變頻器在工業(yè)鍋爐自動(dòng)給水系統(tǒng)上的應(yīng)用案例
變頻器在工業(yè)鍋爐自動(dòng)給水系統(tǒng)上的應(yīng)用案例
鍋爐自動(dòng)給水系統(tǒng)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(jiǎn)便、安全且投資較少的原則,我們?cè)O(shè)計(jì)了1套1臺(tái)變頻器拖動(dòng)3臺(tái)電機(jī)的方案。
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(hào)轉(zhuǎn)換裝置。
(1) 硬件控制系統(tǒng)
a) 西門(mén)子mm430變頻器
mm430變頻器是西門(mén)子公司最新研制生產(chǎn)的一種適用于各種變速驅(qū)動(dòng)應(yīng)用場(chǎng)合的高性能變頻器(調(diào)試簡(jiǎn)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(guò)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(jiǎn)單方便,易于操作維護(hù)。
b) 西門(mén)子s7-200型plc
西門(mén)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(chǎng)而穩(wěn)定可靠的工作。適應(yīng)性強(qiáng),應(yīng)用靈活。
?。?) 當(dāng)1臺(tái)鍋爐運(yùn)行時(shí)
由于只開(kāi)1臺(tái)給水泵,就足夠鍋爐汽包所需用水量,故此時(shí),系統(tǒng)只對(duì)運(yùn)行鍋爐的汽包水位進(jìn)行恒液位控制即可。
將切換開(kāi)關(guān)置于相應(yīng)位置,通過(guò)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(kāi)后,再通過(guò)控制信號(hào)轉(zhuǎn)換裝置切斷該控制信號(hào),使原有控制回路斷開(kāi),電動(dòng)閥保持全開(kāi)狀態(tài),同時(shí),將該鍋爐汽包液位信號(hào)切入plc,讓plc將該鍋爐汽包液位信號(hào)進(jìn)行pid運(yùn)算處理后,再由控制信號(hào)轉(zhuǎn)換裝置,將plc輸出的4~20ma模擬信號(hào)傳遞給變頻器,從而控制變頻器的輸出轉(zhuǎn)速。
在本控制過(guò)程中,關(guān)鍵的問(wèn)題是過(guò)程參數(shù)pid
?。╬: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(guò)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(duì)穩(wěn)定運(yùn)行,不出現(xiàn)大的波動(dòng),對(duì)生產(chǎn)造成影響,在調(diào)試過(guò)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(guò)程。
(3) 當(dāng)兩臺(tái)鍋爐同進(jìn)運(yùn)行時(shí)
由于2臺(tái)鍋爐分別由兩套dcs系統(tǒng)控制,在運(yùn)行過(guò)程,雖然蒸汽并網(wǎng)后壓力相同,但由于燃燒過(guò)程中存在不確定性,兩臺(tái)鍋爐汽包各自的液位就必然存在差異。因此,單臺(tái)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(guò)給水原理圖(圖1)我們不難發(fā)現(xiàn),要對(duì)2臺(tái)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(tái)鍋爐給水的現(xiàn)狀徹底改變,將給水系統(tǒng)分開(kāi),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(tái)變頻器單獨(dú)控制1臺(tái)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?cè)邢到y(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(duì)該企業(yè)2臺(tái)鍋爐的運(yùn)行特點(diǎn),設(shè)計(jì)了一套專用于2臺(tái)(或2臺(tái)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(tái)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(guò)處理、比較后,得到二者的差值,再將此差值通過(guò)pid運(yùn)算處理,輸出4~20ma的模擬信號(hào)給控制信號(hào)轉(zhuǎn)換裝置。再由該裝置將信號(hào)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(guò)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(wú)法再通過(guò)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(mén)。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(hào),去相應(yīng)的調(diào)整進(jìn)水電動(dòng)閥的開(kāi)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(mén)的調(diào)節(jié),所以理論上不能最大限度的節(jié)能降耗,但實(shí)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(dòng)閥門(mén)的開(kāi)度由原來(lái)的平均10%左右開(kāi)大到75%左右,系統(tǒng)回水閥門(mén)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,且不影響鍋爐的運(yùn)行。
plc是鍋爐自動(dòng)給水系統(tǒng)的核心控制器件,它不僅辨識(shí)、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(duì)輸入的多個(gè)模擬信號(hào)進(jìn)行處理、運(yùn)算后,輸出標(biāo)準(zhǔn)的模擬信號(hào)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(duì)液位信號(hào)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。
注意事項(xiàng)
(1)由于變頻器產(chǎn)生高次諧波,會(huì)對(duì)通訊產(chǎn)生干擾,同時(shí)由于plc采集模擬信號(hào),要進(jìn)行a/d和d/a轉(zhuǎn)換處理,在此過(guò)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(duì)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。
?。?)本系統(tǒng)所需液位、壓力等模擬信號(hào)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(hào)通過(guò)隔離分路端子分路后采用。
(3)鍋爐給水是鍋爐運(yùn)行過(guò)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)企業(yè)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(chē)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。
結(jié)語(yǔ)
?。?)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、安全性和經(jīng)濟(jì)性。
?。?)變頻調(diào)速系統(tǒng)是基于微電子、電力電子、計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制和電機(jī)等技術(shù)上發(fā)展而來(lái)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),在現(xiàn)代企業(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(lái),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。
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