引风机毕业设计.docx

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引风机毕业设计

摘要

目前，国内很多电厂的机组经常处于低负荷运行。

而电厂的锅炉引风机系统采用工频恒速运行方式，通过入口挡板节流调节流量来达到自动控制的目的，这样既会造成大量能源浪费，又会降低电机的寿命。

另一方面国内许多电厂风机设备仍采用的传统控制方法即通过继电器控制，存在着启动电流大，运行安全可靠性差、抗干扰能力弱的问题。

本文内容即是针对国内某电厂300MW机组的锅炉引风机系统采用PLC控制器与变频器相结合的控制系统进行设计。

人们对环境保护的意识越来越高，改变供暖的燃料品种，燃烧清洁燃料，是降低空气污染的有效措施。

近几年来，我国城市燃气结构发生很大变化，陕北天然气已经进入京津，渤海天然气已经上岸，尤其西气东输工程的实施，更为燃气锅炉的应用起到了推动作用。

现在，一般燃气锅炉的设计效率均能达到90%左右，但在实际运行中，由于外界环境温度不断变化，需要的供热量也因而变化，如果不调整燃气量，往往会造成供热量不足或过量，造成能源浪费。

在这样一种背景下，有必要对燃气锅炉的燃气供应进行实时调节，提高能源利用率。

目前，世界各国都存在能源短缺的问题，我国能源问题更为突出，因此，如何使锅炉高效、安全运行是锅炉控制系统的重点。

关键词:

变频器;可编程控制器（PLC）;引风机

目录

摘要1

目录2

第1章变频调速系统的功能设计分析和总体思路3

1.1概述3

1.2系统功能设计分析4

1.3系统设计的总体思路4

第2章系统设计5

2.1引风机的原理、结构、选择和主要性能参数5

2.2变频器的选择和主要技术参数6

2.3可编程控制器（PLC）的选择9

2.4工作过程、补充、流程图以及控制系统的结构框图10

2.5系统梯形图及控制原理13

第3章PLC和变频器的型号选择15

3.1PLC的型号选择15

3.2变频器的选择和参数设置16

3.2.1变频器的选择16

3.2.2变频调速原理17

3.2.3变频器的工作原理17

3.2.4变频器的快速设置17

第4章引风机结构20

4.1燃煤锅炉为什么要用引风机及引风机的作用与工作原理20

4.2引风机的类型20

4.2.1轴流式风机与离心式风机的简单介绍20

4.2.2入口导叶调节离心式风机和动叶调节的轴流式风机的区别与运行特点21

4.2.3静叶可调轴流式风机的调节方式和调节性能22

4.2.4三种型式风机调节性能的比较22

4.3各类引风机的特点22

4.3.1动叶可调轴流风机22

4.3.2静叶可调轴流风机23

4.3.3定速离心风机和双速离心风机23

4.4引风机的结构25

第5章结论26

参考文献27

致谢28

第1章变频调速系统的功能设计分析和总体思路

1.1概述

调速系统快速性、稳定性、动态性能好是工业自动化生产中基本要求。

在科学研究和生产实践的诸多领域中调速系统占有着极为重要的地位特别是在国防、汽车、冶金、机械、石油等工业中，具有举足轻重的作用。

调速控制系统的工艺过程复杂多变，具有不确定性，因此对系统要求更为先进的控制技术和控制理论。

可编程控制器（PLC）可编程控制器是一种工业控制计算机，是继续计算机、自动控制技术和通信技术为一体的新型自动装置。

它具有抗干扰能力强，价格便宜，可靠性强，编程简朴，易学易用等特点，在工业领域中深受工程操作人员的喜欢，因此PLC已在工业控制的各个领域中被广泛地使用。

目前在控制领域中，虽然逐步采用了电子计算机这个先进技术工具，特别是石油化工企业普遍采用了分散控制系统（DCS）。

但就其控制策略而言，占统治地位的仍旧是常规的PID控制。

PID结构简朴、稳定性好、工作可靠、使用中不必弄清系统的数学模型。

PID的使用已经有60多年了，有人称赞它是控制领域的常青树。

变频调速已被公认为是最理想、最有发展前景的调速方式之一，采用变频器构成变频调速传动系统的主要目的，一是为了满足提高劳动生产率、改善产品质量、提高设备自动化程度、提高生活质量及改善生活环境等要求；二是为了节约能源、降低生产成本。

用户根据自己的实际工艺要求和运用场合选择不同类型的变频器。

组态软件是指一些数据采集与过程控制的专用软件，它们是在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，使用灵活的组态方式，为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。

在组态概念出现之前，要实现某一任务，都是通过编写程序来实现的。

编写程序不但工作量大、周期长，而且轻易犯错误，不能保证工期。

组态软件的出现，解决了这个问题。

对于过去需要几个月的工作，通过组态几天就可以完成。

组态王是海内一家较有影响力的组态软件开发公司开发的，组态王具有流程画面，过程数据记录，趋势曲线，报警窗口，生产报表等功能，已经在多个领域被应用。

1.2系统功能设计分析

随着电力电子技术以及控制技术的发展，交流变频调速在工业电机拖动领域得到了广泛应用；可编程控制器PLC作为替代继电器的新型控制装置，简单可靠，操作方便、通用灵活、体积小、使用寿命长且功能强大、容易使用、可靠性高，常常被用于现场数据采集和设备的控制；组态软件技术作为用户可定制功能的软件开发平台工具，可实现显示电机转速，可实现远程调速控制，在PC机上可开发友好人机界面，通过PLC可以对自动化设备进行“智能”控制。

在此，本次设计就是基于PLC的变频器调速系统。

将现在应用最广泛的PLC和变频器综合起来主要功能实现了变压变频调速。

电机的正反转，加减速以及快速制动等。

因此，该系统必须具备以下三个主体部分：

控制运算部分、执行和反馈部分。

控制运算主要由PLC和变频器来完成；执行元件为变频器和电机；反馈部分主要为速度反馈。

1.3系统设计的总体思路

系统主要由三个部分构成，即可编程逻辑控制器件PLC、变频器和电机。

首先通过设置给定输入给PLC，再通过PLC控制变频器，再经由变频器来控制电机，随后将电机的转速反馈给PLC，经比较后输出给变频器从而实现无静差调速。

具体如下图所示：

第2章系统设计

2.1引风机的原理、结构、选择和主要性能参数

引风机就是锅炉上向外排放烟尘的风机，工作原理同其它离心式风机一样由电机带动叶轮旋转，叶轮中的叶片迫使气体旋转，对气体做功，使其能量增加，气体在离心力的作用下，向叶轮四周甩出，通过涡型机壳将速度能转换成压力能，当叶轮内的气体排出后，叶轮内的压力低于进风管内压力，新的气体在压力差的作用下吸入叶轮，气体就连续不断的从泵内排出。

另外，引风机具有耐高温、耐磨损等特点。

引风机主要由叶轮、机壳、进风口、调节门及传动部分等组成。

1、叶轮：

由12片后倾机翼斜切的叶片焊接于弧锥形的前盘于平板形的后盘中间。

由于采用了机翼形叶片，保证了引风机高效率、低噪声、高强度、同时叶轮又经过动、静平衡校正，因此运转平稳。

同一机号的通、引风机叶轮结构全同。

2、引风机机壳：

机壳是用钢板焊接而成的蜗形体。

3、引风机进风口：

进风口制成整体结构，用螺栓固定在风机入口侧。

4、调节门：

用以调节风机流量的装置，轴向安装在进风口前面。

调节范围由90°（全闭）到0°（全开）。

为使调节各部正常工作，必须很好的润滑。

对通风机的调节门，采用钙钠基润滑脂润滑。

5、引风机传动部分：

传动部分的主要由优质钢制成，引风机均采用滚动轴承。

轴承箱有两种形式：

筒式轴承箱，枕式轴承箱，轴承箱上装有温度计和油位指示器。

另外，在风机行业，只有锅炉引风机才能真正的称为“引风机”，并不是向外排风的风机都称之为“引风机”的。

在这里我们是对Y4-73型锅炉离心引风机进行变频调速，其主要性能参数为：

引风机的转速1450r/min；

电动机型号Y2-280M-4

额定功率90KW；

轴功率90KW；

额定电压380V；

额定电流143.9A；

压力（扬程）3500Pa；

功率因数0.95；

效率因数0.87；

引风机的电动机的转速1480r/min

整个系统的控制方案可以从附录一至五中看出，如图4-1所示。

采用的是变频和工频相结合的方式，在系统启动后直接进行变频运行，当出现故障的时候切换成工频运行，对变频器实行PLC和DCS控制调速，由于设计是以PLC为主故没有对DCS系统做详细介绍，主要阐明了变频器和PLC的选择和应用。

特别是PLC，在系统设计中需要有启动和停止控制，变频运行，变频故障，变频就绪，变频运行输出，变频故障输出，工频运行，工频就绪，报警复位，故障复位输出以及一个远程启停输出按钮，才能使系统稳定的运行。

2.2变频器的选择和主要技术参数

随着变频器性能价格比的提高，交流变频调速已运用到了许多领域，由于变频调速的诸多优点，使得交流变频调速在风机行业也得到了广泛运用。

在本次设计中采用了西门子公司的TelemecaniqueATV61变频器，其主要情况如下所示：

1、主要技术数据

电压范围：

单相或三相200V－15％～240V＋10％；

三相380V－15％～480V＋10％；

功率范围：

0.75～630KW；

额定工作环境温度：

－10℃～50℃（降容可至60℃）；

过力矩能力：

130％60s；

调速范围：

开环：

1：

100；

调速精度：

开环：

±10%电机额定滑差；

本体I/O：

6逻辑输入（含1PTC，可扩展至20路）；

1安全联锁输入；

2继电器输出（可扩展至4路）；

2模拟输入（可扩展至4路）；

1模拟输出（可扩展至4路）；

另可扩展8路逻辑输出；

扩展选件卡：

I/O扩展卡、通信卡、编码器卡、Controllerinside卡，最多同时增加3张扩展选件卡。

2、电机控制方面

在性能方面，ATV61同时支持无传感器电压矢量控制、传统U/F（2点或5点）控制方式以适应不同的应用。

另外针对客户对于环境保护以及能量节约的需求，ATV61特别开发了节能运行模式。

最后ATV61与其ATV71一样支持1000Hz的输出频率。

3、软件功能方面

ATV61内置了100多项标准功能，满足不同的应用，下面分类简要描述

A、监视功能：

支持各类运行参数直接显示和输入输出镜像、支持过程量换算显示等；

B、输入/输出:

支持输入输出延时、滤波、映射、变换、模拟量加减乘等运算；

C、控制功能：

支持中文图形面板、端子、通信方式及其组合分离等控制；

D、应用功能：

支持PID调节器、速度给定监视、唤醒/休眠、流量检测、流量限制、欠负荷检测、过负荷检测、V/F平方曲线、能耗计算、节能模式、故障禁止（强制通风）、自动直流注入制动、寸动（点动）、预制速度、多电机、进出线接触器控制、跳频等100多项。

E、内置应用宏：

起动/停机、一般应用、PID调节、通信总线、风机/水泵（出厂设置）

F、故障管理：

变频器各类保护和故障管理、控制；

G、诊断功能：

检查IGBT元件是否工作正常；

H、其它：

用户菜单、显示配置等。

4．通讯功能

ATV61本机内置了MODBUS，CANOPEN两种通讯协议。

其中内置的CANOPEN接口通信速率高达1Mbps，同时ATV61可以通过增加通信附件支持Fipio,Ethernet、ModbusPlus、ProfibusDP、DeviceNet、InterBus、Uni-Telway等通用主流通讯网络。

另外ATV61还支持行业专用通信总线：

LonWorks、METASYSN2、APOGEEFLN、BACnet。

除了上述强大功能以外，ATV61外置的选件“Controllerinside”卡可以实现随心所欲的自定义功能。

该卡含有10个逻辑输入，6个逻辑输出，2路模拟量输入，2路模拟量输出，1个CANOPENMASTER接口。

提供IEC1131标准PLC语言编程环境，支持所有6种语言，并且采用先进的面向对象的编程方法。

用户可以通过这张卡创建非常复杂的应用程序。

我所选择的西门子变频器是ATV-61HD75N4，其功率为75KW，重量44kg，最大连续电流为160A，最大瞬时电流为192A（持续时间60s），视在功率为109.9KVA，线路电流167A。

选择的依据是：

连续运转时所需的变频器容量应满足以下三式：

Pcn>=kPm/（ycos

）

Pcn>=k

1.732UmIm

10-3

Icn>=kIm

式中：

Pm为负载所要求的电动机的轴输出功率

y为电动机的效率因数（通常为0.87）

cos

为电动机的功率因数（通常为0.95）

Um为电动机的电压（V）

Im为电动机的电流（A）

k为电流波形修正参数

Pcn为变频器的容量（KVA）（容量即视在功率）

Icn为变频器的电流（A）

根据引风机的电动机参数计算如下：

Pcn>=kPm/（ycos

）=1

90/（0.87

0.95）=108.9KVA

Pcn>=k

1.732UmIm

10-3=1

1.732

380

143.9

10-3=103.33KVA

Icn>=kIm=1

143.9=143.9A

另外西门子变频器ATV-61HD75N4是西门子专门推出的一个专用于风机水泵类负载系列的变频器，所以选择此类变频器。

2.3可编程控制器（PLC）的选择

由于在本系统中PLC选择的依然是西门子公司的，选用了TWD系列的PLC，Twido可编程控制器应用程序的创建、配置和维护由一个图形开发环境TwidoSoft来实现。

选择的原因：

1）因为使用的是西门子公司的TelemecaniqueATV61变频器，所以PLC选择的依然是西门子公司的TWD系列；

2）由于本系统中需要控制的接点不多，只要8个输入和6个输出，考虑到价钱的原因和使用方便等因素，所以采用了这个类型的PLC；

3）其图形开发软件环境TwidoSoft使用方便，可以输入程序后直接导出梯形图，反之也可以，使的我在编程的时候能够简捷迅速。

创建Twido控制程序的Twido语言有：

1）指令列表语言：

即是由布尔指令写成的一个逻辑表达序列。

2）梯形图：

即是图形方式的逻辑表达。

3）Grafcet语言：

即是由一系列的步和转换组成，但不支持Grafcet图形。

根据系统控制方案，PLC需要8个输入点和6个输出点，具体功能如表2-1所示：

表2-1PLC的输入、输出点的具体功能

I0.0

变频手动合闸

I1.0

工频就绪

I0.1

工频手动合闸

Q0.0

远程启停输出

I0.2

启动

Q0.1

变频故障输出

I0.3

停止

Q0.2

变频运行

I0.4

变频运行

Q0.3

工频运行

I0.5

变频故障

Q0.4

变频运行输出

I0.6

报警复位

Q0.5

故障复位输出

I0.7

变频就绪

西门子的变频器、PLC和其他种类的变频器、PLC相比较，性能可靠，技术上无明显不同，但施耐德的性能更加稳定，在价格上也要贵一点。

2.4工作过程、补充、流程图以及控制系统的结构框图

工作过程：

当按下启动按钮整个系统启动运行，按下停止按钮就停止，要是变频器出现故障，就走旁路，这时候报变频故障警告，当按下报警复位按钮后，停止声光警告，查明故障原因并修复后，又可以进行变频运行。

整个工作过程包括三种控制方式：

启动、停止、调速。

三种变频器状态（准备、运行、故障）给PLC系统。

补充：

采用工频和变频运行系统的原因是：

锅炉的安全运行是全厂动力的根本保证，虽然变频调速装置是可靠的，但一旦出现问题，必须确保锅炉安全供汽。

所以必须采用此系统。

根据不同的生产设备，选择相应特性的变频器，如在对锅炉风机进行变频器改造中，注意除必须考虑变频器的提速、降速特性是否能满足燃烧工艺的要求以外，在实际的操作中还要同时在技术上考虑下列问题，以免带来投资的损失。

1）对于大惯量负荷的电动机，在变频改造后，要注意风机可能存在扭曲共振现象，运行中，一旦发生共振，将严重损坏风机和拖动电动机。

所以，必须设置频率跳跃功能避开共振点。

2）采用变频调速控制后，电动机转速下降，如果变频器长时间运行在20Hz以下，则电动机发热有可能成为突出问题，一方面是由于电动机自冷却风扇因转速低而效率降低，如果出现这种情况，还必须对电动机进行冷却系统改造。

3）变频器的安装和运行环境要求较高，为了使变频器能长期稳定和可靠运行，对安装变频器室的室内环境温度要求最好控制在0～40℃之间，如果温度超过允许值，应考虑配备相应的空调设备。

同时，室内不应有较大灰尘、腐蚀或爆炸性气体、导电粉尘等。

4）要保证变频器柜体和厂房大地的可靠连接，保证人员和设备安全。

为防止信号干扰，控制系统最好设置独立的接地系统，对接地电阻的要求不大于1Ω。

到变频器的信号线，必须采用屏蔽电缆，屏蔽线的一端要求可靠接地。

5）对于变频器的调速一般是在工厂需要的情况下进行调快或调慢，具体的情况必须根据工厂的要求来进行。

6）15%的电压降不会引起变频器的跳闸，因电压中断引起跳闸时，会造成严重事故。

此外，变频器不能由输出口反向送电，在电气回路设计中必须注意。

流程图见附录1。

PID调节器可使原系统增加二个负实数零点和一个位于坐标原点的开环极点。

与PI控制器相比，除了同样具有提高系统稳态性能的优点以外，由于多了一个负实部零点，对提高系统的动态性能有更大的优越性。

因此，在工业过程控制系统中，广泛使用PID调节器。

PID各部分参数的选择，在系统现场调试中最后确定，应使I部分发生在系统频率特性的低频段，以提高系统稳态性能，而是D部分在系统高频段起作用，以改善系统的动态性能。

工程上应用的PID传递函数为:

上式中：

2.5系统梯形图及控制原理

图2-4系统梯形图

以下是该梯形图的控制原理：

0）按下启动按钮，有信号I1.1输入，即I1.1闭合时，M0.0得电。

1）同时输入信号I0.8（工频就绪）、I0.2（启动键）闭合、I0.3（停止键）断开，Q0.3得电，同时，自带常开触点闭合，产生自锁，即使断开Q0.2或I0.2，仍然能输出Q0.3，从而使工频运行输出。

此时，1中Q0.3的常闭触点断开，Q0.2失电，4中Q0.3常开闭合。

当I0.1闭合时，开始工频启动,Q0.3得电，系统进行工频合闸输出。

2）输入信号I1.0（变频就绪）、I0.3、I0.2时，Q0.2得电，即输出Q0.2，同时产生自锁，从而使变频运行输出。

与此同时2中Q0.2的常闭触点又重新闭合。

当I0.0闭合时，开始变频启动，Q0.2得电，系统进行变频合闸输出。

同时，2中Q0.2的常闭触点断开，3中Q0.2的常开触点闭合。

3）同时，闭合Q0.0（远程启停输出）、I0.4（变频运行），Q0.4（变频运行输出）得电，可以进行变频运行的远程输出。

4）出现问题时，系统会有信号I0.5（变频故障）输入，Q0.1（变频故障输出）得电。

7中Q0.1的常开触点闭合。

5）闭合I0.6（报警复位）后，M1得电。

8中M1的常开触点闭合。

6）M1常开触点自动闭合后，Q0.5（报警复位输出）得电，同时，6中Q0.5的常闭触点断开，Q0.1失电。

此时，7中Q0.1的常开触点又断开，使M1失电。

8中M1的触点又断开，Q0.5失电。

同时，6中Q0.5的常开触点又闭合，如此，6—8的过程形成一个变频故障输出和变频报警复位的循环过程。

若按下停止按钮，则停止整个动作。

说明：

本次设计中，设计已能够达到变频调速的要求，PLC的设计使整个系统能更好的运行。

第3章PLC和变频器的型号选择

3.1PLC的型号选择

在PLC系统设计时，首先应确定控制方案，下一步工作就是PLC工程设计选型。

工艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据。

PLC及有关设备应是集成的、标准的，按照易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则选型所选用PLC应是在相关工业领域有投运业绩、成熟可靠的系统，PLC的系统硬件、软件配置及功能应与装置规模和控制要求相适应。

熟悉可编程序控制器、功能表图及有关的编程语言有利于缩短编程时间，因此，工程设计选型和估算时，应详细分析工艺过程的特点、控制要求，明确控制任务和范围确定所需的操作和动作，然后根据控制要求，估算输入输出点数、所需存储器容量、确定PLC的功能、外部设备特性等，最后选择有较高性能价格比的PLC和设计相应的控制系统。

综合了输入输出（I/O）点数、存储器容量、各项控制功能和机型的考虑以及性价比等各方面的因素，在此我为该系统设计选择了S7-200PLC一台。

S7-200PLCCPU的外形模型图

S7-200有5种CPU模块、6个有12种工作方式的高速计数器和两点高速计数器/和脉冲宽度调制器、直接读写的模拟量I/O模块、先进的程序结构、灵活方便的寻址方式以及程序化的PID编程控制。

强大的通讯功能，它支持多种通信协议。

价格是它在所有品牌在同一功能区内很有竞争力的。

最重要的是它还提供了完善的的网上支持。

这些都为实现本系统的设计提供很好的条件和方便。

例如，高速计数器可以用来测速从而实现速度反馈。

3.2变频器的选择和参数设置

3.2.1变频器的选择

正确选择通用型变频器对于传动系统能够正常运行时至关重要的，首先要明确使用通用变频器的目的，按照生产机械的类型、调速范围、速度响应和控制精度、启动转矩等要求，充分了解变频器所驱动负载特性，决定采用什么功能的通用变频器构成控制系统，然后决定选用哪种控制方式最合适。

所选用的通用变频器应是既满足生产工艺要求，又要在技术经济指标上合理。

若对通用变频器选型、系统设计及使用不当，往往会使通用变频器不能正常的运行、达不到预期目标，甚至引发设备故障，造成不必要的损失。

另外，为了确保通用变频器长期可靠的运行，变频器的地线的连接也是非常重要的。

变频器在调速系统中的优点：

1．控制电机的启动电流；

2．降低电力线路的电压波动；

3．启动时需要的功率更低；

4．可控的加速功能；

5．可调的运行速度；

6．可调的转矩极限；

7．受控的停止方式；

8．节能；

9．可逆运行控制；

10．减少机械传动部件。

在本系统中，选用了由西门子生产的通用变频器MM420。

3.2.2变频调速原理

变频调速是通过改变电机定子绕组供电的频率来达到调速的目的。

n=60f（1-s）/p

对于成品电机，其磁极对数p已经确定，转差率s变化不大，故电机的转速n与电源的频率f成正比，因此改变输入电源的频率就可以改变电机的同步转速，进而达到异步电机的调试目的。

3.2.3变频器的工作原理

变频器的工作原理是把市电（380V、50Hz）通过整流器变成平滑直流，然后利用半导体器件（GTO、GTR或IGBT）组成的三相逆变器，将直流电变成可变电压和可变频率的交流电。

3.2.4变频器的快速设置

如果所用的变频器刚刚出厂的变频器，则需对它进行快速调试，试验中用到的变频器都已经完成了快速调试。

注:

（1）设置参数前先将变频器参数复位为工厂的缺省设定值

（3）设定电机参数时先设定P0010=1（快速调试）,电机参数设置完成设定P0010=0（准备）

改变参数数值的一个数字

为了快速修改参数的数值，可以单独修改显示出的每个数字，操作步骤如下：

1.按（功能键），最右边的一个数字闪烁。

2.按/，修改这位数字的数值。

3.再按（功能键），相邻的下一位数字闪烁。

4.执行2至4步，直到显示出所要求的数值。

5.按，退出参数数值的访问级。

以下为变频器的设置一般方法：

序号

变频