基于变频调速和PLC的风机控制系统研究

摘 要 在经济发展的带动下，社会对于能源的需求不断增加，能源问题已经成为影响我国经济建设的关键问题，节能成为当前社会发展的主题。本文从PLC和变频调速角度，对风机的节能控制系统进行了研究和讨论，希望可以通过风机的变频控制，实现节能生产的目的。

【关键词】变频调速 PLC 风机控制系统

1 PLC与变频调速

PLC，全称Programmable Logic Controll-er，可编程逻辑控制器，是一种以微处理器为核心的数字运算操作的电力系统装置，专门为工业现场应用而设计，采用一类可编程的存储器，相关人员可以在该存储器的内部，执行相应的逻辑运算、顺序控制等操作指令，并通过数字式或者模拟式的输入、输出接口，实现对于各种类型的设备或者生产过程的控制。与传统的继电接触控制相比，PLC技术具有功能完善、可靠性高、编程语言简单、维护方便等优点，因此在自动化控制领域得到了非常广泛的应用。

变频调速，主要是根据电机转速与工作电源输入频率成正比的关系，通过改变电动机工作电源的频率，达到改变电机转速的目的。在实际应用中，变频器可以通过内部的IGBT开端，实现对于输出电源的电压与频率的调整，然后，结合电机的实际需要，提供相应的电源电压，从而实现节能、调速的目的，在设备自动化变频控制和节能改造方面发挥着非常重要的作用。

2 风机变频节能原理

在我国各行各业中，与风机设备配套的电机约占全国电机装机量的60%以上，耗电量占据全国总发电量的33%。而值得注意的是，大多数风机在使用过程中，都存在着大马拉小车的现象，存在严重的能源浪费。而且许多单位在对气体的流量、压力等进行调节时，采取的仍然是落后的控制挡风板或者阀门开度的方式，不仅会造成能源的浪费，而且调节精度差，难以有效满足现代工业生产的要求。而随着变频技术的发展和完善，对风机控制系统进行变频改造，可以在保证风机调速精度的同时，有效减少能源的消耗，因此受到了广泛的关注。

风机变频节能的原理主要是由其自身的特点决定的，其基本原理如图1所示。

图1中，曲线（1）表示风机在恒定转速n1下的风压-风量（H-Q）特性，曲线（2）表示风门全开状态下的管网风阻特性，曲线（4）表示风门全开状态下的变频运行特性。这里，我们假定风机在A点可以获得最佳的工作效率，此时，风压为H2，风量为Q1，轴功率N1与Q1、H2的积成正比，可以利用面积H2OQ1来表示。如果在实际生产中，要求将风量减少到Q2，则调节风门控制风量的方法相当于增加管网的阻力，其阻力特性转变为曲线（3），系统最佳效率点由A变为B，轴功率变化不大。而如果采用变频调速的方式，风机转速由n1降至n2，则此时风量（Q-H）特性曲线表现为曲线（4），可以看出，轴功率显著减少，节能效果非常明显。

3 基于变频调速和PLC的风机控制系统

结合我发电厂所用风机控制系统实例展开分析。系统主要包括PLC、变频调速器、风机、电机、风量控制、数据显示等，同时还包括上位控制系统HMI。在该控制系统中，变频器在工作过程中始终处于变频调速状态，并通过控制管网负压的方式，对烟尘量进行跟踪监测，从而达到良好的节能效果。这里对系统的设计与实现进行阐述。

3.1 硬件部分

从实际需求出发，在充分考虑系统性能和成本的基础上，选择了SIEMENS S7-400系列的 PLC、ET200M智能终端及合资厂生产的3501型智能负压变送器等相关的电气产品，同时，系统中还采用了输出功率为900KW的液力耦合器以及输出功率为630KW的重压变频器，以确保控制系统功能的全面性和可靠性。

3.2 软件部分

对于变频控制系统软件程序的编制，比较侧重于响应速度。因此，集合采集到的现场生产数据，明确了管网的压力值，同时结合PID控制算法，可以有效提高控制系统的稳定性和响应速度。为了减少软件编程人员的工作量，缩短软件设计时间，应该将存在共性的部分编入主程序，将其他诸如循环程序、码表程序等编入子程序。在这种情况下，由于在主程序中加入了相应的扫描程序，可以有效提高系统对于子程序的读取速度，使得风机的加减速度变化可以跟上实际数据变化，达到实时控制的效果。另外，对于各种控制信号，如报警信号、故障信号等，应该进行分类管理，采取不同的处理措施，并通过PLC的内部切换，实现手动运行和自动运行的切换，为系统故障的解决提供良好的途径，对设备和管网进行保护。

3.3 系统的可靠性设计

我发电厂所用工控设备变频器及PLC虽具有一定的抗干扰能力且可靠性良好，但当其作为完整系统在风力发电中应用时，还需进一步加强抗干扰能力，从而为系统的稳定运行提供有力保障。首先应将变频器及PLC至于专门控制柜内，且应保证通风机散热环境良好，控制柜及风机现场之间的距离不可过远，特别是信号传输线应尽量短，设备的信号线、动力线及控制信号线应分开敷设，且应做好屏蔽干扰处理。其次变频器及PLC应可靠接地，选用具有可靠性能的机电系及接触器，从而保证系统运行的可靠性。最后，软硬件结合调试属于系统调试中最后的工作，也就是投入装备之前展开安全型测试机功能测试，其主要内容包括系统启动及停止的调试、系统自动及手动转换的调试、PLC控制系统的现场调试、系统工作中调试、在线监控的调试、报警系统调试、系统安全性能调试等。

4 结语

总而言之，运用变频调速技术和PLC技术对风机控制系统进行节能改造后，系统的功能得到了完善，而且在节能方面取得了显著的提高，应该得到相关技术人员的重视和推广。

参考文献

[1]朱秀斌.基于变频调速和PLC的风机控制系统研究[J].制造业自动化，2011，33（12）.

[2]李剑.基于PLC与变频器的风机节能控制系统应用探讨[J].制造业自动化，2011，33（12）.

作者单位

南方海上风电联合开发有限公司 广东省珠海市 519000