轴流式风机的风量自动控制系统分析_李敬兆

文章编号:1003-0794(2000)11-0044-03轴流式风机的风量自动控制系统分析

李敬兆1,王清灵2(11合肥工业大学,安徽合肥230009;21淮南工业学院,安徽淮南232001)

摘要:介绍了德国TLT公司生产的轴流式风机,重点对该风机的风叶角度闭环控制和风量闭环控制系统的原理进行了分析。关键词:风机;风量;风叶角度;自动控制中图号:TH43211文献标识码:A

1 前言近年,我国从德国引进了数套轴流式风机,该风机具有以下特点:(1)采用绕线式异步电动机拖动、转子串液体电阻起动的电力传动方案。由于液体电阻的切除平滑,因此风机起动时电动机转速上升平稳、无转矩冲击、起动电流小。风机起动后正常运行时,电动机的转子绕组被短接,电刷抬起。(2)风机起动后电动机转速恒定,风机可在运转中通过液压系统的电磁阀调节风叶角度,以达到自动调节风量的目的。(3)采用两级计算机控制,下位机为可编程控制器(PLC)A800),实现系统的自诊断和故障检测等功能;上位机为工业控制计算机(IPC),实现风机运行信息的监视、高压合闸、风量设定以及故障显示与打印等功能。(4)为了保证风机的可靠运行,风机电源为双回路供电系统,采用2台风机1台运行、1台备用。同时传动系统也为2套,并采用2台可编程控制器作下位机对风机进行冗余控制,正常工作时,2台可编程控制器均参与控制,即使有1台可编程控制器出现问题,只要另一台正常,风机仍能照常运行。在可编程控制器和工控机均参与控制时,2台风机还可实现自动切换。 风机传动系统的结构如图1所示。图中+BF1、+BF5分别为1#、2#6kV进线的馈电开关,+BF3为母联开关;+BF2、+BF4分别控制1#风机的电动机M1和2#风机的电动机M2定子电源的断路器,SBLD1、SBLD2为电刷抬起装置,LQS1、LQS2为三相液体电阻。图1 风机传动系统结构示意图Fig.1 Structurediagramoffan.sdrivingsystem淮南矿业集团引进了2套这种风机,发现该风机除具有以上特点外,其由可编程控制器实现的风量自动控制系统更具特色,下面对该风机的风量自动控制系统的原理进行分析。2 风叶角度及风量的设定风叶角度设定值(或期望值)H和风量设定值(或期望值)Q是由操作人员通过工控机来进行设定的。在电控系统的控制柜上,有个操作选择开关,由

Temperaturerisingauto_detectandalarmdeviceofthecoalmineelectromotorZHAOYong_hong1,TANGQing2,ZHENGXiao_qing1(11HuainanInstituteofTechnology,Huainan232001,China;21DesignInstituteofAnhuiCoalDepartment,Hefei230001,China)Abstract:Thispaperintroducesakindoftemperaturerisingauto_detectandalarmdeviceoftheelectromotorwhichwascontrolledby8098singlechip.Thedevicecanmeasuretheeverypart.stemperatureofthethree_phaseasynchronizationelectromotoraccuratelyandthenrealisethetestandalarmautomatically.Therearealsoaboutthesoftwareandhardwaredesign.Keywords:electromotor;temperaturerising;detect;alarm

#44# 煤 矿 机 械 2000年第11期 该开关可选择系统的工作方式,共有2档,分别为风量闭环控制方式和风叶角度闭环控制(即风量开环控制)方式。当操作选择开关打到风量闭环控制方式时,闭环调节系统的反馈量为实际风量Qc,所以由工控机设定的参数为风量的期望值Q;若将操作选择开关打到风叶角度闭环工作方式,这时闭环调节系统的反馈量为实际风叶角度Hc,因此,这时由工控机设定的参数为风叶角度的期望值H。当系统工作在风量闭环控制方式并且通过安装在风门外进风口处的气体含量传感器检测到甲烷(CH4)含量未超限或系统工作在风叶角度闭环方式时,可编程控制器的内部继电器M1为/10,M0为/00,上述由工控机所设定的风量设定值Q(在风量闭环控制方式)或风叶角度设定值H(在风叶角度闭环控制方式)将通过通讯线传送给可编程控制器并存储在PB单元,如图2所示。若系统工作在风量闭环控制方式并且气体含量传感器检测到甲烷超限时,可编程控制器的内部继电器M1为/00,M0为/10,这时风量的设定值将不采用操作人员通过工控机设定的参数,而是直接采用可编程控制器内部事先设定好的最大风量设定值Qmax,也将其存储在PB单元。3 风叶角度及风量的调整风机处于风叶角度闭环或风量闭环工作状态时的系统控制原理如图2所示。当操作选择开关打到风叶角度闭环工作方式,若需要增加风叶角度,这时通过可编程控制器的梯形图运算应使其内部继电器M6为/10、M7为/00,输出继电器K1得电,进而电磁阀Y1得电,通过液压系统使风叶角度增加;若需要减小风叶角度时,应使内部继电器M7为/10、M6为/00,输出继电器K2得电,使电磁阀Y2得电,通过液压系统使风叶角度减小。当M6和M7均为/00时,Y1、Y2均失电,风叶角度将保持原来的值不变。风量的大小与风叶角度的大小以及风机的运行工况点有关。当风叶角度增加时,风量增加,但由于风量对风叶角度的响应是一个大惯性,因此风量的变化将滞后于风叶角度的变化。当风叶角度不变时,风量将随巷道风阻的变化而变化,若风阻增加,风量将减小。4 风叶角度闭环(风量开环)控制原理当操作选择开关打到风叶角度闭环(风量开环)状态时,可编程控制器的内部继电器M8为/10,M9

为/00,这时送到可编程控制器存储单元PA的反馈

量为风叶角度的实际值Hc;同时M1=/10,存储在PB单元的给定值为风叶角度的期望值H。H与Hc之差为偏差$。

图2 风叶角度闭环和风量闭环控制原理图Fig.2 Theprinciplediagramofwindwheel.sangleandwindrateclosed_loopcontrol由偏差运算及逻辑判断电路构成风叶角度调节器。若H>Hc,偏差$的极性为/+0,内部继电器M2为/10,按理这时应通过电磁阀Y1来增加风叶角度;同理,若H器M3为/10,这时应通过电磁阀Y2来减小风叶角度。然而,如果仅按偏差$的极性来控制风叶角度,调节系统太灵敏,会引起系统振荡。解决这一问题的办法是不仅根据偏差的极性还需根据偏差的大小来控制风叶角度。在此采用判断偏差绝对值|$|的大小的办法,根据经验和实际调试,确定2个偏差绝对值范围,即较大的偏差|$m|和较小的偏差|$n|(见图3)。按照偏差绝对值|$|的大小产生控制量的依据是:当偏差过大,即|$|>|$m|时,开始对风叶角度进行调节;当偏差较大,即|$n|<|$|<|$m|时,继续调节,当偏差较小,即|$|<|$n|时,停止调节。

图3 风叶角度Hc闭环控制的调节过程Fig.3 Regulateprocessofwindwheel.sangleHcclosed_loopcontrol根据上述调节原则,可得到如图3所示的风叶角度闭环控制系统的调节过程。在t1~t2期间,|$|>|$m|,偏差过大,由于工作在风叶角度闭环

#45# 2000年第11期 煤 矿 机 械 (风量开环)状态,因此,内部继电器M4为/10,M5始终为/00;这时偏差$的极性为/+0,因此内部继电器M2为/10,M2、M4经过逻辑与运算使M6为/10,通过输出继电器K1使电磁阀Y1得电,风叶角度增加。在t2~t3期间,|$n|<|$|<|$m|,这时偏差仍较大,内部继电器M4仍为/10,这时偏差$的极性仍为/+0,M2仍为/10,因此M6也仍然为/10,通过输出继电器K1使电磁阀Y1继续得电,风叶角度继续增加。在t3~t4期间,|$|<|$n|,偏差较小,M4为/00,偏差$的极性为/+0,M2为/10,M3为/00,因此M6、M7均为/00,电磁阀Y1和Y2均不得电,停止调整风叶角度,然而,由于机械惯性,风叶角度可能会继续增加。在t4~t5期间,$的极性为/-0,M2为/00,M3为/10,但|$|<|$m|,M4为/00,因此M6、M7仍为/00,电磁阀Y1和Y2仍不得电,由于机械惯性,风叶角度可能会继续增加(若此时风叶角度不再增加,调节即告结束)。若风叶角度继续增加,在t5~t6期间,$的极性仍为/-0,M2为/00,M3为/10,但此时|$|>|$m|,M4为/10,因此M6为/00、M7为/10,电磁阀Y1失电,Y2得电,风叶角度在增加到一定值后开始减小。在t6~t7期间,|$n|<|$|<|$m|,Y2继续得电,风叶角度继续减小。t7之后|$|<|$n|,电磁阀Y1和Y2均失电,不再调节,由于惯性,风叶角度可能会继续减小,但此时惯性已较小,只要偏差|$|不超过|$m|,调节过程即结束;若惯性仍较大,致使|$|>|$m|,将重复上述调节过程,直至|$|<|$m|,调节过程才告结束。5 风量闭环控制原理当风机工作在风量闭环控制方式时,可编程控制器的内部继电器M8为/00,M9为/10,送到存储单元PA的反馈量将为实际风量Qc;同时,M1=/10(若甲烷超限,则M1=/00,M0=/10),存储在PB单元的给定值为风量的期望值Q(若甲烷超限,则存储在PB单元的为最大风量设定值Qmax)。Q与Qc之差为风量偏差$。由偏差运算及逻辑判断电路构成的风量调节器与上述风叶角度调节器工作原理基本相同,所不同的是在根据偏差|$|的大小进行调节时,风量调节器采用的控制量为系列脉冲,脉冲控制量的周期为20s;脉宽为015s(如图2所示)。采用系列脉冲控制量的目的是考虑风量对风叶角度的响应是一个大惯性环节,其遵循的是调一步风叶角度,等到风量响应稳定下来后,再根据Q与Qc的偏差,确定下一步是否需要继续调节,即/等等、看看、调调0的原则。这样将有利于减小风量的超调量,增加闭环调节系统的稳定性。该方案|$m|和|$n|的选取很重要。若|$m|和|$n|选的过大,系统容易稳定,但静差大;若|$m|和|$n|选的过小,则系统难以稳定,甚至会出现振荡。这2个参数可根据要求在调试中合理选择。

作者简介:李敬兆,1963年生,淮南工业学院电气工程系副主任、副教授、硕士生导师。1992年中国矿业大学硕士研究生毕业分配至淮南工业学院从事电力电子与电力传动专业的教学与科研工作,现在合肥工业大学攻读博士学位,已发表学术论文15篇。