木工除尘风机系统的变频调速和PLC控制*

杜习波， 朱 华， 朱丰沛

(1. 中国矿业大学 机电工程学院，江苏 徐州 221116； 2. 河南理工大学 机械与动力工程学院，河南 焦作 454000; 3. 无锡宝神矿用设备科技有限公司，江苏 无锡 214181)

0 引 言

越来越多高精度、自动化、高效的木工机械设备被广泛应用在家具生产中，提高了家具企业的生产效率，但是在工作时也产生了大量的粉尘[1]，需要用风机除尘设备来回收处理粉尘，保护工人的健康和企业周边的环境。

在生产过程中，所有木工设备并不都是一直处于满负荷运转中，高耗能的离心式风机除尘设备如果一直处于高速运行，则必然存在动力浪费，给企业带来不必要的损失。具有二次方转矩特性的离心式或轴流式通风机、鼓风机和压缩机，在低速运行时气体流速低，负载转矩很小，其负载消耗的能量正比于转速的三次方[2]，可通过变频器控制转速实现节能的目的。采用变频器技术可以实现对风机电动机的高效连续调速控制[2-5]，实现转速随负载的跟踪变化[6-8]，从而达到节能增效的目的；以PLC为核心的控制系统通过通讯协议，可以实现对变频器运行中的有效控制[9-11]。

1 风机变频调速技术和节能原理

风机除尘设备一般采用异步电动机驱动。异步电动机轴转速为

(1)

式中：n1——旋转磁场转速；

f1——供电电源频率；

p——电机极对数；

s——异步电动机的转差率。

由式(1)可知，改变电动机的供电电源频率可以改变其转速，从而实现调速运行。变频器可以实现异步电动机的变频调速。

改变风机的风量的方法有节流调节和转速调节两种。节流调节通过控制风门的开度来实现风量的改变；而调节转速来控制风量的方法有着明显的节能效果[12-13]，其原理如图1所示。

图1 风机特性曲线

曲线1、5分别为风机在恒速n1、n2下的风压-风量(H-Q)特性曲线，曲线2为恒速n2下的功率-风量(Ps-Q)特性曲线，曲线3为风门全开时管网的风阻特性，曲线4为风门开度减小时管网的风阻特性。假设风机在设计时工作在A点，效率最高，此时输出风量Q为100%，轴功率Ps1与Q1和H1的乘积成正比，即Ps1与A-H1-O-Q1-A所包围的面积成正比。

当需要调节风量时，例如从Q1减少到Q2时，若采用调节风门的方法来调节风量，使管网的风阻曲线由曲线3变为曲线4，即减少风门开度增加了管网阻力。此时系统的工作点由A点移至B点。由此可知，风量虽然降低了，但风压增加了，轴功率Ps2与B-H2-O-Q2-B成正比，与Ps1相比，减少较小。

如果采用调节转速来调节风量的方法，风机转速由n1降到n2，根据风机参数的比例定律，可以画出在恒速n2下的风压-风量(H-Q)特性曲线5，风机工作在C点。由图1可知，在满足同样风量Q2的情况下，风压将大幅度降低到H3，轴功率Ps2也明显降低，所节约的功率与面积A-H1-O-Q1-A和C-H3-O-Q2-C之差成正比。由此可见，用调速的方法来减少风量的节能效果是十分显著的。

2 变频风机除尘系统

变频风机除尘系统由变频控制柜、除尘风机、差压传感器、除尘管道和脉冲喷吹系统等几部分组成，如图2所示。除尘管道连接到厂房中每一台木工设备，当部分设备关机时，对应的手动插阀或自动插阀关闭，在风机转速不变的情况下，总管道中的风量不变。每个通气的分管道风量增加，传感器所在的分管道风量也增加，风压(负压)绝对值增大[14]。差压传感器将检测到的压力变化信号传递给变频控制柜，变频器则实现降频运行，控制除尘风机的电机实现降速运行。反之，当设备重新打开时，变频器升频运行，风机电机增速。实现了风机除尘设备的变频节能控制。脉冲喷吹系统对滤袋进行周期地清灰作业，使净化气体正常通过，保证除尘系统正常运行。

图2 变频风机除尘系统

3 电气控制系统设计

依据除尘风机的操作要求，设计的电气控制系统如图3所示。M1为卸料电机，M2为螺旋电机，M3为变频电机；SB1、SB3、SB5为常闭按钮，SB2、SB4、SB6为常开按钮，KA1、KA2、KA3为交流继电器，KM1、KM2、KM3为接触器，SB0作为系统的紧急停机按钮，实现系统的故障保护。电气控制的过程如下： 虚线0 V接入电路，开机时，依次按下SB2、SB4、SB6按钮开关，则按顺序起动M1、M2和M3，按下SB7则打开除尘袋的脉冲喷吹系统DMK；关机时，关闭风机电机M3后，需要按照SB5、SB3、SB1的顺序分别关闭变频器、M2和M1。如果撤掉虚线0 V线，接入实线0 V线，PLC的触点代替相应的按钮，可以实现程序的控制。

图3 风机电气控制图

图4 PLC与变频器的连接

除尘风机的变频运行由PLC来实现控制，PLC与变频器的连接如图4所示，Smart 700 IE触摸屏与变频器MM430分别连接到PLC的串口2和串口1，差压传感器接变频器的模拟量2输入端。触摸屏控制PLC的Q1.0，启动变频器运行，带动风机系统运转，差压传感器与变频器实现系统的PID闭环变频控制，而风机电机运行中的状态信息则通过PLC传输到触摸屏上实时显示。

4 变频调速与控制试验

4.1 变频器调试

如表1所示，进行变频器的快速调试，确认系统能否正常工作。然后进行变频器的PID调试，其中PID-MOP设定值P2240确定方法为： 打开全部进风口，在P2200=0、P2231=1时，通过BOP-2面板启动变频器，给定至最大频率值50Hz，查看r2266的值，变频器断电再上电，查看P2240的值，该值应略小于r2266的值。由于该系统中，考虑了后续的清理沉积而选择的75kW交流异步电机具有一定的余量，实际运行中选择的变频基准频率为44Hz，最终确定了P2240=55.60。最后设定USS通信模式下的变频器参数。

4.2 PLC程序控制

依据上述控制步骤和过程，绘制如图5所示的PLC程序流程图。用STEP7_MicroWIN软件绘制PLC的程序，并进行仿真运行。

表1 变频器调试相关参数表

图5 PLC程序流程图

4.3 触摸屏的组态

使用WinCC Flexible 2008组态软件实现屏幕的组态。根据PLC程序中的触点、变量在WinCC软件中创建相应的变量表，建立控制画面、风机动画画面、报警画面等；在每个画面中组态需要的文本域、图形、按钮、开关、趋势视图和报警视图等；最后使用软件自带的仿真器模拟运行系统，检查组态结果的效果。组态的自动画面和手动画面控制画面如图6所示。

图6 组态的自动画面和手动画面

4.4 应用试验

将PLC程序和WinCC Flexible组态的程序通过USB-PPI通信线缆分别下载到S7-200、Smart 700 IE中，用Profibus连接线连接相应的接口。上电开机，起动变频运行，可看到系统正常运行；当关闭部分木工设备后，变频器运行频率下降到38.6Hz电流表显示电机运行电流为约95A。当设备全部打开后，变频器运行频率上升到43.4Hz， 电流表显示电机运行电流为约115A。变频运行稳定可靠。上电开机，起动工频运行，变频器运行在50Hz，电流表显示电机运行电流约为130A ，系统运行稳定，管道中风力强劲，可起到清除管道沉积的目的。

在企业试运行时，风机系统每天运行8h，每月开机25天，经实际运行监测，除尘效果良好，月耗电量为11500kW·h；若采用定频的风机除尘系统，每月将耗电15000kW·h，节能效果明显。

5 结 语

本文结合家具厂木工除尘系统设计了PLC控制的除尘风机变频调速系统，介绍了变频调速技术、风机节能原理和变频风机除尘系统组成，着重设计了电气控制系统和PLC控制程序，并实现了组态控制，汇总了变频器调试中需要的相关参数。将该系统应用于某家具厂的除尘系统，取得了显著的节能效果。本文也为相关产品的设计和变频器的调试控制提供了一定的借鉴。

【参 考 文 献】

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