變頻器和PLC在工業(yè)鍋爐給水系統(tǒng)上的應用1.doc

1、簡介 ：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)，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)進行變頻改造。關鍵字 ：變頻器 ，工業(yè)鍋爐，給水系統(tǒng)，節(jié)能兩系統(tǒng)在1、引言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)進行變頻改造。某有 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，當用汽量較大時，則必

2、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。圖 1給水原理圖2、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，我們設計了1 套 1 臺變頻器 拖動 3 臺電機的方案。具體如圖2

3、 所示圖 2控制原理圖在本方案中， 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可靠

4、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。適應性強，應用靈活。（2）當 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行恒液位控制即可。將切換開關置于相應位置，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

5、中，關鍵的是過程參數(shù)PID（ P: 比例系數(shù)I: 積分系數(shù)、 D: 微分系數(shù)）的整定。由于工業(yè)鍋爐運行過程中，用汽量的多小和蒸汽壓力的大小，決定了給水流量的大小和給水壓力的大小。為了保證系統(tǒng)的相對穩(wěn)定運行，不出現(xiàn)大的波動，對生產(chǎn)造成，在調(diào)試過程中，應多次反復調(diào)整PID 參數(shù)，直至出現(xiàn)最佳控制過程。（3）當兩臺鍋爐同進運行時由于 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。通過給水原理圖（圖 1）我們不難發(fā)現(xiàn)，要對 2 臺鍋爐汽包的液位分別控制，

6、 最理想的方案是將 1 個給水母管向 2 臺鍋爐給水的現(xiàn)狀徹底改變， 將給水系統(tǒng)分開， 使每個鍋爐都有自己獨立的給水系統(tǒng)， 再在此基礎上加裝變頻控制，由1 臺變頻器 單獨控制1 臺鍋爐的給水。但此方案不僅改動較大，投資較高，且要停產(chǎn)改造， 顯然是行不通的。 為了能在不改變原有系統(tǒng)現(xiàn)狀的前提下， 更好的利用變頻裝置，節(jié)能降耗，減小系統(tǒng)運行，維護費用，提高原有系統(tǒng)的自動化程度，我們針對該企業(yè)2 臺鍋爐的運行特點，設計了一套專用于 2 臺（或 2 臺以上）鍋爐同時運行時的控制方案，即: 蒸汽壓力和母管給水壓力的恒壓差控制方案。當 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

7、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。 再由該裝置將信號傳輸給變頻器， 從而控制 變頻器 的運行速度。 這樣雖然可以保證給水母管壓力始終高于鍋爐蒸汽壓力（壓力差的大小可以通過 PLC在一定范圍內(nèi)任意調(diào)節(jié)），但鍋爐各自汽包的液位卻無法再通過調(diào)節(jié) 變頻器 的轉(zhuǎn)速去控制。 在此，我

8、們充分利用了原有給水控制裝置， 即汽包各自的進水電動閥門。 仍由鍋爐原有 DCS控制系統(tǒng)采集各自汽包的液位，蒸汽壓力， 給水壓力和給水流量等信號，去相應的調(diào)整進水電動閥的開度，從而控制各汽泡液位和進水流量。此方案由于存在閥門的調(diào)節(jié)，所以上不能最大限度的節(jié)能降耗，但實際中，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)回水閥門關閉，仍大大節(jié)約了能源。且本方案充分考慮了系統(tǒng)運行的安全性， 一旦變頻器故障，系統(tǒng)可立即自動由變頻運行狀態(tài)切換至原有工頻運行狀態(tài)，完全恢復改造前的運行狀態(tài)， 保證鍋爐正常運行。 變頻故障解除后， 仍可方便的手動切換為

9、變頻狀態(tài)，使 變頻器 方便的投入運行，且不鍋爐的運行。3、 PLCPLC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行處理、 運算后， 輸出標準的模擬信號控制 變頻器 的運行速度。 主程序結(jié)構較復雜， 其中，對液位信號進行 PID 運算的子程序，原理圖和程序框圖如圖 3、圖 4 所示。圖 3 PID 原理圖圖 4程序流程框圖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。因此， 必須將 變頻器

10、 零地分接且加裝液波裝置，對 PLC用隔離變壓器供電，最好將 PLC安裝于距離 變頻器 較遠的位置上。（ 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重要的環(huán)節(jié)之一，其運行的穩(wěn)定性與可靠性直接關系到整個鍋爐系統(tǒng)乃至整個生產(chǎn)運行的穩(wěn)定與安全。 因此，一旦變頻器 出現(xiàn)故障而停車后，系統(tǒng)可自動切換至原有工頻控制系統(tǒng)而不影響生產(chǎn)， 這一聯(lián)鎖措施至關重要。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，容量、 類型的選擇， 電氣保護回路和控制回路的設計關系到變頻調(diào)速系統(tǒng)應用的可靠性、全性和性。變頻器安（ 2） 變頻調(diào)速系統(tǒng)是基于微、電力電子、機、自動控制和電機等技術上而來的，有其先進性，但也有其不足和缺點，如