變頻器和PLC在工業(yè)鍋爐給水系統(tǒng)上的應(yīng)用

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(yùn)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)鍵字：變頻器，工業(yè)鍋爐，給水系統(tǒng)，節(jié)能

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(yùn)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。

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(gè)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(yùn)行1臺，當(dāng)用汽量較大時(shí)，則必須2臺鍋爐同時(shí)運(yùn)行。由于給水泵額定功率為37kw，一般情況下，1臺鍋爐運(yùn)行時(shí)，只開1臺給水泵裕量仍較大，而2臺鍋爐同時(shí)運(yùn)行且用汽量較大時(shí)，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(yùn)行時(shí)，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(dòng)閥門調(diào)節(jié)各自汽包的給水量，運(yùn)行中，閥門開度較小造成給水母管壓力較大，不僅浪費(fèi)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(yùn)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(jì)了1套1臺變頻器拖動(dòng)3臺電機(jī)的方案。具體如圖2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(shí)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(dòng)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(hù)功能和較強(qiáng)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(diǎn)，使其配置靈活多樣，控制簡單方便，易于操作維護(hù)。

b） 西門子S7-200型PLC

西門子S7-200型PLC可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)，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(qiáng)，應(yīng)用靈活。

（2） 當(dāng)1臺鍋爐運(yùn)行時(shí)

由于只開1臺給水泵，就足夠鍋爐汽包所需用水量，故此時(shí)，系統(tǒng)只對運(yùn)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(dòng)操作器將控制該鍋爐汽包進(jìn)水量的電動(dòng)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(dòng)閥保持全開狀態(tài)，同時(shí)，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(yùn)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(yùn)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(yùn)行，不出現(xiàn)大的波動(dòng)，對生產(chǎn)造成，在調(diào)試過程中，應(yīng)多次反復(fù)調(diào)整PID參數(shù)，直至出現(xiàn)最佳控制過程。

（3） 當(dāng)兩臺鍋爐同進(jìn)運(yùn)行時(shí)

由于2臺鍋爐分別由兩套DCS系統(tǒng)控制，在運(yùn)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(yùn)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，最理想的方案是將1個(gè)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(gè)鍋爐都有自己獨(dú)立的給水系統(tǒng)，再在此基礎(chǔ)上加裝變頻控制，由1臺變頻器單獨(dú)控制1臺鍋爐的給水。但此方案不僅改動(dòng)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(yùn)行，維護(hù)費(fèi)用，提高原有系統(tǒng)的自動(dòng)化程度，我們針對該企業(yè)2臺鍋爐的運(yùn)行特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一套專用于2臺（或2臺以上）鍋爐同時(shí)運(yùn)行時(shí)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(dāng)2臺鍋爐同時(shí)運(yùn)行時(shí)，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(shí)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(yùn)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(yùn)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，我們充分利用了原有給水控制裝置，即汽包各自的進(jìn)水電動(dòng)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(yīng)的調(diào)整進(jìn)水電動(dòng)閥的開度，從而控制各汽泡液位和進(jìn)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(shí)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(dòng)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。且本方案充分考慮了系統(tǒng)運(yùn)行的安全性，一旦變頻器故障，系統(tǒng)可立即自動(dòng)由變頻運(yùn)行狀態(tài)切換至原有工頻運(yùn)行狀態(tài)，完全恢復(fù)改造前的運(yùn)行狀態(tài)，保證鍋爐正常運(yùn)行。變頻故障解除后，仍可方便的手動(dòng)切換為變頻狀態(tài)，使變頻器方便的投入運(yùn)行，且不鍋爐的運(yùn)行。

3、PLC

PLC是本系統(tǒng)的核心控制器件，它不僅辨識、處理各種運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)行系統(tǒng)間的邏輯運(yùn)算和聯(lián)鎖保護(hù)，還對輸入的多個(gè)模擬信號進(jìn)行處理、運(yùn)算后，輸出標(biāo)準(zhǔn)的模擬信號控制變頻器的運(yùn)行速度。主程序結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，其中，對液位信號進(jìn)行PID運(yùn)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(xiàng)

（1） 由于變頻器產(chǎn)生高次諧波，會(huì)對通訊產(chǎn)生干擾，同時(shí)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。因此，必須將變頻器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(yuǎn)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(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(yùn)行過程中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)之一，其運(yùn)行的穩(wěn)定性與可靠性直接關(guān)系到整個(gè)鍋爐系統(tǒng)乃至整個(gè)生產(chǎn)運(yùn)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(dòng)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(guān)重要。

5、結(jié)束語

（1） 變頻調(diào)速是電氣傳動(dòng)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(hù)回路和控制回路的設(shè)計(jì)關(guān)系到變頻調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用的可靠性、安全性和性。

（2） 變頻調(diào)速系統(tǒng)是基于微、電力電子、機(jī)、自動(dòng)控制和電機(jī)等技術(shù)上而來的，有其先進(jìn)性，但也有其不足和缺點(diǎn)，如電磁干擾，高次諧波的寄生電容，以及低速運(yùn)行時(shí)的電機(jī)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(diǎn)，在企業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。若將其再與計(jì)算機(jī)技術(shù)有機(jī)的結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)資源共享，統(tǒng)一管理，則會(huì)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