则是经水泵循环，在水散热器中进行热交换冷却[1]。

电力机车的运行状况经常处于变动之中，其负荷的变动也较电力系统变压器更为频繁，且主变压器处于及车内相对密封的环境内，因此对主变压器的散热能力有较高的要求。

电力机车主变压器有两个油循环回路。

主变压器油箱内部被隔板分隔成两个区，一端为进油区，另一端为出油区。

出油区的热油被油泵抽出，经蝶阀、油流继电器送入油冷却器，通过散热翅，经过强迫风冷，经油管和蝶阀由油箱进油侧进入线圈，冷却后进入进油区，如此反复循环。

冷却用通风机持续保持恒定通风量，不能随工作环境变化，高速铁路的电气化对此提出了更高要求。

图1-1主变压器冷却框图

1.1.2课题研究的目的和意义

电力机车传动系统中的辅助传动系统的作用是：

为机车上的设备提供合适的工作环境，为司乘人员的工作和生活提供必要的条件，确保机车正常运行，故其性能的好坏直接影响机车车的可靠性、经济性。

当前，世界各国都在不断改进并发展新的辅助传动装置，以减少辅助功率的消耗，提高整车的可靠性、经济性[2]。

风机电参数的测量和控制符合这一趋势。

传统风机的工作状态得不到实时有效的监视，保持恒定通风量，风量不能根据实际工况及时调节，使得电气设备并不能工作在最佳工作环境中，减少电气设备的使用寿命，造成很大的能源浪费，因此利用先进的控制方案监控风机有着重要的意义。

设计风机电参数测量系统，主要为了实现以下几个目标：

查看风机电参数，可视化监视风机工作状态，提前预警，能够停机进行故障处理，保障风机的安全运行。

测量冷却液温度，根据温度可以控制风机启动和停止，节省能源。

在稳定工作环境中，风机可以保持一定的转速，使电气设备在最佳冷却液温度下工作，优化整个冷却系统的冷却性能。

当外界环境温度、负荷等因素变化时，能够及时监控风机，这样风机的效率和可控性都得到了极大提高，冷却系统性能提升，电气设备安全合理运行。

1.1.3国内外研究现状

国外很早就对风机进行了研究。

至90年代，一般的风机均配有在线监控系统，集保护、检测、控制于一体，不但能实现风量的自动调节，主要能进行故障诊断，预测使用寿命，预报维修极限，成功地对风机进行了检测。

国内在这两方面起步比较晚。

风量调节方法都比较落后，需要在停机的情况下进行手动调节或者是隔一段时间才能调节一次。

这种人工操作方法只能做到阶段性调节而不能做到及时连续自动调节，而且实时性差，风量控制不准确，自动化程度不高。

关于电力机车风机监控系统的研究，有两个团队给出了研究方向。

北京交通大学机械与电子控制工程学院温伟刚等人对电力机车主变压器风机节能自动控制的研究，采用单片机作为主控制器，实现对风机的各种状态参数进行在线监控，以主变压器油温作为主要监控对象，并根据温度控制风机的起动和运行，实现主变压器在一定温度范围内工作，节能和降低噪声污染，并能够在高温和电路出现故障时给予报警。

中南大学信息科学与工程学院邓文慧等人的基于模糊控制的牵引电机冷却风机变频节能控制系统，针对牵引电机冷却风机驱动系统中能耗过高的现象，研究以牵引电机温度变化来控制冷却风机的变频节能控制系统。

该系统以牵引电机温度作为控制对象，牵引电机温升模型实在MELLOR和TURNER[3]的电机热模型基础上简化，根据Aldo[4]理论，简化后的模型计算量减少，实时性好。

采用模糊控制方式来实时调节冷却风机的转速，从而实现节能运行。

利用Simulink建立控制系统的仿真模型，计算电机在温度变化时冷却风机的频率，分析出变频控制的节能效果。

仿真表明，所用方法可以降低能耗，具有较好的节能效果，且该方法在牵引电机温控过程中具有较强的抗干扰性和良好的过渡性。

在主变压器和变流器冷却风机的变频节能控制上，受限于冷却环境的复杂，还没有较为成熟的方案，借鉴浙江大学韩松车用发动机智能冷却系统基础问题研究，可以初步得到研究的方向。

以上研究方案都引入了温度，来作为风机控制的依据。

温伟刚的方案实现了对风机的工作状态的监视，以温度为判定条件，实现了基本的启动停止控制，但风机的风量不能够调节，风机的工作状态不是最佳，冷却系统性能没有显著提高，电气设备没有工作在冷却液温度下。

整个系统作用在于保障风机安全运行、电气设备安全运行，并起到节能的实际效果。

邓文慧等人的方案使用变频调速调节风机风量，采用模糊控制的算法和控制策略，建立了相关的数学模型，进行仿真，得出了相应的结论。

实现了在外部扰动时对风量自动控制，有较强的实用效果。

温度是反映冷却系统冷却效果的重要指标，二者都以温度作为控制风机的最终指标，但二者从节能作为出发点，没有将监视风机和控制风机有效结合在一起，前者不能很好的调节风量，后者对于风机的工作状态没有研究。

风机的监视是风机控制的基础，所以有了以下研究方向：

首先监视风机的工作状态，保障风机的安全运行，实现冷却系统可靠运行的基本任务；在风机安全运行基础上，以温度为指标，控制风机的启动停止，完成对风机的基本控制（包括停止启动、调节风量）；然后提出更高的控制要求：

冷却系统在面对外界扰动时，整个风机监控系统可以自动调节风机风量，使得被控量温度保持稳定，整个冷却系统保持最合理的冷却效果。

1.2主要研究内容和任务

1.2.1课题研究内容

论文在介绍电力机车通风冷却系统的基础上，对风机的监控系统进行重点研究。

比较现有的风机监视控制系统的特点，针对辅助传动系统的高性能要求，设计出一种基于PLC的风机电参数测量控制系统，主要完成电参数的测量部分、温度控制系统部分、风机控制部分、执行部分的软硬件设计。

1.2.2课题研究任务

论文研究设计了风机监控系统，通过具体方案的选择与比较，需要形成整体方案，绘制系统框图，完成硬件的选型，进行硬件电路的设计；实现算法和主程序的设计，完成风机电参数测量部分、风机控制部分，温度测量部分和温度控制系统部分的具体软件设计，并运用触摸屏编程软件设计风机电参数测量控制画面。

搭建实验平台，设计相关的实验工作，验证系统的可行性，做出相应的分析。

根据实验结论，讨论设计中存在的问题，提出改进方案，并总结其价值和应用前景等。

第2章风机测量控制方案的选择与确定

2.1风机工作状态的监控

 通风机在生产生活中得到了广泛应用，主要用于：

工厂、矿井、隧道、冷却塔、车辆、船舶和建筑物的通风、排尘和冷却；锅炉和工业炉窑的通风和引风；谷物的烘干和选送；空气调节设备和家用电器设备中的冷却和通风；风洞风源和气垫船的充气和推进等。

本系统中风机用于电力机车冷却系统，工作复杂环境，对安全运行要求高，而且电气化的高性能要求使得风机必须能够调节[5]，甚至根据工况智能调控和节约能源。

风机调节的依据和前提是其工作状态，所以风机的工作状态必须得到实时有效的监视和控制。

风机以及整个冷却系统的工作状态可以由风机的工作电压、电流、功率、功率因数、频率、三相不平衡度等电参数反映、分析出来，因此选择测量风机电参数来监控风机的工作状态，那么测量电参数的测量、存储、处理、显示成为关键问题。

目前测量电参数有两个比较好的选择，一个是测量模块自行设计，选用单片机作为微处理器，通过测量电路测量电压、电流、频等电参数，通过A/D转换，经过单片机处理后通过LED数码管显示出来。

在本系统我们的设计重点不是测量系统，而是风机监控系统。

电参数测量仪已经有了成熟的产品，精确度较好，它不仅可以测量电参数，内部进行A/D转换成浮点数，而且拥有Modbus通讯口，只要通过Modbus指令读取电参数的浮点数，就可以实现数据的采集，非常方便，并且支持和上位机RS485通讯或RS232通讯，是主流的工业智能仪表。

2.2风机调速方式的选择

由于目前绝大部分风机都采用风门挡板调节流量，造成大量的节流损耗，所以风机若采用转速调节，具有巨大的节能潜力。

直到上世纪七十年代，都采用机械调速或滑差电机调速，但这属于低效调速方式，仍有较大的能量损耗，并且驱动功率受到限制；到上世纪八十年代，开始采用液力耦合器调速，并且突破了驱动功率的限制，向大功率方向发展，但它与滑差电机调速一样，属于低效调速方式，仍有较大的能量损耗。

直到上世纪九十年代，随着电力电子技术和计算机控制技术的发展，变频器很快占领电动机调速市场，价格低廉，服务周到，风机变频调速节能改造的发展前景一片大好。

在风机实际运行中，需要风机能够根据实时工况变化，进行调节风量，完成风机的控制要求，达到节能的目的，所以选择了变频调速的方式。

变频调速以其优异的起动、调速和制动性能，高效率、高功率因数和节能效果，广泛的应用范围等优点被国内为公认为最有发展前途的调速方式。

变频器可以与PLC通信，硬件简化，速度控制精度高，维护工作量小，可以实现在线控制和自动调节，能与高层网络方便地交换信息，极大地促进了控制系统的电气化。

2.3控制系统的选择

单片机和PLC在风机控制系统应用较多。

单片机控制系统优势在于电路板程序和功能固定，适合于大批大量，工业和民用各半；PLC控制系统单件小批，主要用于工业控制。

通过对比，PLC控制系统的优势很明显：

PLC编程语言是梯形图等，相对汇编语言容易理解和掌握；可靠性和抗干扰能力较高；PLC功能模块多，易组合，可以反复编程，以扫描的方式执行程序；功能分散，危险分散；环境适应性强[6]。

鉴于电力机车的复杂工作环境和电气化铁路对于冷却系统的高性能要求，选择PLC控制系统对整车的可靠性和经济性更好。

2.4变频器控制方式的选择

变频器本身可以通过面板进行频率给定等操作指令，还可以由外部PLC控制[7]。

一是PLC输出的开关量控制的变频调速。

PLC的输出点、COM点直接与变频器的正反传启动、高速、中速、低速、输入端等端口分别相连接，PLC通过程序即可控制变频器。

二是PLC通过RS485通讯实现变频调速。

通过PLC与变频器之间的RS485半双工串行通讯实现电动机的变频调速。

PLC通过RS485通讯控制变频器，仅通过一条通讯电缆连接。

速度控制精确，适应能力好。

该系统成本低、信号传输距离远、抗干扰能力强。

通过比较，在PLC程序编程方面虽然较为复杂，但能够通过程序的改进和更新，弥补或增强系统的功能，在实际的应用能够应对不同情形，突破了传统硬件的固定性，为系统的进一步发展提供便利条件。

2.5温度控制系统的确定

温度是工业生产与日常生活中一个重要的物理量，在农业、现代科学研究和高新技术开发中也是一个非常普遍和常用的物理测量参数。

电力机车中，电气设备主要采用强迫通风冷却方式，冷却系统通风机保持恒定通风量，冷却液处于相对低温状态。

因为冷却液温度既是电气设备工作环境的温度，又反映冷却系统的实际冷却效果，所以冷却液温度是电气设备运行过程中需要监控的重要数据之一，关系到电气设备的安全运行。

冷却液温度过高将可能损坏电气设备，温度过低使得冷却液处于相对低温状态，减少设备使用寿命，浪费能源。

检测冷却液的温度、并将冷却液温度保持在合理的范围有着重要意义，因此选择冷却液温度作为控制量，设计了温度控制系统，使用传感器测量温度、PLC扩展模块采集和处理温度。

2.6监控设备的选择

由于目前系统主要用于现场，所以选择了触摸屏作为监控设备。

触摸屏（touchscreen）又称为“触控屏”、“触控面板”，是一种可接收触头等输入讯号的感应式液晶显示装置，当接触了屏幕上的图形按钮时，屏幕上的触觉反馈系统可根据预先编程的程式驱动各种连结装置，可用以取代机械式的按钮面板，并借由液晶显示画面制造出生动的影音效果。

触摸屏作为一种最新的电脑输入设备，它是目前最简单、方便、自然的一种人机交互方式。

它赋予了多媒体以崭新的面貌，是极富吸引力的全新多媒体交互设备。

主要应用于公共信息的查询、领导办公、工业控制、军事指挥、电子游戏、点歌点菜、多媒体教学、房地产预售等。

2.7系统整体方案

结合实际，所要监控的风机为两台，由于工作过程相近，设计中主要研究了风机M1。

在以上具体方案确立的基础上，系统的整体方案也就很明确，如图2-1，风机电参数由电参数测量仪测量，风机变频调速，PLC对电参数测量仪、变频器采用通信控制，使用传感器和PLC测量和控制温度，通过触摸屏操作、显示电参数和工作状态。

图2-1系统整体框图

第3章系统硬件设计

硬件设计分为执行部分、电参数测量部分、温度测量部分、控制部分，各部分构成风机电参数测量控制系统整个硬件结构。

3.1执行部分

3.1.1变频器的选型

本系统选取了台达F系列，是风机水泵专用型，具有VF控制模式及变转矩控制特性。

风机额定功率为10KW，额定电压380V，工作电源是三相220V，因为变频器功率要大于风机额定功率，所以最大适用电机选取了150，输入最大电压是460V（三相），所以型号为VFD-150F43A。

该型号适用电机最大功率可达15KW，输出频率是0~120Hz正弦波PWM方式；任意VF曲线设定；起动转矩在1.0Hz时可以达到150%以上；过载能力是额定电流的120%，持续60S；内建电抗器，DC电抗器，25~215HP，AC电抗器，250~300HP[8]；采用RS485通讯接口，支持Modbus协议，通讯控制方便。

3.1.2空气断路器选型

断路器选用了DZ15系列塑料外壳式断路器，适用于交流50Hz、额定电压380v、额定电流至63A（100）的电路中作为通断操作,并可用来保护线路和电动机的过载及短路保护之用，亦可作为线路的不频繁转换及电动机的不频繁起动之用。

3.1.3主电路

如图3-1，需要进行测量控制的风机有两台，由于是实验平台，选用的风机额定功率为10KW、额定电压为380V，每台风机各用一个变频器调速。

变频器电源输入端U、V、W分别连接L1、L2、L3，变频器输出端子R、S、T连接到电机。

图3-1工作主电路

3.2电参数测量部分

3.2.1电参数测量仪的选型

我们测量的风机相电压为220V左右，相电流为20A左右，额定功率为10KW，功率因数为0.2~1.0，风机变频调速范围为0~120Hz，因此电参数测量仪选用了ZWD433。

ZWD433的测试对象是（45-65）Hz的交流电压和电流信号。

电参数测量仪输出方式可选用RS485（默认）和RS232，所有测试结果以浮点数的方式通过串行口输出，通讯速率和通讯地址可自以行设定。

具体技术指标见表2-1[9]，其他技术参数如下表2-2，端子图见图3-2。

表3-1电参数测量仪技术指标

测量参数

测量范围

基本误差

交流电压

10~500

0.4%示值+0.1%量程

交流电流

0.01~5

0.4%示值+0.1%量程

有功/电能

U*I*PF

PF=1，0.4%示值+0.1%量程

无功/电能

PF=0.5，0.8%示值+0.2%量程

功率因数

0.2~1.0

±0.01

电压频率

45~65

±0.05

视在功率

U*I

表3-2电参数测量仪其他参数指标

项目

交流电压

交流电流

电压频率

量程

500V

5A

45~65

分辨力

0.1V

0.001A

0.01Hz

输入阻抗

>2MΩ

＜10mΩ

允许过载

120%*量程

测量精度

0.5级

输入方式

浮置输入

数据更新

约2次每秒

转换速率

约8000次每秒

工作电源

AC：

85~265,45~65Hz;

DC:

100~300V

整机功耗

＜1.5VA

外形尺寸

142（L）*82（W）*74（H）

安装方式

DIN导轨式：

35mm*7.5mm

工作环境

0~50℃；20~90%RH；86~106kPa

图3-2ZWD433的端子图

3.2.2电参数测量仪与电机的连接

图3-3ZWD433的三相四线制配线图

根据图3-2、3-3，变送器ZWD433的电压输入端UA、UB、UC、UN分别与三相电A、B、C、N相连，L、N连接交流220V电源，RS485接口通过双绞线连接PLC通讯接口。

根据风机的参数可以得到相电流大小在20A左右，电参数测量仪测量范围为0~5A，并不能直接将电流送到P+、P-端子上，需要选用变比为5的电流互感器。

电流互感器串联在每相电路中，将实际电流变小后把电流送到变送器的端口IA+、IA﹣，电参数测量仪采集到数据，内部执行程序得到电参数并将电参数存储起来，等待PLC读取。

3.3温度测量部分

3.3.1温度传感器的选型

白金感温电阻就有高精确度及高稳定性，在-180℃~800℃之间有很好的线性度。

一般而言，白金PT100感温电阻在低温其温度系数较大；在中温100~300℃间有相当良好的线性特性；而在高温300~500℃间其温度系数变小。

在0℃时电阻值为100Ω，一般视为金属感温电阻的标准规格。

还有一种热电耦温度感测组件，是以差动电压表示温度，因此在两组数据进行差动运算时，已将外部噪声干扰消除，故其稳定性比一般热敏电阻、电阻温度计或热阻器来得好。

在设计中选择了白金PT100感温电阻，使用时应避免工作电流太大，以降低自身发热，因此可限制其额定电流在2mA以下。

由于白金PT100自身发热1mW约会造成0.02~0.75℃的温度变化量，所以降低PT100的电流亦可降低其温度变化量。

然而，若电流太小，则易受噪声干扰所以一般PT100电流限制在0.5~2mA为宜。

3.3.2温度测量模块的选型

根据温度传感器的选择，温度测量模块选择D