變頻器與PLC在工業(yè)鍋爐給水系統(tǒng)上的應(yīng)用

李達(dá)

摘 要：工業(yè)蒸汽鍋爐的過程控制系統(tǒng)包括汽包水位控制系統(tǒng)和燃燒過程控制系統(tǒng)，兩系統(tǒng)在鍋爐運行過程中互相耦合，所以控制起來非常困難。在此，我們暫不考慮系統(tǒng)間的耦合，只是對蒸汽鍋爐的給水系統(tǒng)進(jìn)行變頻改造。

關(guān)鍵詞：變頻器；PLC；工業(yè)鍋爐；耦合；變頻改造

某企業(yè)業(yè)有2臺20T燃煤蒸汽鍋爐，如圖1所示。這2臺鍋爐通過1個給水母管分別給各自汽包供水，用汽量小的季節(jié)，2臺鍋爐只運行1臺，當(dāng)用汽量較大時，則必須2臺鍋爐同時運行。由于給水泵額定功率為37kw，一般情況下，1臺鍋爐運行時，只開1臺給水泵裕量仍較大，而2臺鍋爐同時運行且用汽量較大時，只開1臺給水泵無法滿足需要，而開2臺給水泵后，相對單臺鍋爐運行時，裕量更大。由于2臺鍋爐分別由2套DCS系統(tǒng)控制各自的電動閥門調(diào)節(jié)各自汽包的給水量，運行中，閥門開度較小造成給水母管壓力較大，不僅浪費了大量的電能，較高的水壓還對管道、水泵葉輪和閥門造成損害。

1 變頻改造方案

基于系統(tǒng)運行現(xiàn)狀，本著既能節(jié)能降耗，又能控制簡便、安全且投資較少的原則，我們設(shè)計了1套1臺變頻器拖動3臺電機的方案。具體如圖2所示。

在本方案中，充分利用了鍋爐層有的DCS控制系統(tǒng)，同時增加了變頻器、可編程序控制器（PLC）和控制信號轉(zhuǎn)換裝置。

（1）硬件控制系統(tǒng)

a） 西門子MM430變頻器

MM430變頻器是西門子公司最新研制生產(chǎn)的一種適用于各種變速驅(qū)動應(yīng)用場合的高性能變頻器（調(diào)試簡單、配置靈活），它具有最新的IGBT技術(shù)和高質(zhì)量控制系統(tǒng)，完善的保護功能和較強的過載能力以及較寬的工作環(huán)境溫度，安裝接線方便，兩路可編程的隔離數(shù)字輸入、輸出接口以及模擬輸入、輸出接口等優(yōu)點，使其配置靈活多樣，控制簡單方便，易于操作維護。

b） 西門子S7-200型PLC

西門子S7-200型PLC的優(yōu)點是：可靠性高、抗干擾能力強，可直接安裝于工業(yè)現(xiàn)場而穩(wěn)定可靠的工作。適應(yīng)性強，應(yīng)用靈活。

（2）當(dāng)1臺鍋爐運行時

由于只開1臺給水泵，就足夠鍋爐汽包所需用水量，故此時，系統(tǒng)只對運行鍋爐的汽包水位進(jìn)行恒液位控制即可。

將切換開關(guān)置于相應(yīng)位置，通過鍋爐原有DCS控制系統(tǒng)中的手動操作器將控制該鍋爐汽包進(jìn)水量的電動閥完全打開后，再通過控制信號轉(zhuǎn)換裝置切斷該控制信號，使原有控制回路斷開，電動閥保持全開狀態(tài)，同時，將該鍋爐汽包液位信號切入PLC，讓PLC將該鍋爐汽包液位信號進(jìn)行PID運算處理后，再由控制信號轉(zhuǎn)換裝置，將PLC輸出的4～20mA模擬信號傳遞給變頻器，從而控制變頻器的輸出轉(zhuǎn)速。

在本控制過程中，關(guān)鍵的問題是過程參數(shù)PID （P：比例系數(shù)I：積分系數(shù)、D：微分系數(shù)）的整定。PID就是比例微積分控制，變頻器的PID控制方式有兩種情況：一種是變頻器內(nèi)置的PID控制功能，給定信號通過變頻器的端子輸入，反饋信號也反饋給變頻器的控制端，在變頻器內(nèi)部進(jìn)行PID調(diào)節(jié)以改變輸出頻率；令一種外部的PID調(diào)節(jié)器將給定量與反饋量比較后輸出給變頻器，加到控制端子作為控制信號。

當(dāng)兩臺鍋爐同進(jìn)運行時，由于2臺鍋爐分別由兩套DCS系統(tǒng)控制，在運行過程，雖然蒸汽并網(wǎng)后壓力相同，但由于燃燒過程中存在不確定性，兩臺鍋爐汽包各自的液位就必然存在差異。因此，單臺鍋爐運行中所用的恒液位控制方案在此就不再適合。

當(dāng)2臺鍋爐同時運行時，由于外供蒸汽并管，故蒸汽壓力相同，又由于2鍋爐由同一母管給水，故給水壓力也相同。但由于蒸汽用量的變化不定和鍋爐燃燒情況的不同，蒸汽壓力是時刻變化的。這樣，為了能保證給鍋爐汽包供上水，就必須要求給水的壓力始終高于蒸汽壓力，由圖2我們看到，由PLC采集蒸汽壓力和母管給水壓力，通過處理、比較后，得到二者的差值，再將此差值通過PID運算處理，輸出4～20mA的模擬信號給控制信號轉(zhuǎn)換裝置。

此方案由于存在閥門的調(diào)節(jié)，所以理論上不能最大限度的節(jié)能降耗，但實際應(yīng)用中，由于減小了給水母管與蒸汽壓力之間的壓力差，使電動閥門的開度由原來的平均10%左右開大到75%左右，系統(tǒng)回水閥門關(guān)閉，仍大大節(jié)約了能源。

2 PLC

PLC是本系統(tǒng)的核心控制器件，它不僅辨識、處理各種運行狀態(tài)，進(jìn)行系統(tǒng)間的邏輯運算和聯(lián)鎖保護，還對輸入的多個模擬信號進(jìn)行處理、運算后，輸出標(biāo)準(zhǔn)的模擬信號控制變頻器的運行速度。

3 PLC與變頻器的連接方法

通常PLC可以通過以下三種途徑來控制變頻器

（1）利用PLC的模擬量輸出模塊控制變頻器。

（2）PLC通過通信接口控制變頻器。

（3）利用PLC的開關(guān)量輸入/輸出模塊變頻器。

4 注意事項

（1） 由于變頻器產(chǎn)生高次諧波，會對通訊產(chǎn)生干擾，同時由于PLC采集模擬信號，要進(jìn)行A/D和D/A轉(zhuǎn)換處理，在此過程中，容易受到變頻器高次諧波的影響而失真。

（2） 本系統(tǒng)所需液位、壓力等模擬信號均采至鍋爐原有控制系統(tǒng)，為了不影響原控制系統(tǒng)的安全性與完整性，應(yīng)將原有模擬信號通過隔離分路端子分路后采用。

（3） 鍋爐給水是鍋爐運行過程中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)之一，其運行的穩(wěn)定性與可靠性直接關(guān)系到整個鍋爐系統(tǒng)乃至整個企業(yè)生產(chǎn)運行的穩(wěn)定與安全。

5 結(jié)束語

（1） 變頻調(diào)速是電氣傳動系統(tǒng)工程，而變頻器只是其中的一部分，變頻器容量、類型的選擇，電氣保護回路和控制回路的設(shè)計關(guān)系到變頻調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用的可靠性、安全性和經(jīng)濟性。

（2） 變頻調(diào)速系統(tǒng)是基于微電子、電力電子、計算機、自動控制和電機等技術(shù)上發(fā)展而來的，有其先進(jìn)性，但也有其不足和缺點，如電磁干擾，高次諧波的寄生電容，以及低速運行時的電機溫升等。

（3） 變頻調(diào)速技術(shù)以其節(jié)能、環(huán)保、方便、工作效率高等優(yōu)點，在現(xiàn)代企業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。若將其再與計算機技術(shù)有機的結(jié)合起來，實現(xiàn)資源共享，統(tǒng)一管理，則會進(jìn)一步節(jié)能降耗，提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)穩(wěn)定性。

參考文獻(xiàn)

[1]張萬忠 孫晉。可編程控制器入門與應(yīng)用實例[M]。中國電力出版社

[2]孫振強。可編程控制器原理及應(yīng)用教程。北京：清華大學(xué)出版社