PLC结合变频器在风机节能上的应用

赵志权

【摘要】水泥立窑使用罗茨鼓风机在水泥行业中耗电量很大，居立窑水泥生产用电设备首位，我国水泥立窑每吨熟料耗能折标煤比国际先进水平高出了34%以上。本文主要探讨PLC控制结合变频调速系统设计在水泥厂风机节能上的应用。

【关键词】PLC 变频调速 水泥厂 风机

【中途分类号】TM571.61；TM921.51 【文献标识码】A 【文章编号】1672-5158（2013）04-01-01

水泥厂罗茨风机为容积式风机，罗茨风机是通过两个紧靠的叶轮的旋转完成吸风和送风过程的。当电机通过联轴器或带轮带动主动轴转动时，安装在主动轮上的齿轮带动从动轮上的齿轮。按相反方向同步旋转，使啮合的转子相随转动，从而使机壳与转子形成一个空间，气体从进气口进入空间。此时，气体会受到压缩并被转子挤出出气口，而另一个转子则转到与第一个转子在压缩开始的相对位置，与机壳的另一边形成一个新空间，新的气体又进入这一空间，被挤压出，这样连续的运动。从而达到鼓风的目的。PLC作为传统继电器的替代产品，广泛应用于工业控制的各个领域。

1、传统水泥厂罗茨风机的特性

通常，离心风机属于平方转矩特性，而罗茨风机则介于平方转矩和恒转矩特性之间，因此在选用变频器时需要特别注意。离心风机可以用风机水泵型的变频器，而罗茨风机则应根据其转矩特性来选用变频器。根据已往做过的一些罗茨风机变频改造项目来看，风机水泵型的变频器及通用型变频器均有在罗茨风机使用成功的工程案例，只是通用型变频器在成本上可能要比风机水泵型的高一些，离心式风机的风压力不大，而罗茨风机是一种高压的容积式风机，输送的风量与转数成比例，把气体由吸入的一侧输送到排出的一侧。在水泥立窑工艺流程过程中，风机必须满足立窑在各种工况下的送风强度要求。罗茨鼓风机为定容式风机，风量变化小，而压力高，在一定转速下，压力随阻力的变化而变化。罗茨鼓风机的优点是：当窑内燃烧不正常，阻力大时，因风量变化小而容易满足立窑对送风强度要求的特点。

2、PLC控制与变频器的连接

2.1 开关指令信号的输入

变频器的输入信号中包括对运行/停止、正转/反转、微动等运行状态进行操作的开关型指令信号。在使用继电器接点时，常常因为接触不良而带来误动作；使用晶体管进行连接时，则需考虑晶体管本身的电压、电流容量等因素，保证系统的可靠性。在设计变频器的输人信号电路时还应该注意，当输入信号电路连接不当时，有时也会造成变频器的误动作。例如，当输入信号电路采用继电器等感性负载时，继电器开闭产生的浪涌电流带来的噪声有可能引起变频器的误动作，应尽量避免。当输入开关信号进入变频器时，有时会发生外部电源和变频器控制电源（24VDC）之间的串扰。正确的连接是利用PLC电源，将外部晶体管的集电极经过二极管接到PLC。

2.2 数值信号的输入

当变频器和PLC的电压信号范围不同时，如变频器的输入信号为0～10V，而PLC的输出电压信号范围为O～5V时；或PLC的一侧的输出信号电压范围为0～10V，而变频器的输入电压信号范围为0～5V时，由于变频器和晶体管的允许电压、电流等因素的限制，需用串联的方式接入限流电阻及分压方式，以保证进行开闭时不超过PLC和变频器相应的容量。此外，在连线时还应注意将布线分开，保证主电路一侧的噪声不传到控制电路。通常变频器也通过接线端子向外部输出相应的监测模拟信号，电信号的范围通常为O～10V/5V及0/4～20mA电流信号。无论哪种情况，都应注意：PLC一侧的输入阻抗的大小要保证电路中电压和电流不超过电路的允许值，以保证系统的可靠性和减少误差。另外，由于这些监测系统的组成互不相同，有不清楚的地方应向厂家咨询。另外，在使用PLC进行顺序控制时，由于CPU进行数据处理需要时间，存在一定的时间延迟，故在较精确的控制时应予以考虑。

3、PLC控制结合变频调速在风机节能上的应用

3.1 变频器选择

变频器连续调速功能是使用变频器的追踪速度模拟给定信号来改变输出频率功能。在此选择的变频器主要从其所驱动的负载特性.稳定性.品牌.价格及用户的要求几个方面来考虑。根据以前的实际经验。本案例选用SIEMENSMM430系列变频器。如果罗茨风机的启动转矩大可考虑使用MM440系列变频器。MM430变频器由微处理器控制，并采用具有现代先进技术水平的绝缘栅双极型晶体管（IGBT）作为功率输出器件，具有很高的运行可靠性和功能的多样性。MM430变频器的脉冲宽度调制的开关频率是可选的，通过调整变频器的脉冲宽度调制的开关频率，可以降低电动机运行的噪声，MM430变频器具有全面而完善的保护功能。可为变频器本身和电动机提供良好的保护。

3.2 自动化控制方案

通常，水泥厂所使用的罗茨风机的功率都较大，工频一般采用自耦降压启动。根据罗茨风机的这一特点及其控制要求，如是改造项目应保留原工频系统作为备用，则新建项目最好做成工频.变频双主回路系统互为备用。多数罗茨风机的变频节能改造都是人工开环调速的，但对于已有DCS等一些大型集散控制系统则可将变频器的调节系统接入其中，实现自动闭环调节控制，并完善整个水泥厂的自动化系统。调试变频负载运转：按下BT2按钮注意观察，变频器启动，罗茨风机及变频器逐步加速到上限频率15Hz；并用钳形电流表测量变频器输入端的三相电流是否在正常的范围内逐步增加并随频率的稳定而稳定；按下BTI按钮看变频器及检布机是否逐步减速到OHz（O转速）并停止。

3.3 实施效果

风机控制系统在低负荷工况调节下其节能潜力非常巨大，如从100%额定转速降低到70%额定转速时，由下表可知其节能率可以从O%升高到65.8%。对于150kw的风机而言，采用变频调速装置进行技术改造后，大致可以在1.5年就能收回成本，因此是提高其内部系统综合运行技能水平的重要技术措施。

结论

本次介绍的利用PLC控制交流变频调速系统设计具有可靠性高、编程直观、接线简单、扩展容易等特点，且舒适感好。PLC结合变频器调速系统在水泥厂风机节能上的应用是比较好的一种实现方式，其运行效果是很不错的。