基于PLC的通风机转速调节控制系统设计Word下载.docx
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关键词：
通风机;
可编程控制器;
变频器;
速度调节
DesignofspeedregulationandcontrolsystemforventilatorbasedonPLC
Abstract：
Fanspeedregulationcontrolinavarietyofindustrialapplications,widelyused,theuseoftheventilatortosafetyroleonthesafeproductionandmaterialstorage,thesystemisdesignedmainlyforindoorgasconcentrationdetection,thedetectedsignalisinputtotheprogrammablecontroller,throughthecomparisonandcalculationoftheoutputsignal.Fanofinvertercontrolstopandspeedregulation,toachieveenvironmentalprotectionandenergysavingandgoodindoordensitycontroleffect.
Accordingtothedesignprocess,Inthisdesign,thefanspeedcontrolsystemisdesigned,andthesystemisdesignedwithprogrammablecontroller,andthefanspeedcontrolsystemisdesigned.andthesystemisdesignedwithPLC.Inthedesignofthesystem,theprocessflowisanalyzedfirst.Accordingtothespecificrequirementsoftheprocessflow,Theprogrammablecontrollerisselected.Inthehardwaredesignpart,thehardwaredesignoftheprogrammablecontrollerisanalyzedanddesigned,includingthewiringdiagramoftheprogrammablecontrollerandthewiringdiagramofthemaincircuit.andthewiringofthecontrolcircuit.Graphicdesign.Inthesoftwareprogrammingpart,theanalysisoftheprocessflowismainlycarriedout,andtheI/Opointsoftheprogrammablecontrollerareassigned,andthefunctionanddesignmethodoftheprogrammingsoftwareareintroduced.Inprogramming,theimplementationofeachfunctionisexplainedindetail.Throughthisdesign,thetechnicalrequirementsofsystemdesignarerealized.Thesystemhasstronglogicalthinkingability.clearthinking,simpleandreliablestructure,stableoperation,andreserveexpansionallowanceforthelatersystemupgrade,andmeettherequirementsofthedesign.
[Keywords]:
Fanprogrammablecontrollerfrequencyconverterspeedregulatio
一引言
1.1课题的来源及研究意义
随着新一代电力电子器件的发展,性能的提高和计算机技术的发展,如16位机到32位机的发展、DSP的诞生和发展以及T型机的完善和发展。
进步前辈的节制理论和手艺,如磁场定向矢量节制和直接转矩节制等,变频调速有了很大的进步。
在转速范围、驱动量、调速级别、动态相应、输出机能、功率、效力、利用便当等方面,变频器调速已大大跨越传统交换调速，其机能指标也高于直流调速体系，DC调速体系的位置。
今朝,交换变频调速以其优秀的机能受到了行业的普遍接待。
1.2课题研究的目的和意义
变频器采用微机控制技术，电力电子手艺和机电驱动速率节制手艺实现了产业交流机电的调速,具备效率高、规模大、精度高的特色。
逆变器经历了多种控制模式的进化直到全数字控制的发展,逐渐实现了多功能、高性能,然后适应各种生产机械和各种生产过程的适应性。
SES不断增强。
随着社会的不断进步和发展,2l世纪是中国一个新的充分实现信息时代自动化、高新技术、信息技术、智能化和自动化。
数字化将广泛关注和T各城市地区推广他社会。
在这一点上,我们将带来生产力的大幅提高和社会发展的稳定和进步。
机器自动化是当代进步前辈机器范畴的核心技术,是工业当代化的物资基石,是工业当代化的主要标记。
目前,它不断地研究和探讨中国的工业电气自动化的发展和战略目标,具有十分重要的现实意义和时代意义。
1.3课题研究内容及比较
本设计以某化工车间的通风机控制系统为研究对象。
该车间内生产环境恶劣,车间的物料散发着有害气体,空气中的该气体达到已经浓度时,需要进行气体排出,否则会对人员健康和安全生产带来巨大隐患。
系统的设计有三种备选方案。
分别是继电器控制方案、单片机控制方案和可编程控制器控制方案。
以上三种方案对比如下:
（1）继电器控制方案
根据继电器电路控制的原理进行系统设计，该电路线图复杂，故障率高，排查故障困难，而且电器元件比较多，更换比较频繁，很多功能输入手动状态，无法实现自动运行。
需要操作人员现场观察系统的运行状态，并且根据当前的状态进行主观判断，操作相应的按钮。
特别在污染环境比较大的现场，对操作人员的身体伤害比较大。
现场控制主观性强，对系统的把控往往不够精确，可靠性比较差，操作人员的培训比较困难，也需要一直守在现场进行实时控制，工作效率比较低，所以该方案不合适。
（2）单片机控制方案
单片机控制的精度比较高，对现场的自动化算法比较灵活精确，性价比比较高，可以根据现场的实际情况进行参数调准。
但是该方案对现场的要求比较严苛，尤其不能受到信号干扰。
程序设计的周期比较长，而且一旦程序固化后，很难再进行扩展，程序修改很不方便。
碰上需要修改的情况会很麻烦。
如果碰到现场环境恶劣，单片机还容易损坏。
（3）可编程控制器方案
可编程控制器通过程序编译实现现场的自动化控制,它结合了最新的计算机技术和自动控制理论、现场通信技术等。
是一种相当适用于自动化的控制用元器件。
可编程控制器具有性能优越、可靠性高、抗干扰能力强、对现场适应性强等特点,能适应各种恶劣的工业环境。
可编程控制器具有强大的通信功能，可以与现场其他控制单元进行联系。
可编程控制器的设计为模块化设计,可以按照现场的具体要求进行各种模块设计,例如,高速计数模块、模拟输入输出模块、通信模块等数字输入输出模块。
可编程控制器在使用方面非常便利，当现场情况发生变化时,只需要修改程序,并重新下载即可。
在设计时,往往都会留有足够的余量,为后期的系统更新和扩展提供便利。
根据以上三个方案的比较说明，本系统选用可编程控制器方案作为设计主控制器，为系统进行软件设计，达到工艺要求。
根据该系统的方案,由变频器和PLC组成的控制系统具有可靠性高、抗干扰能力强、组合灵活、编程简单、维护方便、成本低、能耗低等特点。
因此,电机由PLC控制驱动效率，使电机更灵活的应用于各种需要调速的机械设备。
该系统使用变频器的频率调整功能控制三相交流异步电动机的转速。
根据风机调速系统的技术要求设计,经过工艺的详细分析和了解，提出设计研究方案，通风机转速调节控制系统的设计研究方案一般为继电器控制系统方案，单片机控制系统方案，可编程控制器控制系统方案等，对以上方案进行比较选择，结合系统实际设计要求，选择最优的方案进行设计。
按照最优方案设计要求，进行系统的工艺功能分析，对动作流程和控制需求进行整理。
按照设计要求进行控制单元原理分析及型号选择，以及相应的其他电气设备的原理介绍及选型，最后确定系统设计的总体方案。
在硬件设计部分，首先对系统的硬件各方面需求进行了解和分析，对系统的电气原理图进行详细设计，对元器件的选用部分进行说明。
在软件设计部分，主要对程序设计的流程图进行分析和设计，并且对I/O进行分配设计，I/O分配设计的目的是为了后期的程序设计提供方便和依据。
最后进行程序的设计和分析，进行程序运行调试的步骤方法说明，提供程序仿真的解决方案。
按照控制的要求，以及工艺分析，本系统在设计中，需要按照以下思路进行设计：
（1）详细了解通风机转速调节控制系统的工艺流程，特别是动作要求以及实现的控制目的，查询参考文献，了解最新设计成果，为后期设计提供依据；
（2）按照工艺流程的分析及动作流程，对系统进行方案的比较和选择，并且选择主控制器的型号，对相应的电气设备进行型号选择，确定最终的系统设计方案，分析设计思路；
（3）在硬件设计部分，先对硬件设计需求进行分析，并且设计主控制器的接线图，主电路接线图以及其他电路接线图等；
（4）在软件设计部分，对软件设计的程序流程进行详细分析，介绍编程软件的功能及实际应用，对系统以及程序的输入输出点进行分配规划以及设计，对程序进行详细设计和分析说明。
（5）按照硬件设计结果和软件设计结果，对程序进行仿真，按照仿真设计步骤，完成程序的验证和修改。
2通风机转速调节系统的总体设计
2.1控制系统的工艺分析
本系统设计要实现气体达到设定浓度时，需要进行气体排出该工艺要求，而且要达到节能、环保以及高效可靠的目的，本系统的工艺控制框图如下图2-1所示：
图2-1本系统控制工艺框图
本系统采用可编程控制器为系统的控制单元，对车间内的气体进行浓度检测，并且将检测结果转换为标准的模拟量信号输入到可编程控制器内。
可编程控制器通过外部的模拟量给定信号和现场气体实时反馈的信号进行比较，当车间气体浓度大于给定的上限值时，启动通风机，并且逐渐增加通风机的频率；
当车间气体浓度小于给定值的下限值时，停止通风机，并将频率给定恢复为0V。
2.2可编程控制器的介绍及选型
可编程控制器广泛应用在工业现场，为工业现场各种各样的复杂工艺提供自动化控制的应用。
可编程控制器主要是由数字运算的操作系统组成，包含处理器，存储器，计算器等部分。
其内部软件程序可以实现现场模拟信号的通用定时功能、计数功能、数据处理和运算功能、逻辑控制功能和处理功能。
根据以上功能实现了现场所有系统控制的各种要求，可编程控制器按照工艺设计的要求，将现场的数字量信号及模拟量信号进行反馈采集，按照程序的运算结果，将输出结果传送到现场，按要求进行控制。
其主要应用情况主要表现在下面几个方面：
（1）现场使用的逻辑控制开关量数量比较多，其控制规模比较大，使用的大型可编程控制器的场合比较多。
（2）根据现场的复杂程度，研发出各种各样的适合现场应用的功能模块，比如温度模拟量控制模块、通讯模块、高速计数模块以及伺服控制模块等。
（3）可编程控制器的使用比较开放，以前的可编程控制器制造厂家都采用各自的设计标准，系统相互不兼容，这为后期的带来很多麻烦，现在许多厂家都注意这些，开始进行系统的开放设计。
（4）按照可编程控制器的发展，对程序的处理功能越来越丰富，能够实现各种复杂工况下的程序设计，可以进行程序的监控和修改控制。
（5）根据现场总线通讯的技术发展，可编程控制器和驱动单元、现场仪表以及上位监控人机界面等通讯实现。
按照以上的描述，可编程控制器的使用在工业现场可以实现自动化控制，而且能够进行现场的智能化控制以及信息化。
可编程控制器在运动控制系统方面以及模拟量信号处理控制方面有着比较广泛的使用，成为该控制器的优点。
在我国，可编程控制器一般采用国外优秀品牌，借鉴国外先进的技术，通过借鉴开发出属于我国自己的可编程控制器。
同时我国也在自主研发可编程控制器，研发的前景和空间很好，它也取得了不小进步。
可编程控制器的特点:
（1）可靠性高，对现场抗干扰的能力比较强
对于电气设备的使用，可靠性要好，这样才能保证现场的系统安全，并且根据各种复杂的现场情况，对现场抗干扰的能力也是很重要的指标。
可编程控制器在制造的过程中，特别重视系统的可靠性能，对现场的抗干扰能力加强设计。
确保可编程控制器在使用过程中可靠性能，现场使用时，对现场的干扰能力也有所抑制。
（2）功能比较完善，并且配套的功能块齐全
根据现场各种复杂多变的功能实现，可编程控制器需要研发出更多功能的模块来应对现场复杂多变的工艺要求，从而研发出适合现场的各种功能模块，按照具体使用条件的要求，选用不同的功能模块实现现场的控制。
对一些逻辑控制功能和现场的其他复杂的应用场合，都有相应的功能模块进行实现。
（3）体积小、重量轻、能耗低
经过集成电路的研究发展和广泛应用，可编程控制器的系统使用容量比较小，功耗比较低。
可编程控制器的应用场合介绍：
（1）PLC开关量的逻辑控制
对于现场的开关量控制是可编程控制器最基本的使用功能，现场的开关量逻辑控制工艺包括顺序控制工艺、条件控制工艺、以及各种控制逻辑的实现。
开关量逻辑控制最初的设计是根据我们常用的继电器控制系统演化而来，梯形图的设计和继电器控制系统电路的设计有很多相似的地方。
逻辑控制功能广泛应用在各种工业控制场合，比如注塑行业、造纸行业、机床行业等。
（2）PLC模拟量控制
在实际生活中，经常遇到连续量，比如水位，温度，光照度等等，这些模拟量需要进行现场的标准信号处理，转换为标准信号输入到可编程控制器，然后可编程控制器进行AD处理，转换为数字量，然后根据数据的处理，包括滤波处理，限幅处理，数值转换处理等，在PID应用场合，对设定值和反馈值之间进行比较运算输出，控制现场的各种执行机构。
（3）PLC数据处理
对现场的各种模拟量进行数据的转换处理是可编程控制器的一个重要应用部分，可以通过现场的复杂工艺进行数学模型分析，建立数学公式进行程序编写，对数据进行各种各样的运算处理，达到控制的要求。
（4）PLC过程控制
过程控制在工业环境下，应用比较多。
对现场的各种信号进行检测，将检测的信号转换为标准的模拟量信号进行反馈，可编程控制器根据现场的各种工艺控制要求和方法进行数据处理，达到现场过程控制的目的。
特别是现场的PID控制算法的建立和应用，为过程控制提供了更加便捷的使用功能。
在现场对模拟量进行控制，往往要用到PID控制的功能，实现了对现场模拟的恒定要求。
（5）PLC通信及联网
可编程控制器的通讯功能比较强大，对各种现场总线系统设计都适应，应用比较多的是以太网通讯，现场总线DP通讯，可编程控制器的生产厂家都比较重视通讯功能的使用。
可编程控制器根据下图所示，分为输入部分、逻辑计算部分和外部输出部分。
可编程控制器的输入接口主要包含外部的输入逻辑命令和数据通道等。
外部输入部分通常由外部按钮信号、旋钮信号、限位开关信号、继电器信号等组成，模拟量部分主要由外部的仪表输入标准的模拟量信号输入。
可编程控制器通过内部硬件结构，按照控制原理，将外部采集的信号进行储存，并且按照循环扫描的原理，进行数据的读取和调用。
首先通过循环扫描，将该输入信号进行程序扫描，接通或断开。
程序扫描过程中，按照用户的程序设计，对信号进行程序的计算和处理，并且将计算的结果传送到输出映像寄存器。
然后控制外部输出信号,通常包括指示器、继电器、接触器、电磁阀等。
模拟输出信号将转换为输出信号，输出至变频器、调节阀等外部执行元件。
在控制系统开发和应用中，西门子S7-200系列可编程控制器使用比较广泛，收到各行各业研发人员的广泛关注。
西门子S7-200系列可编程控制器属于小型的可编程控制器，该产品在结构设计上比较紧凑，性价比高，对现场实现的功能比较强大而且全面，特别适合对现场较简单的控制系统进行程序开发和硬件设计，是本系统设计的最佳选择。
西门子S7-200具有丰富的功能，比如PID调节功能、高速计数器功能、通讯功能以及数据处理功能等。
能和上位机进行通讯。
根据实际过程分析和外部输入输出统计,系统选用S7-200CPU226可编程控制器进行程序设计。
所选择的模拟输入输出模块是EM23。
西门子S7-200系列PLC如下图2-1所示。
图2-1西门子S7-200系列的可编程控制器。
图2-1西门子S7-200系列可编程控制器
2.3变频器的介绍及选型
按照系统设计的要求，对变频器部分进行选型，本系统设计选择ABB公司生产的ACS550变频器。
该变频器的使用功能比较丰富，能够和其他控制单元进行通讯，广泛使用在各种行业中。
ACS550变频器的性能比较优越，对现场的速度控制和转矩控制要求均能满足。
该变频器的最大功率设计为250KW，采用电网工频交流电进行供电，该变频器对现场的适应能力比较强。
ACS550变频器和其他系列的变频器相比较，具有更多的控制选件，能够使用在各种工况下的控制。
该变频器内部的逻辑运算和外部的输入信号相互协调控制，达到控制功能的目的。
采用的操作面板为LCD面板，可以显示变频器的参数，当前的数据以及故障代码等。
该变频器可以通过组态进行上位机的连接，通过上位机软件进行变频器的通讯组态和参数设置，变频器内部的故障代码比较丰富，能够在任何异常情况下保护变频器，保护电机。
根据系统的要求,选用ACS550逆变器作为系统的驱动单元。
ACS550变频器如图2-3所示。
图2-3ACS550变频器。
。
图2-3ACS550变频器
2.4电动机的调速原理及选型
调速是该设计的首要目的。
在实际应用中有多种交流调速方式,如变极调速、转子串联电阻调速、串级调速、电磁调速、异步电动机调速、变频调速等。
随着电力电子技术、计算机控制和矢量控制技术的进步,变频技术得到了迅速发展,并已应用于生产的许多领域,是未来调速发展的方向。
变频调速的基本原理是电机的转速和功率的输入频率成正比:
n=60f（1-s）／p，
通过改变电机电源的频率来达成改变电机速度的目的。
外部电机的速度和变频器的输出频率成正比,也就是说,可以通过变频器的频率来调节电机的转速。
调节的频率可以在0赫兹到50赫兹之间变化，频率发生变化，电动机的转速也就发生变化，这样就可以控制电动机的转速从零转速到额定转速之间进行无级变化，从而控制电动机的转速和设备的速度等。
当然这是个比较理想的高效率和高性能的变频器调速方法，其实在广泛的工业现场应用中，工厂中使用的交流变频器输出的三相电压一般为220V-660V之间，频率调速的范围为0HZ-500HZ之间，控制电动机的功率大小为0.75KW-800KW之间。
根据该系统的机械部分的设计思想和功率计算,结合电机的性能选择Y系列电动机。
全封闭自扇冷笼三相异步电动机,具体型号为Y100L-2,该电机具有低能耗、高性能、低振动、低噪音、寿命长、可靠性高、维护方便、高起动转矩等优点。
2.5总体方案的确定及分析
本系统设计为通风机的变频控制系统，根据以上工艺的介绍，以及变频器和可编程控制器的介绍和选型。
本系统所选用的可编程控制器是西门子S7-200CPU226系列的可编程控制器。
该系统的模拟模块为EM223,逆变器采用ABB公司生产的ACS550逆变器。
西门子S7-200系列可编程控制器系列的型号比较多。
可编程控制器内部的中断程序多达4个。
具有丰富的功能，比如PID调节功能、高速计数器功能、通讯功能以及数据处理功能等。
本系统根据实际的工艺分析和外部输入输出的统计，选用S7-200CPU226可编程控制器进行程序的设计。
3通风机转速调节系统的硬件接线设计
3.1PLC的硬件接线及分析
本系统的通风机控制系统,采用西门子的CPU226可编程控制器,采用的模拟量输入输出模块为EM233,依据西门子CPU226系列的硬件手册,对接线图进行设计。
可编程控制器电路的设计,主要为三部分的设计,首先对可编程控制器的电源进行设计,按照本系统的设备选型,可编程控制器的电源由直流24V供电,在设计电源时,必须注意直流24V的误接线。
否则会引起设备损坏。
24V电源输入之前要有断路器,该断路器是分断可编程控制器的开关。
其次是可编程控制器的输入部分设计,输入部分是为DC24V正线设计的。
所有的按钮、开关和其他端都需要连接到DC24V的正极线上,另一端连接到可编程控制器的输入端。
当外部按钮和开关闭合时,输入端子的指示灯亮起。
表示该路信号接通。
第三部分是可编程控制器的输出部分,在公共线路的输出部分是DC24V的负极,DC24V的负极连接到输出线圈的一端或指示灯,另一端连接到可编程控制器的输出端。
当可编程控制器的输出端子灯亮时,则对应的执行元件将通电,执行某一动作。
体系的输入输出部门中的24V电源由开关电源供电,PLC电源由另外一开关电源供电。
这样做的目的是避免相互干扰,保
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