變頻器與PLC結(jié)合在普通鍋爐風(fēng)機(jī)水泵控制上的應(yīng)用

河北冀衡（集團(tuán)）藥業(yè)有限公司 薛長坡

1.引言

工廠鍋爐的安全和供汽壓力的穩(wěn)定是工廠安全生產(chǎn)的重要組成部分。鍋爐供汽系統(tǒng)管道、閥門等的開、關(guān)來實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)區(qū)各車間的正常供汽從而安全生產(chǎn)的目的。

我國的電動(dòng)機(jī)用電量占全國用電量得60-70%，風(fēng)機(jī)、水泵設(shè)備年耗電量占全國電力消耗的1/3。造成這種狀況的主要原因是：風(fēng)機(jī)、水泵等設(shè)備傳統(tǒng)的調(diào)速方法是通過調(diào)節(jié)入口或出口的擋板、閥門開度來調(diào)節(jié)給風(fēng)量和給水量，其輸出功率大量的能源消耗在擋板、閥門的截流過程中。而鍋爐的主要耗電設(shè)備就是風(fēng)機(jī)、水泵。采用變頻器控制風(fēng)機(jī)水泵能極大地改善鍋爐風(fēng)壓水壓的穩(wěn)定性，可根據(jù)風(fēng)道、管道瞬間壓力變化，自動(dòng)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，使管網(wǎng)主干出口端保持在恒定的設(shè)定壓力值，整個(gè)鍋爐系統(tǒng)始終保持高效節(jié)能和運(yùn)行在最佳狀態(tài)。

2.風(fēng)機(jī)、水泵變頻調(diào)節(jié)原理

由于風(fēng)機(jī)、水泵類大多為平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載，軸功率與轉(zhuǎn)速成立方關(guān)系，所以當(dāng)風(fēng)機(jī)、水泵轉(zhuǎn)速下降時(shí)，消耗的功率也大大下降，因此節(jié)能潛力非常大，最有效的節(jié)能措施就是采用調(diào)速器來調(diào)節(jié)流量、風(fēng)量，應(yīng)用變頻器節(jié)電率為20%-50%。而且通常在設(shè)計(jì)中，用戶電機(jī)設(shè)計(jì)的容量比實(shí)際需要高出很多，存在“大馬拉小車”的現(xiàn)象，效率底下，造成電能的大浪費(fèi)。

根據(jù)流體力學(xué)知識(shí)和風(fēng)機(jī)水泵的相似定律，變速前后流量、揚(yáng)程、功率與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系為：

Q1/Q2=N1/N2 H1/H2=(N1/N2)2

P1/P2=(N1/N2)3

式中Q1、H1、P1為轉(zhuǎn)速N1的流量、揚(yáng)程、功率；Q2、H2、P2為轉(zhuǎn)速N2的流量、揚(yáng)程、功率。由此可見，當(dāng)風(fēng)機(jī)水泵在變負(fù)荷工作情況下，采用變頻器調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)，軸功率隨轉(zhuǎn)速比的三次方關(guān)系進(jìn)行變化，節(jié)電效果明顯。

3.PID調(diào)節(jié)的基本原理

在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。PID控制器問世至今已有近70年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論的其它技術(shù)難以采用，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時(shí)應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對象或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，最適合用PID控制技術(shù)。PID控制，實(shí)際中也有PI和PD控制。PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制的。

3.1 比例P控制

比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差。

3.2 積分I控制

在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關(guān)系。對一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差則這個(gè)控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差系統(tǒng)。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項(xiàng)”。積分項(xiàng)對誤差取決于時(shí)間的解放、積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。因此，比例+積分(PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。

3.3 微分D控制

在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。

自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會(huì)出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有后滯組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時(shí)，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說，在控制器中僅引入“比例”項(xiàng)往往是不夠的，比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項(xiàng)”，它能預(yù)測誤差變化的趨勢，這樣，具有比例+積分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。所以對有較大慣性或滯后的被控對象，比例+微分控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動(dòng)態(tài)特性。

圖1 控制系統(tǒng)框圖

4.控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

普通鍋爐的風(fēng)機(jī)水泵一般都采用星三角控制，爐膛負(fù)壓及汽包水位等都靠人工通過執(zhí)行器來調(diào)節(jié)風(fēng)門和閥門的開度來調(diào)節(jié)，爐膛負(fù)壓、汽包水位及給水壓力等都不太穩(wěn)定。而且，常規(guī)控制中，系統(tǒng)只是將各個(gè)回路作為單回路來控制，各個(gè)回路之間是相對獨(dú)立的，不能同時(shí)保證蒸汽壓力和蒸汽流量的穩(wěn)定，對車間正常生產(chǎn)也沒有很好的保證。采用PLC與變頻器結(jié)合的控制系統(tǒng)，效果則完全不一樣。在該控制系統(tǒng)中，采用模糊控制技術(shù)，將鍋爐系統(tǒng)的各個(gè)回路都聯(lián)系在一起，只要其中一個(gè)參數(shù)發(fā)生變化，其它的參數(shù)會(huì)提前作出相應(yīng)的變化。保證鍋爐的安全和穩(wěn)定。

控制系統(tǒng)主要由可編程控制器(PLC)、變頻器、檢測儀表、繼電器等組成。統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

系統(tǒng)中鍋爐狀況主要包括：汽包水位、蒸汽流量、蒸汽壓力、給水壓力、爐膛出口溫度、鼓風(fēng)風(fēng)壓、爐膛負(fù)壓、引風(fēng)負(fù)壓等；檢測儀表主要包括：與鍋爐狀況相對應(yīng)的傳感器、變送器、壓力表、熱電偶、熱電阻等檢測儀表；PLC主要包括：若干開關(guān)量輸入、輸出點(diǎn)和若干模擬量輸入、輸出點(diǎn)以及觸摸顯示屏等；變頻器包括鼓風(fēng)、引風(fēng)、爐排、給水等變頻器；風(fēng)機(jī)、水泵包括與相應(yīng)電機(jī)和風(fēng)機(jī)、水泵等。

5.工藝流程控制

在控制系統(tǒng)中，由于車間蒸汽的使用鍋爐的狀況會(huì)發(fā)生變化，檢測儀表自動(dòng)檢測各路流量、溫度、壓力等信號，輸入PLC經(jīng)過運(yùn)算、判斷、分析、處理后，發(fā)出各控制信號，控制鼓、引風(fēng)機(jī)和爐排、水泵轉(zhuǎn)速，改變鼓、引風(fēng)量，和給煤量，使?fàn)t膛負(fù)壓、汽包水位及蒸汽壓力控制在預(yù)定的范圍。這就是PID作用。

在系統(tǒng)中，首先發(fā)生變化的是蒸汽流量的變化，而蒸汽流量的變化會(huì)使蒸汽壓力發(fā)生變化，蒸汽壓力的變化同時(shí)會(huì)對汽包水位、爐膛負(fù)壓產(chǎn)生一定的影響。當(dāng)系統(tǒng)檢測到蒸汽流量發(fā)生變化時(shí)，會(huì)在第一時(shí)間內(nèi)作出一系列的參數(shù)的調(diào)整，以保證蒸汽流量變化后蒸汽壓力、爐膛負(fù)壓及其他參數(shù)的穩(wěn)定。在該控制系統(tǒng)中，對安全方面也作出了比較全面的技術(shù)處理，對非重要參數(shù)做聲光報(bào)警，而對一些重要參數(shù)，如蒸汽壓力的過高、汽包水位的過高、汽包水位的過低、爐膛負(fù)壓的過高等，系統(tǒng)會(huì)依據(jù)參數(shù)的類型，作出相應(yīng)的處理，當(dāng)涉及到安全方面，如蒸汽壓力過高、汽包水位過高、汽包水位過低，系統(tǒng)會(huì)停爐并伴有聲光報(bào)警，當(dāng)系統(tǒng)的安全參數(shù)解除時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)的切除停爐設(shè)定，恢復(fù)正常控制。

6.PLC結(jié)合變頻器控制的優(yōu)點(diǎn)

該控制系統(tǒng)能自動(dòng)地完成對給水、給煤、送風(fēng)、引風(fēng)等進(jìn)出鍋爐的物料量的自動(dòng)控制，使鍋爐的汽包水位、蒸汽壓力、蒸汽溫度、風(fēng)煤配比系數(shù)、氣含量、爐膛負(fù)壓等維持在規(guī)定的最佳數(shù)值附近，以保證鍋爐的安全運(yùn)行、平穩(wěn)操作達(dá)到節(jié)約電能提高供汽質(zhì)量的目的。

1)鼓風(fēng)、引風(fēng)、爐排及給水均實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)。

2)變頻調(diào)速系統(tǒng)能夠自動(dòng)控制鍋爐的燃燒工況，在負(fù)載變化時(shí)結(jié)合PLC的控制保證鍋爐的最佳運(yùn)行工況。

3)變頻調(diào)速系統(tǒng)保證在負(fù)載調(diào)節(jié)過程中，爐膛負(fù)壓恒定不變，而給煤量與供氧量隨負(fù)荷的變化自動(dòng)控制在最佳值。

4)能夠自動(dòng)根據(jù)車間熱量需求的變化，調(diào)節(jié)供熱量，實(shí)現(xiàn)精確供熱節(jié)能。

7.結(jié)束語

該控制在安全性要求極高的鍋爐系統(tǒng)中能夠穩(wěn)定的運(yùn)行，且故障率極低，極大的提高了系統(tǒng)的可靠性以及運(yùn)行的穩(wěn)定性。并且提高了用戶對鍋爐設(shè)備的管理水平，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

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