DCS系統(tǒng)結(jié)合變頻調(diào)速應(yīng)用實(shí)例

郭凱健

摘 要：DCS系統(tǒng)（DIstributed Control System）是一個(gè)融計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫(kù)、信息技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)為一體的工業(yè)控制系統(tǒng)。變頻器是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用把電壓、頻率固定不變的交流電變成電壓、頻率都可調(diào)的交流電源，現(xiàn)在使用的變頻器主要采用交—直—交方式（VVVF變頻或矢量控制變頻），實(shí)現(xiàn)對(duì)交流電機(jī)的平滑調(diào)速。DCS系統(tǒng)與變頻器結(jié)合能構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)定性高、跟蹤準(zhǔn)確、系統(tǒng)響應(yīng)快速、性能優(yōu)異的自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)。文章介紹我們運(yùn)用此項(xiàng)技術(shù)對(duì)負(fù)壓風(fēng)機(jī)進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)的過程。

關(guān)鍵詞：DCS；PID組態(tài)；變頻調(diào)速；自動(dòng)控制

中圖分類號(hào)：TH445 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2016）05-0036-02

1 DCS系統(tǒng)結(jié)合變頻調(diào)速運(yùn)行的原理

目前大型工業(yè)鍋爐自動(dòng)控制使用的DCS系統(tǒng)能夠在線實(shí)時(shí)采集過程參數(shù)，實(shí)時(shí)對(duì)系統(tǒng)信息進(jìn)行加工處理，結(jié)果能迅速反饋給系統(tǒng)，完成自動(dòng)調(diào)節(jié)和控制。組態(tài)軟件系統(tǒng)中各功能塊的組合可精確實(shí)現(xiàn)偏差運(yùn)算、PID運(yùn)算、調(diào)節(jié)器等功能，與變頻調(diào)速裝置及壓力測(cè)量反饋配合能構(gòu)成高穩(wěn)定性的閉環(huán)控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)跟蹤負(fù)荷的變化，根據(jù)目標(biāo)值自動(dòng)調(diào)節(jié)變頻器的運(yùn)行頻率給定值。

2 DCS系統(tǒng)控制變頻風(fēng)機(jī)恒壓運(yùn)行方案的設(shè)計(jì)

2.1 控制對(duì)象

灰?guī)欤莘e300 m3，由于儲(chǔ)存的物料為粉狀物，因此要求庫(kù)內(nèi)壓力維持在-800 Pa左右的負(fù)壓，以利于輸送管道里的物料順利進(jìn)入。

2.2 執(zhí)行機(jī)構(gòu)

調(diào)速變頻器及負(fù)壓風(fēng)機(jī)電機(jī)，變頻器選用ABB ACS 800—04P—0025—3+P901適配通用電機(jī)，功率25 kW額定電流49 A。一般用于連續(xù)運(yùn)行的變頻器容量的選擇基本方法是，變頻器額定輸出電流約等于1.03倍電機(jī)的額定電流。 電機(jī)功率 22 kW，額定電流：42.2 A。

2.3 傳感器

壓力變送器（PT），選用羅絲蒙特3051型-1.5～1.5 kPa，用于檢測(cè)灰?guī)靿毫Γ瑢毫π盘?hào)變換成4～20 mA的標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)反饋給DCS系統(tǒng)的Dev模塊。

3 DCS系統(tǒng)組態(tài)的設(shè)計(jì)

DCS系統(tǒng)能對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理并輸出測(cè)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)稱為DPU，DPU可用類似CAD方式的圖形組態(tài)工具進(jìn)行組態(tài)，組態(tài)針對(duì)一個(gè)DPU進(jìn)行，組態(tài)內(nèi)容包括DPU內(nèi)部的控制策略，內(nèi)部點(diǎn)與I/O卡及端子板等硬件的對(duì)應(yīng)關(guān)系及內(nèi)部點(diǎn)與全局點(diǎn)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系等。

3.1 控制外部設(shè)備和測(cè)點(diǎn)信號(hào)采集

系統(tǒng)控制外部設(shè)備和測(cè)點(diǎn)信號(hào)反饋、采集等都必須由端子板硬件模塊I/O板來完成，根據(jù)信號(hào)的不同性質(zhì)選擇相對(duì)應(yīng)的端子模塊。如啟動(dòng)信號(hào)反饋，遠(yuǎn)方/就地等屬于開關(guān)量輸入信號(hào)，應(yīng)選用開關(guān)量輸入端子模塊即DI板，用于變頻啟/停信號(hào)是屬于開關(guān)量輸出信號(hào)，相應(yīng)選用開關(guān)量輸出端子模塊，即DO板。

3.2 DPU組態(tài)功能模塊設(shè)置

DPU是DCS的一種功能，而并不具體到什么硬件，可以通過I/O驅(qū)動(dòng)與不同的I/O硬件連接，本項(xiàng)目的DPU組態(tài)思路。變頻器的啟動(dòng)，模塊中的Out 1點(diǎn)是風(fēng)機(jī)啟動(dòng)停止指令輸出點(diǎn)。

3.3 變頻自動(dòng)控制DCS邏輯圖

變頻器的頻率給定控制是按照閉環(huán)控制系統(tǒng)（closed-loop control system），如圖1所示。

如圖所示，變頻器運(yùn)行頻率的給定有兩種方式，手動(dòng)及自動(dòng)控制方式，并且手自動(dòng)的切換實(shí)行無擾切換。由AO摸塊模擬量頁(yè)間輸入模塊37引用，通過AO板端子輸出4～20 mA電流信號(hào)作為變頻器頻率給定，控制變頻器運(yùn)行。

變頻器運(yùn)行頻率的給定有兩種方式，手動(dòng)及自動(dòng)控制方式，并且手自動(dòng)的切換實(shí)行無擾切換。圖中灰?guī)祜L(fēng)壓給定和灰?guī)祜L(fēng)壓反饋兩個(gè)值分別送入Dev（偏差運(yùn)算模塊）的X1、X2輸入點(diǎn)，Dev模塊將兩個(gè)值進(jìn)行比較求出偏差，其偏差值由Y點(diǎn)送出至Epid（PID運(yùn)算模塊）的E點(diǎn)輸入，Epid模塊中TR點(diǎn)是被跟蹤量設(shè)置、Kp點(diǎn)是放大系數(shù)設(shè)定、Ti是積分時(shí)間設(shè)置、Td是微分設(shè)置。

以上幾個(gè)參數(shù)是根據(jù)廠家推薦的經(jīng)驗(yàn)值結(jié)合湊試法得出的參數(shù)設(shè)置。湊試時(shí)先調(diào)比例系數(shù)，將參數(shù)由小變大并觀察系統(tǒng)響應(yīng)，直到得到反應(yīng)快，超調(diào)小的響應(yīng)曲線。

在調(diào)整積分時(shí)，先將積分設(shè)定在一個(gè)較大的值，然后略為調(diào)小比例系數(shù)，再減少積分時(shí)間，使系統(tǒng)得到良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，且靜差得到消除。

以上調(diào)整已能滿足要求，微分可不須調(diào)整設(shè)置為0。偏差信號(hào)經(jīng)Epid模塊運(yùn)算后由Y點(diǎn)送出至ES/MA（模擬軟手操器摸塊）的X點(diǎn)，M/A站輸入，作為模擬軟手操器的自動(dòng)調(diào)節(jié)信號(hào)。SP點(diǎn)是負(fù)壓給定值打包控制點(diǎn)輸出，信息送至模擬量上網(wǎng)模塊31供實(shí)時(shí)網(wǎng)共享，其信息被Dev模塊的X1點(diǎn)灰?guī)祜L(fēng)壓給定引用。ES/MA模塊的FB點(diǎn)是變頻頻率反饋，S點(diǎn)是手動(dòng)自動(dòng)無擾切換點(diǎn)，Y點(diǎn)是M/A站輸出，屬于被控量輸出，送至模擬量頁(yè)間輸出模塊37。

由AO摸塊模擬量頁(yè)間輸入模塊37引用，通過AO板端子輸出4～20 mA電流信號(hào)作為變頻器頻率給定，控制變頻器運(yùn)行。 4 變頻器的選擇

4.1 現(xiàn)在較常用的交流調(diào)速傳動(dòng)

主要是指采用電子式電力變換器對(duì)交流電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速傳動(dòng)，即變頻調(diào)速。交流調(diào)速傳動(dòng)控制技術(shù)是電力電子器件IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor），包括半控型和全控型器件的制造技術(shù)、基于電力電子電路的電力變換技術(shù)、交流電動(dòng)機(jī)的矢量變換控制技術(shù)、直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)、PWM（Pulse Width Modulation）技術(shù)以及以微型計(jì)算機(jī)和大規(guī)模集成電路為基礎(chǔ)的全數(shù)字化控制技術(shù)等。

4.2 交-直-交變頻器

變頻器是利用交流電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速隨電機(jī)定子電壓頻率變化而變化的特性而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)調(diào)速運(yùn)行的裝置，先把工頻交流電通過整流器變成直流電，然后再把直流電變換成頻率、電壓均可控制的交流電，它又稱為間接式變頻器。本課題中所用變頻器即為交-直-交變頻器。

4.3 交-直-交變頻器其基本構(gòu)

由主電路（包括整流器、中間直流環(huán)節(jié)）和控制電路組成，各部分作用如下所述。

4.3.1 整流器

電網(wǎng)側(cè)的變流器，是整流器，它的作用是把三相（或單相）交流電整流成直流電。

4.3.2 中間直流環(huán)節(jié)

由于逆變器的負(fù)載屬于感性負(fù)載，在中間直流環(huán)節(jié)和電動(dòng)機(jī)之間總會(huì)有無功功率的交換。這種無功能量要靠中間直流環(huán)節(jié)的儲(chǔ)能元件（電容器或電抗器）來緩沖。

4.3.3 控制電路

控制電路由運(yùn)算電路、檢測(cè)電路、控制信號(hào)的輸入、輸出電路和驅(qū)動(dòng)電路等構(gòu)成。其主要任務(wù)是完成對(duì)逆變器的啟停控制、對(duì)整流器的電壓控制、對(duì)逆變器的輸出頻率、電壓進(jìn)行控制以及完成各種保護(hù)功能等，主要靠軟件來完成各種功能。

5 結(jié) 語(yǔ)

DCS系統(tǒng)結(jié)合變頻調(diào)速技術(shù)是利用現(xiàn)代先進(jìn)的計(jì)算機(jī)工控技術(shù)及電力電子技術(shù)，交流調(diào)速技術(shù)達(dá)到遠(yuǎn)程控制、自動(dòng)調(diào)節(jié)的目的，體現(xiàn)了科技就是第一生產(chǎn)力和以人為本的現(xiàn)代化生產(chǎn)觀念。在倡導(dǎo)節(jié)約型社會(huì)的今天，應(yīng)用變頻調(diào)速也是企業(yè)改造挖潛、提高效益的一條有效的途徑，同時(shí)也是國(guó)民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的需要。

參考文獻(xiàn)：

[1] 謝克明.自動(dòng)控制原理[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[2] 魏召剛.工業(yè)變頻器原理及應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006.

[3] 梁耀光，余文烋.電工新技術(shù)教程[M].北京：中國(guó)勞動(dòng)社會(huì)保障出版社，

2007.