杜習波， 朱 華， 朱豐沛

(1. 中國礦業(yè)大學 機電工程學院，江蘇 徐州 221116； 2. 河南理工大學 機械與動力工程學院，河南 焦作 454000; 3. 無錫寶神礦用設(shè)備科技有限公司，江蘇 無錫 214181)

0 引 言

越來越多高精度、自動化、高效的木工機械設(shè)備被廣泛應(yīng)用在家具生產(chǎn)中，提高了家具企業(yè)的生產(chǎn)效率，但是在工作時也產(chǎn)生了大量的粉塵[1]，需要用風機除塵設(shè)備來回收處理粉塵，保護工人的健康和企業(yè)周邊的環(huán)境。

在生產(chǎn)過程中，所有木工設(shè)備并不都是一直處于滿負荷運轉(zhuǎn)中，高耗能的離心式風機除塵設(shè)備如果一直處于高速運行，則必然存在動力浪費，給企業(yè)帶來不必要的損失。具有二次方轉(zhuǎn)矩特性的離心式或軸流式通風機、鼓風機和壓縮機，在低速運行時氣體流速低，負載轉(zhuǎn)矩很小，其負載消耗的能量正比于轉(zhuǎn)速的三次方[2]，可通過變頻器控制轉(zhuǎn)速實現(xiàn)節(jié)能的目的。采用變頻器技術(shù)可以實現(xiàn)對風機電動機的高效連續(xù)調(diào)速控制[2-5]，實現(xiàn)轉(zhuǎn)速隨負載的跟蹤變化[6-8]，從而達到節(jié)能增效的目的；以PLC為核心的控制系統(tǒng)通過通訊協(xié)議，可以實現(xiàn)對變頻器運行中的有效控制[9-11]。

1 風機變頻調(diào)速技術(shù)和節(jié)能原理

風機除塵設(shè)備一般采用異步電動機驅(qū)動。異步電動機軸轉(zhuǎn)速為

(1)

式中：n1——旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速；

f1——供電電源頻率；

p——電機極對數(shù)；

s——異步電動機的轉(zhuǎn)差率。

由式(1)可知，改變電動機的供電電源頻率可以改變其轉(zhuǎn)速，從而實現(xiàn)調(diào)速運行。變頻器可以實現(xiàn)異步電動機的變頻調(diào)速。

改變風機的風量的方法有節(jié)流調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)兩種。節(jié)流調(diào)節(jié)通過控制風門的開度來實現(xiàn)風量的改變；而調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速來控制風量的方法有著明顯的節(jié)能效果[12-13]，其原理如圖1所示。

圖1 風機特性曲線

曲線1、5分別為風機在恒速n1、n2下的風壓-風量(H-Q)特性曲線，曲線2為恒速n2下的功率-風量(Ps-Q)特性曲線，曲線3為風門全開時管網(wǎng)的風阻特性，曲線4為風門開度減小時管網(wǎng)的風阻特性。假設(shè)風機在設(shè)計時工作在A點，效率最高，此時輸出風量Q為100%，軸功率Ps1與Q1和H1的乘積成正比，即Ps1與A-H1-O-Q1-A所包圍的面積成正比。

當需要調(diào)節(jié)風量時，例如從Q1減少到Q2時，若采用調(diào)節(jié)風門的方法來調(diào)節(jié)風量，使管網(wǎng)的風阻曲線由曲線3變?yōu)榍€4，即減少風門開度增加了管網(wǎng)阻力。此時系統(tǒng)的工作點由A點移至B點。由此可知，風量雖然降低了，但風壓增加了，軸功率Ps2與B-H2-O-Q2-B成正比，與Ps1相比，減少較小。

如果采用調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)風量的方法，風機轉(zhuǎn)速由n1降到n2，根據(jù)風機參數(shù)的比例定律，可以畫出在恒速n2下的風壓-風量(H-Q)特性曲線5，風機工作在C點。由圖1可知，在滿足同樣風量Q2的情況下，風壓將大幅度降低到H3，軸功率Ps2也明顯降低，所節(jié)約的功率與面積A-H1-O-Q1-A和C-H3-O-Q2-C之差成正比。由此可見，用調(diào)速的方法來減少風量的節(jié)能效果是十分顯著的。

2 變頻風機除塵系統(tǒng)

變頻風機除塵系統(tǒng)由變頻控制柜、除塵風機、差壓傳感器、除塵管道和脈沖噴吹系統(tǒng)等幾部分組成，如圖2所示。除塵管道連接到廠房中每一臺木工設(shè)備，當部分設(shè)備關(guān)機時，對應(yīng)的手動插閥或自動插閥關(guān)閉，在風機轉(zhuǎn)速不變的情況下，總管道中的風量不變。每個通氣的分管道風量增加，傳感器所在的分管道風量也增加，風壓(負壓)絕對值增大[14]。差壓傳感器將檢測到的壓力變化信號傳遞給變頻控制柜，變頻器則實現(xiàn)降頻運行，控制除塵風機的電機實現(xiàn)降速運行。反之，當設(shè)備重新打開時，變頻器升頻運行，風機電機增速。實現(xiàn)了風機除塵設(shè)備的變頻節(jié)能控制。脈沖噴吹系統(tǒng)對濾袋進行周期地清灰作業(yè)，使凈化氣體正常通過，保證除塵系統(tǒng)正常運行。

圖2 變頻風機除塵系統(tǒng)

3 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計

依據(jù)除塵風機的操作要求，設(shè)計的電氣控制系統(tǒng)如圖3所示。M1為卸料電機，M2為螺旋電機，M3為變頻電機；SB1、SB3、SB5為常閉按鈕，SB2、SB4、SB6為常開按鈕，KA1、KA2、KA3為交流繼電器，KM1、KM2、KM3為接觸器，SB0作為系統(tǒng)的緊急停機按鈕，實現(xiàn)系統(tǒng)的故障保護。電氣控制的過程如下： 虛線0 V接入電路，開機時，依次按下SB2、SB4、SB6按鈕開關(guān)，則按順序起動M1、M2和M3，按下SB7則打開除塵袋的脈沖噴吹系統(tǒng)DMK；關(guān)機時，關(guān)閉風機電機M3后，需要按照SB5、SB3、SB1的順序分別關(guān)閉變頻器、M2和M1。如果撤掉虛線0 V線，接入實線0 V線，PLC的觸點代替相應(yīng)的按鈕，可以實現(xiàn)程序的控制。

圖3 風機電氣控制圖

圖4 PLC與變頻器的連接

除塵風機的變頻運行由PLC來實現(xiàn)控制，PLC與變頻器的連接如圖4所示，Smart 700 IE觸摸屏與變頻器MM430分別連接到PLC的串口2和串口1，差壓傳感器接變頻器的模擬量2輸入端。觸摸屏控制PLC的Q1.0，啟動變頻器運行，帶動風機系統(tǒng)運轉(zhuǎn)，差壓傳感器與變頻器實現(xiàn)系統(tǒng)的PID閉環(huán)變頻控制，而風機電機運行中的狀態(tài)信息則通過PLC傳輸?shù)接|摸屏上實時顯示。

4 變頻調(diào)速與控制試驗

4.1 變頻器調(diào)試

如表1所示，進行變頻器的快速調(diào)試，確認系統(tǒng)能否正常工作。然后進行變頻器的PID調(diào)試，其中PID-MOP設(shè)定值P2240確定方法為： 打開全部進風口，在P2200=0、P2231=1時，通過BOP-2面板啟動變頻器，給定至最大頻率值50Hz，查看r2266的值，變頻器斷電再上電，查看P2240的值，該值應(yīng)略小于r2266的值。由于該系統(tǒng)中，考慮了后續(xù)的清理沉積而選擇的75kW交流異步電機具有一定的余量，實際運行中選擇的變頻基準頻率為44Hz，最終確定了P2240=55.60。最后設(shè)定USS通信模式下的變頻器參數(shù)。

4.2 PLC程序控制

依據(jù)上述控制步驟和過程，繪制如圖5所示的PLC程序流程圖。用STEP7_MicroWIN軟件繪制PLC的程序，并進行仿真運行。

表1 變頻器調(diào)試相關(guān)參數(shù)表

圖5 PLC程序流程圖

4.3 觸摸屏的組態(tài)

使用WinCC Flexible 2008組態(tài)軟件實現(xiàn)屏幕的組態(tài)。根據(jù)PLC程序中的觸點、變量在WinCC軟件中創(chuàng)建相應(yīng)的變量表，建立控制畫面、風機動畫畫面、報警畫面等；在每個畫面中組態(tài)需要的文本域、圖形、按鈕、開關(guān)、趨勢視圖和報警視圖等；最后使用軟件自帶的仿真器模擬運行系統(tǒng)，檢查組態(tài)結(jié)果的效果。組態(tài)的自動畫面和手動畫面控制畫面如圖6所示。

圖6 組態(tài)的自動畫面和手動畫面

4.4 應(yīng)用試驗

將PLC程序和WinCC Flexible組態(tài)的程序通過USB-PPI通信線纜分別下載到S7-200、Smart 700 IE中，用Profibus連接線連接相應(yīng)的接口。上電開機，起動變頻運行，可看到系統(tǒng)正常運行；當關(guān)閉部分木工設(shè)備后，變頻器運行頻率下降到38.6Hz電流表顯示電機運行電流為約95A。當設(shè)備全部打開后，變頻器運行頻率上升到43.4Hz， 電流表顯示電機運行電流為約115A。變頻運行穩(wěn)定可靠。上電開機，起動工頻運行，變頻器運行在50Hz，電流表顯示電機運行電流約為130A ，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，管道中風力強勁，可起到清除管道沉積的目的。

在企業(yè)試運行時，風機系統(tǒng)每天運行8h，每月開機25天，經(jīng)實際運行監(jiān)測，除塵效果良好，月耗電量為11500kW·h；若采用定頻的風機除塵系統(tǒng)，每月將耗電15000kW·h，節(jié)能效果明顯。

5 結(jié) 語

本文結(jié)合家具廠木工除塵系統(tǒng)設(shè)計了PLC控制的除塵風機變頻調(diào)速系統(tǒng)，介紹了變頻調(diào)速技術(shù)、風機節(jié)能原理和變頻風機除塵系統(tǒng)組成，著重設(shè)計了電氣控制系統(tǒng)和PLC控制程序，并實現(xiàn)了組態(tài)控制，匯總了變頻器調(diào)試中需要的相關(guān)參數(shù)。將該系統(tǒng)應(yīng)用于某家具廠的除塵系統(tǒng)，取得了顯著的節(jié)能效果。本文也為相關(guān)產(chǎn)品的設(shè)計和變頻器的調(diào)試控制提供了一定的借鑒。

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