基于PLC、變頻器的風機控制系統改造

廣州白云工商高級技工學校 郭燕華

1.改造原因

該公司所用的磨革除塵機分為磨革機和除塵機。磨革機的作用是把皮革正面磨平到要求的厚度。除塵機的作用是把磨革之后的皮革上面的粉塵吸收干凈，其上方有負壓吸風機風口，下方有羅茨風機鼓風口。

羅茨風機作為除塵機的附屬設備，其工作原理空壓機相近，但是不同之處是它在產生帶壓力的壓縮空氣的同時，還可以把空氣的溫度升高。在除塵機中它的作用是從皮的底部向皮吹風，把粉末從皮上面吹離，然后被抽風機抽掉。

改造前每臺除塵機都獨立配有一臺羅茨風機提供一定壓力的熱氣。羅茨風機的電機15KW，利用星三角啟動的，一旦啟動，電機就幾乎在額定功率運轉，產生約0.58MPa的熱空氣給除塵機。但是除塵機只需要0.3正負0.05MPa的空氣，而改造之前的辦法是通過調節羅茨風機風管上的泄壓閥卸壓來實現壓力的下降，經測量這卸掉的壓力相當于電機產生總風量的38%，也就是說這部分的氣是時時刻刻在浪費掉。這對公司造成極大的經濟損失，因此改造迫在眉睫。

2.改造方案提出

2.1 改造需要解決的問題

如果羅茨風機提供的熱空氣壓力偏小，除塵不干凈；如果壓力過大，會造成皮革表面出現微小折皺，影響皮革的品質以及。所以羅茨風機必須恒定在提供需要的0.3MPa正負0.05MPa壓力的范圍。

2.2 改造思路確定

如果一臺羅茨風機分別配套一臺變頻器，也可以實現恒壓供氣和變頻與工頻變換的要求，但是變頻器價格昂貴，三菱15KW的價格接近7500元/臺，單次投入金額過大，公司承受能力受限制。而且保養和維護成本也會增加。所有我們不采用這個方案。

據公司的統計，一臺羅茨風機除了向一臺除塵機供氣之后，還有百分之三十八的余量。而且該公司三車間的1#～5#磨革除塵機緊靠排列在一起，靠車間的北邊，而6#～9#又在車間的另外的方向。所以我們設想用四臺羅茨風機集中向一個大儲氣罐供氣，然后再由儲氣罐分別向1#～5#除塵機供氣。機器組合圖如圖1所示：

圖1 機器組合圖

2.3 系統工作原理

采用4臺羅茨風機并聯向一個儲氣罐供氣，然后再由儲氣罐分別向各臺除塵機供氣，在儲氣罐上安裝一個壓力傳感器，將儲氣罐上的壓力變化轉換成4～20mA的電流變化，輸入PLC的A/D轉換模塊FXON-3A上的電流輸入端，PLC根據給定的壓力設定值與實際檢測值進行PID運算，輸出控制信號經D/A轉換模塊后輸出0～5V電壓至變頻器端子2和5，自動調節羅茨風機電機的供電電壓和頻率。

啟動時觸摸屏給定運行信號和設定壓力，首先PLC控制一臺羅茨風機在變頻器的控制下變頻啟動，當第一臺羅茨風機頻率達到48HZ運行而且持續的時間超過30秒鐘后，PLC自動將原工作在變頻狀態下的第一臺羅茨風機投入到工頻運行，同時開始延時5秒鐘，當時間到，PLC控制第二臺備用羅茨風機用變頻器起動后投入運行，繼續加大供氣量以至壓力達到設定值；若2臺羅茨風機運轉仍不能滿足壓力的要求，則第三臺備用羅茨風機投入變頻運行。以此類推，直至全部羅茨風機啟動以滿足要求。

當用氣量減少時，首先表現為變頻器已工作在下限頻率5HZ以下，而且持續的時間超過30秒，則PLC首先停下一臺運行的羅茨風機，以減少供氣量。當上述2個信號仍存在時，則PLC再停下一臺運行的羅茨風機，以此類推直至最后一臺羅茨風機用變頻器恒壓供氣。所有羅茨風機從停止到啟動及從啟動到停止都由PLC、變頻器來控制，實現帶載軟啟動，避免了啟動大電流給羅茨風機帶來沖擊，相對延長了風機的使用壽命。

圖2 PLC和變頻器實現羅茨風機恒壓供氣原理圖框

同時，系統采用不同天數不同的羅茨風機先啟動的辦法，以第一天1#羅茨風機先啟動，第二天第二臺先啟動....第四天第四臺先啟動這樣循環，當第五天的時候又返回從1#開始先啟動；工作羅茨風機與備用羅茨風機不固定，這樣，既保證供氣系統有備用羅茨風機，又保證系統各臺羅茨風機有相同的運行時間，有效地防止在出勤期間羅茨風機的因長時間工作而造成電機過熱，效率降低和皮帶軸承過渡損耗的問題等，可大大提高了設備的綜合利用率，降低了維護費用。本課題的原理框架圖如圖2所示。

3.軟件系統設計

為了方便調試和編程，系統控制器采用三部分組成：手動運行模塊，自動運行模塊和故障報警模塊。

3.1 手動運行

當系統處于手動運行時，各臺羅茨風機的變頻啟動和切換工頻是通過觸摸屏上“手動增加”和“手動減少”觸摸鍵完成來完成。PLC把啟動信號給變頻器和接收各電路保護信號和判斷各工作羅茨風機的運行狀態，在出現故障的情況下，輸出報警信號斷開控制回路。

3.2 自動運行

自動運行包括系統的初始化，開機命令檢測，數據采集，控制程序運算，電機的運行等。

3.3 故障診斷和報警輸出模塊

變頻器具有故障輸出保護功能，當變頻發生故障時，變頻器將停止輸出，同時輸出故障信號給PLC，并進入保護狀態。PLC輸出報警并停下系統。

4.結束語

變頻器是靠內部IGBT的開斷來調整輸出電源的電壓和頻率，根據實際需要來提供其所需要的電源電壓，進而達到節能、調速的目的；隨著工業自動化程度的不斷提高，變頻器也得到了非常廣泛的應用。在本系統的改造中解決了一直困擾該公司的羅茨風機卸壓浪費電力資源的難題；而且給管理帶來了方便，體現出了國家節能減排的方針，有效地節約了電力的消耗。

[1]鐘肇新,范建東,馮太合主編.可編程控制器原理及應用[M].華南理工大學出版社,2008,2(第4版).

[2]林敏,于忠得主編.自動化系統工程[M].電子工業出版社,2008.

[3]三菱自動化公司.FX1S FX1N FS2N、FX2NC編程手冊[S].編號JY992D62001.

[4]吳衛榮.傳感器與PLC技術[M].中國輕工業出版社,2010,2(第1版).