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基于PLC实现变频器一拖二控制电机改造

2007/11/5 10:46:00

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  1. 关键词: PLC 变频器 一拖二控制|基于PLC实现变频器一拖二控制电机改造||徐兴|
  2. 摘要:本文针对我厂的机泵采用一备一主的运行方式,如果为了节能或进行自动控制在两台电机上都使用变频器必将造成设备闲置浪费的情况,基于上述综合考虑,本文提出了利用PLC搭建控制平台,实现一台变频器对互备的两台机泵进行拖动的目的。
一、引言
  风机、泵类等由电机拖动的设备,其耗电量占据了我厂总用电量的绝大多数,从目前我厂此类设备的运行情况来看,在节能方面有巨大的潜力可以挖掘。根据工艺流程特点和需要,我厂区各装置中泵类设计使用上,一般在同一工艺点中均采用两台同容量泵(一主泵、一备用泵)。为了节能和自控的目的,目前针对机泵一开一备的方式可以有两种解决方案:将主机加装变频器;或将主机和备机同时加装变频器。但是,上述两种方案都存在不同的弊端,前一种方案当备机运行时将不能实现节能和自控(备机运行时间基本等同与主机);后一种方案则造成设备的闲置浪费(两台变频器在同一时间内只有一台运行)。
二、解决方案
  我们假设一下,如果能够用一台变频器带动两台电动机运行,并用控制设备对其操作进行控制,这样一来,即可发挥变频器的优势,又可以节省资金的投入。变频器的技术已经比较成熟,基本型的变频器都有一拖二甚至更高的功能,但是使用常规电器搭建控制部分则非常困难,同时因大量使用继电器、时间继电器又将造成控制部分的可靠度降低和故障率的升高,因此很少有这样的设计方案。可编程控制器(PLC)是近年来发展极为迅速,应用面极广,它具有功能齐全、使用方便、维护容易、通用性强、可靠性高、性能价格比高等优点,已在工业控制的各个领域得到了极为广泛的应用,成为实现工业自动化的一种强有力工具。
本设计正是基于以上背景,在原有设备的基础上添加一台PLC,利用PLC控制,实现变频器一拖二控制电机改造,用一台变频器带动两台电机调节转速,实现一机多用,最大限度的提高设备利用率,挖掘增效潜力。既提高了自动化水平,又节约电能,一举两得。
本方案采用OMRON公司的CPM1A型PLC,输出形式继电器,并结合适当的外围设备搭建控制变频器的控制系统,具有使用可靠性高、响应速度快、动作准确、功能可扩展性强、外围设备少、成本低、抗干扰能力强等特点。所以本文考虑设备数量及应用场合,选择CPM1A。因为它具有可靠性高、体积小、扩展方便,使用灵活的特点。选其型号为CPM1A-30CDR-A。I/O点为30点;电源类型为AC型,范围100V~240V;输出方式为继电器输出型。性能如下:2048程序存储器;2048数据存储器;18点输入,12点输出;可扩展3个模块;对于大型控制工程,18点输入不能满足点数要求时,可以通过I/O扩展模块进行行输入点数的扩展。CPM1A最多可扩展到54个输入点。若要增加PLC电源的可靠性,我们可以选择CPM1A-30CDR-D型机,功能同上,但其电源为直流24V,由另购UPS供电。
三、工艺控制要求及功能
1, 正常的开停泵:系统处于自控状态时,正常情况下,电机均由变频器对其自身变频调速,由工艺提供4~20mA电流信号驱动变频器对电机调速(也可以由变频器设定)。当投入1#电机时,由一段电源供电;当投入2#电机时,由二段电源供电。
2, 正常的倒泵:如1#泵运行时需倒入2#泵:按动2#泵启动按钮,1#泵自动由变频运行转到1#泵旁路运行(若在倒泵时,1#泵已经旁路运行,则1#泵无切换线路动作),2#泵由变频器供电运行。
3, 故障情况下的控制:
1, 变频器故障:当电机正常而变频器故障时,可自动断开故障段,同时自动接通本台电机所在旁路,确保电机正常运行,以满足工艺生产要求。
2, PLC故障:将控制开关转至手动控制,此时现场电机控制不经过PLC,由常规电器控制。
3, 电机故障:无论系统处于自动控制还是手动控制,均可切断电机电源进行保护。
四、系统控制原理
由控制器运算并控制执行器件进行合分闸动作,且由电流继电器、VWF的辅助触点等器件反馈信号,控制器、执行器等共同构成控制回路。
原理图如下:





(原理图)
目前,就系统控制要求来讲。
ⅰ) 可以应用继电器控制来实现。其特点是价格便宜,电路简单,但是由于受外界环境的影响较严重,寿命短易误动作,且不易维护。以前工业中多采用此方案。
ⅱ) 一种是PLC来做控制器。PLC即可编程控制器(Programmable Controller 简称PLC或PC):它以微处理器为核心,有机地将微型机计算机技术、自动化技术及通信技术融为一体。
与以往继电器控制系统相比,由于PLC具有性能好、环境适应强,性能可靠。PLC高可靠性、能适应恶劣环境、运行时间长、速度极快,可直接应用于工业环境具有很强的的抗干扰能力广泛的适应能力和应用范围,这也是区别一般微机控制系统的一个重要特征。所以当今大多大数中型企业都是使用PLC。
五、系统设计
1、系统流程图


系统流程图说明
启动电机时,若预将启动电机M1,按SB1-1启动——KM1-1吸合——VWF启动。此时流程分两种路径:第一种,若PLC检测到VWF运行且无故障——KM1-2吸合——电机M1经过VWF所在的主回路完成启动;第二种,若PLC检测到VWF运行且有故障——KM1-1断开——KM1-3吸合——电机M1通过旁路启动。
若PLC接收到当电机M1启动过程中或正常运行后出现的故障,则PLC按顺序依次断开或停止电机M1运行回路的所有接触器及VWF。启动电机M2同理。
倒泵时,若欲将1#泵倒入2#泵(即停止M1,启动M2),此时流程分两种路径,若之前MI运行在主回路,则依次断开或停止KM1-2——VWF——KM1-1,之后再使KM1-3吸合,这时完成M1运行回路的自动切换使其旁路运行。在PLC给KM1-3发送接通指令的同时,延时0.2S启动电机M2,当M2正常运转后,按SB1-2停止M1,完成整个倒泵操作。由2#泵倒入1#泵同理。

2、主回路及控制回路接线图





六、PLC控制设计
本设计选用CPM1A-30EDR-A 型PLC,输出形式继电器形。



1、I/O点分配
输入点 作用 输出点 作用
00000 M1启动输入(KA1常开点) 01000 KM1-1
00001 M1停止输入(KA1常闭点) 01001 KM1-2
00002 M2启动输入(KA2常开点) 01002 KM1-3
00003 M2停止输入(KA2常闭点) 01003 KM2-1
00004 1QF空开常开点 01004 KM2-2
00005 2QF空开常开点 01005 KM2-3
00006 VWF状态点常开S3 01006 VWF启动S1
00007 VWF故障点常开S4 01007 VWF停止S2
00008 热元件1FA
00009 热元件2FA
00010 电流继电器KI1和KI2常开
00011 电流继电器KI3和KI4常开
注:电流继电器KI1和KI2接在电机M1出现电缆端,电流继电器KI3和KI4接在电机M2出现电缆端,作用检测电机是否过流,发信号。




2、PLC硬件接线图





3、应用程序
根据流程图设计的系统梯形图





七、变频器接线图













结论
本文针对我厂的机泵采用一备一主的运行方式,提出了利用PLC搭建控制平台,实现一台变频器对互备的两台机泵进行拖动的目的。用 PLC和变频器搭建的程控系统,不但实现了设备运行的自动化管理和监控,提高了系统的可靠性和安全性,而且提高了企业经济效益和工作效率。因此,该系统在石化行业具有一定的工程应用和推广价值。本设计只是对PLC与变频器搭建系统基本功能的初步探讨,在此设计的基础上,还可以增加其它自动的控制功能,如两段进线,其中一段低电压时,可实现相互备自投,此外还可以进行通讯等,这些功能在不额外的增加硬件设备就可以实现。

谢词
在设计和查找资料过程中,胡单明、宋建立、唐立敏主任,牟连辉书记给予了大力的技术支持和帮助,在此真诚感谢!

参考资料
方承远主编.工厂电气控制技术.北京:机械工业出版社,2000
宫淑贞等编 .可编程控制器原理及应用.北京:人民邮电出版社,2002
ATV71变频器使用说明书
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