木工除塵風機系統的變頻調速和PLC控制*

杜習波， 朱 華， 朱豐沛

(1. 中國礦業大學 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、高效的木工機械設備被廣泛應用在家具生產中，提高了家具企業的生產效率，但是在工作時也產生了大量的粉塵[1]，需要用風機除塵設備來回收處理粉塵，保護工人的健康和企業周邊的環境。

在生產過程中，所有木工設備并不都是一直處于滿負荷運轉中，高耗能的離心式風機除塵設備如果一直處于高速運行，則必然存在動力浪費，給企業帶來不必要的損失。具有二次方轉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，負載轉矩很小，其負載消耗的能量正比于轉速的三次方[2]，可通過變頻器控制轉速實現節能的目的。采用變頻器技術可以實現對風機電動機的高效連續調速控制[2-5]，實現轉速隨負載的跟蹤變化[6-8]，從而達到節能增效的目的；以PLC為核心的控制系統通過通訊協議，可以實現對變頻器運行中的有效控制[9-11]。

1 風機變頻調速技術和節能原理

風機除塵設備一般采用異步電動機驅動。異步電動機軸轉速為

(1)

式中：n1——旋轉磁場轉速；

f1——供電電源頻率；

p——電機極對數；

s——異步電動機的轉差率。

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

改變風機的風量的方法有節流調節和轉速調節兩種。節流調節通過控制風門的開度來實現風量的改變；而調節轉速來控制風量的方法有著明顯的節能效果[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為風門全開時管網的風阻特性，曲線4為風門開度減小時管網的風阻特性。假設風機在設計時工作在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。

當需要調節風量時，例如從Q1減少到Q2時，若采用調節風門的方法來調節風量，使管網的風阻曲線由曲線3變為曲線4，即減少風門開度增加了管網阻力。此時系統的工作點由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。

如果采用調節轉速來調節風量的方法，風機轉速由n1降到n2，根據風機參數的比例定律，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，用調速的方法來減少風量的節能效果是十分顯著的。

2 變頻風機除塵系統

變頻風機除塵系統由變頻控制柜、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備，當部分設備關機時，對應的手動插閥或自動插閥關閉，在風機轉速不變的情況下，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，變頻器則實現降頻運行，控制除塵風機的電機實現降速運行。反之，當設備重新打開時，變頻器升頻運行，風機電機增速。實現了風機除塵設備的變頻節能控制。脈沖噴吹系統對濾袋進行周期地清灰作業，使凈化氣體正常通過，保證除塵系統正常運行。

圖2 變頻風機除塵系統

3 電氣控制系統設計

依據除塵風機的操作要求，設計的電氣控制系統如圖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作為系統的緊急停機按鈕，實現系統的故障保護。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，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DMK；關機時，關閉風機電機M3后，需要按照SB5、SB3、SB1的順序分別關閉變頻器、M2和M1。如果撤掉虛線0 V線，接入實線0 V線，PLC的觸點代替相應的按鈕，可以實現程序的控制。

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，帶動風機系統運轉，差壓傳感器與變頻器實現系統的PID閉環變頻控制，而風機電機運行中的狀態信息則通過PLC傳輸到觸摸屏上實時顯示。

4 變頻調速與控制試驗

4.1 變頻器調試

如表1所示，進行變頻器的快速調試，確認系統能否正常工作。然后進行變頻器的PID調試，其中PID-MOP設定值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，該值應略小于r2266的值。由于該系統中，考慮了后續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。最后設定USS通信模式下的變頻器參數。

4.2 PLC程序控制

依據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 變頻器調試相關參數表

圖5 PLC程序流程圖

4.3 觸摸屏的組態

使用WinCC Flexible 2008組態軟件實現屏幕的組態。根據PLC程序中的觸點、變量在WinCC軟件中創建相應的變量表，建立控制畫面、風機動畫畫面、報警畫面等；在每個畫面中組態需要的文本域、圖形、按鈕、開關、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，檢查組態結果的效果。組態的自動畫面和手動畫面控制畫面如圖6所示。

圖6 組態的自動畫面和手動畫面

4.4 應用試驗

將PLC程序和WinCC Flexible組態的程序通過USB-PPI通信線纜分別下載到S7-200、Smart 700 IE中，用Profibus連接線連接相應的接口。上電開機，起動變頻運行，可看到系統正常運行；當關閉部分木工設備后，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 ，系統運行穩定，管道中風力強勁，可起到清除管道沉積的目的。

在企業試運行時，風機系統每天運行8h，每月開機25天，經實際運行監測，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，每月將耗電15000kW·h，節能效果明顯。

5 結 語

本文結合家具廠木工除塵系統設計了PLC控制的除塵風機變頻調速系統，介紹了變頻調速技術、風機節能原理和變頻風機除塵系統組成，著重設計了電氣控制系統和PLC控制程序，并實現了組態控制，匯總了變頻器調試中需要的相關參數。將該系統應用于某家具廠的除塵系統，取得了顯著的節能效果。本文也為相關產品的設計和變頻器的調試控制提供了一定的借鑒。

【參 考 文 獻】

[1] 王海明,馬紅.木工設備除塵系統及應用淺析[J].木材加工機械,2003,14(2)： 23-24.

[2] 許振茂.變頻調速器在風機中的節能應用[J].風機技術,2003(2)： 44- 46.

[3] 齊振邦.風機變頻調速應用現狀及節能原理[J].風機技術,2000(3)： 39- 41.

[4] 梅升.300MW機組引風機變頻控制改造[J].電機與控制應用,2010(4)： 36-38.

[5] 胡炫,朱虎,楊志.高壓變頻器在發電廠引風機上的應用與節能分析[J].電機與控制應用,2010(2)： 37-39.

[6] 李濤.變頻調速的原理與控制方法[J].科技信息,2011(27)： 108.

[7] 陳銘,陳俊.交流異步電動機變頻調速系統研究[J].襄樊學院學報,2008,29(2)： 61- 64.

[8] 許振茂.變頻調速器的節能應用與計算[J].自動化博覽,2002,19(4)： 35-37.

[9] 張學輝,程顯吉,韓培成.基于PLC及變頻器的恒壓供水實訓系統開發[J].科技信息,2011(9)： 99-100.

[10] 劉增環,潘明福.基于PLC及變頻器技術的帶式輸送機控制[J].煤礦機械,2011,32(9)： 192-193.

[11] 黃金鳳,張進,李占賢,等.PLC與變頻器間的通信實現[J].工礦自動化,2007(5)： 95-97.

[12] CAMOIRANO R, DELLEPIANE G. Variable frequency drives for MSF desalination plant and associated pumping stations[J].Desalination and the Environ-ment Desalination and the Environment, 2005,182(13)： 53- 65.

[13] 郭玲.變頻器在礦井風機改造中的應用與實踐[J].煤礦安全,2007,38(4)： 18-20.

[14] 朱秀斌.基于變頻調速和PLC的風機控制系統研究[J].制造業自動化,2011(24)： 69-71.