艾默生工控產(chǎn)品在鍋爐溫度控制的應(yīng)用

摘要：文章介紹了艾默生公司變頻器EV2000及SK系列變頻器在油爐溫度控制中的基本應(yīng)用，及EC20系列PLC在溫度PID控制中的基本應(yīng)用編程。
Adoption of Industrial control production of Emerson in temperature control in oil boiler，and EC20(PLC) adoption in PID control.
　　前言：內(nèi)蒙古美好食品有限公司是一家食品生產(chǎn)企業(yè)（饃片烤制），其油爐加熱系統(tǒng)是用爐膛熱風(fēng)來(lái)加熱油溫的，通過(guò)油溫烤制饃片。油爐實(shí)際和一臺(tái)普通熱水鍋爐工作原理相似，通過(guò)引風(fēng)、鼓風(fēng)、爐排的連鎖控制以實(shí)現(xiàn)風(fēng)道出口溫度恒定，用熱風(fēng)加熱油溫。由于原系統(tǒng)采用繼電接觸器控制，各電機(jī)之間均是工頻運(yùn)轉(zhuǎn)，通過(guò)一個(gè)溫度顯示報(bào)警儀表，來(lái)控制鼓風(fēng)的運(yùn)轉(zhuǎn)；引風(fēng)則一直運(yùn)轉(zhuǎn)，爐排通過(guò)滑差電機(jī)來(lái)調(diào)速，基本是人工設(shè)定一轉(zhuǎn)速后不再改變。由于該系統(tǒng)在恒溫度控制方面的精度非常差，且電能浪費(fèi)現(xiàn)象非常嚴(yán)重，煤的燃燒也很不充分，因此，我們做出如下改造設(shè)計(jì)。
　　1、變頻恒溫控制系統(tǒng)
　　1.1系統(tǒng)參數(shù):
　　引風(fēng)電機(jī)為11KW，鼓風(fēng)2.2KW，爐排為1.5KW
　　設(shè)計(jì)采用EV2000-4T0110P（通用型）系列變頻器，鼓風(fēng)采用SK-4T0022G（矢量型，因?yàn)榭紤]到變頻器體積較小，價(jià)格相差不多的情況下選擇），爐排SK-4T0015G。具體系統(tǒng)主電路結(jié)構(gòu)圖及原理圖如下：

　　控制原理：將現(xiàn)場(chǎng)熱電偶信號(hào)（E型）送至溫度變送儀表，除顯示溫度外，還將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成4-20MA，送入EC20 PLC（EC20-4AD）模擬量輸入端，經(jīng)過(guò)PLC進(jìn)行處理。EC20PLC模擬量輸出端將PID計(jì)算出的給定信號(hào)分三路模擬量輸出到三臺(tái)變頻器的給定。為保證鼓風(fēng)、引風(fēng)保證爐膛基本 負(fù)壓的前提，因此具體變頻器參數(shù)設(shè)置：

　　引風(fēng)：
F0.00=4 CCI模擬給定 F0.03=1 端子運(yùn)行命令通道
F0.04=4 運(yùn)轉(zhuǎn)方向設(shè)定 F0.05=4 最大輸出頻率50HZ
F0.07=4 最大輸出電壓380V F0.08=1 機(jī)型選擇P（風(fēng)機(jī)專用）
F0.14=1 V/F曲線設(shè)定 F2.01=30 啟動(dòng)頻率30HZ
F2.08=0 停機(jī)方式（減速停機(jī)） FH.00=4 電機(jī)極數(shù)4

鼓風(fēng)：
01=20最低轉(zhuǎn)速 02=50HZ最高轉(zhuǎn)速 03=5 04=10（加減速） 05=AIAU給定設(shè)置 06=5A 電機(jī)電流 16=4-20 電流輸入（Ma）
41=FD 線性U/F控制

爐排：
01=5.0最低轉(zhuǎn)速 02=40HZ最高轉(zhuǎn)速 03=5 04=5（加減速） 05=AIAU給定設(shè)置 06=3A 電機(jī)電流 16=4-20 電流輸入（Ma）
41=FD 線性U/F控制

1.2變頻器的設(shè)置基本遵循如下原則：
鼓引風(fēng)變頻器控制風(fēng)機(jī)，其機(jī)械特性屬于平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載，因此其V/F曲線采用2次方曲線。同時(shí)，引風(fēng)機(jī)的慣性比較大,因此其降速時(shí)間要求比較大，這是由于降速過(guò)程中變頻器處于回饋制動(dòng)狀態(tài)，回饋能量將會(huì)造成直流側(cè)母線電壓過(guò)高而停機(jī)，因此，必須增長(zhǎng)降速時(shí)間。同時(shí)，停機(jī)也要求軟停車(chē)，能夠延長(zhǎng)風(fēng)機(jī)的機(jī)械壽命。鼓風(fēng)設(shè)置同引風(fēng)差別不大，除了功率外幾乎一致。但考慮為保持爐膛基本負(fù)壓，必須將鼓風(fēng)的升速時(shí)間要低于引風(fēng)，而降速時(shí)間要快于引風(fēng)。
　　爐排傳動(dòng)屬于機(jī)械負(fù)載，因此爐排的控制方式為V/F基本控制或采用開(kāi)環(huán)矢量控制，其低速時(shí)提供的轉(zhuǎn)矩比較大，能夠滿足重載啟動(dòng)的要求，另外，系統(tǒng)要求的加減速時(shí)間都比較短，在5秒以內(nèi)。
　　當(dāng)檢測(cè)點(diǎn)溫度到達(dá)設(shè)定溫度后，為保證溫度穩(wěn)定時(shí)間比較長(zhǎng)，且要節(jié)約能源、降低損耗，因此引風(fēng)、鼓風(fēng)、爐排的最低運(yùn)轉(zhuǎn)速度分別設(shè)置為：30HZ、20HZ、5HZ。
　　2、PLC硬件應(yīng)用及軟件編制
　　2.1:硬件配置
　　由主機(jī)EC20-1410BRA、模擬量輸入EC20-4AD、模擬量輸出EC20-4DA組成。其中給定采用一塊百特公司的數(shù)字給定表，可以人為設(shè)置給定值（4-20MA信號(hào)，在表上以百分?jǐn)?shù)表示），給定信號(hào)送入EC20-4AD模擬量輸入模塊中，作為PID給定信號(hào)。另外安裝一塊溫度數(shù)顯表，該表除顯示溫度外，還將E型熱電偶檢測(cè)溫度信號(hào)變送輸出4-20MA信號(hào)，送入EC20-4AD輸入模塊作為PID反饋信號(hào)。PID控制程序是通過(guò)EC20編程軟件CONTROLSTAR中調(diào)用固有PID控制子程序來(lái)實(shí)現(xiàn)出口溫度PID恒定控制的。
　　2.2:連鎖控制
　　連鎖控制主要實(shí)現(xiàn)如下功能：
　　一、啟動(dòng)先啟動(dòng)引風(fēng)、后啟動(dòng)鼓風(fēng)，一般引風(fēng)啟動(dòng)后3秒左右鼓風(fēng)才能啟動(dòng)。
　　二、停車(chē)先停鼓風(fēng)，鼓風(fēng)不停，引風(fēng)認(rèn)為不能停車(chē)；引風(fēng)發(fā)生變頻故障，則鼓風(fēng)立即停止。
　　三、故障報(bào)警、運(yùn)行、停止指示通過(guò)PLC實(shí)現(xiàn)。
　　四、爐排不參與引風(fēng)及鼓風(fēng)連鎖。
　　2.3:變頻控制及溫度PID程序
　　一、變頻器接觸器得、失電由PLC控制
　　二、變頻器的啟動(dòng)、停止信號(hào)由PLC連鎖控制。
　　三、變頻器的給定信號(hào)，由PID計(jì)算出的輸出信號(hào)通過(guò)模擬量輸出EC20-4DA，以電流信號(hào)（4-20MA）的方式輸出到變頻器的電流給定端（CCI、GND）
　　四、PID控制由PLC應(yīng)用軟件通過(guò)編程的方式實(shí)現(xiàn)。具體過(guò)程比較簡(jiǎn)單，在CONTROLSTAR軟件中的PID命令向?qū)б徊讲酵瓿桑饕O(shè)置個(gè)別參數(shù)即可。具體PID編程語(yǔ)言如下：
LD SM0
PID D20 D21 D0 D22（PID調(diào)用）
LD SM0
MOV D50 D20 //設(shè)定目標(biāo)值
MOV 10 D0 //采樣時(shí)間(Ts) 范圍為1～32767(ms)但比運(yùn)算周 期短的時(shí)間數(shù)值無(wú)法執(zhí)行
MOV 33 D1 //動(dòng)作方向
MOV 0 D2 //輸入濾波常數(shù)(α)范圍0～99[﹪]，為0沒(méi)有輸入濾波
MOV 2000 D3 //比例增益(Kp)范圍1～32767[﹪]
MOV 10 D4 //積分時(shí)間(TI)范圍0～32767(×100ms),為0時(shí)作為∞處理(無(wú)積分)
MOV 0 D5 //微分增益(KD)范圍0～100[﹪]，為0時(shí)無(wú)微分增益
MOV 0 D6 //微分時(shí)間(TD)范圍0～32767(×10ms),為0時(shí)無(wú)微分處理
MOV 0 D15 //輸入變化量(增側(cè))報(bào)警設(shè)定值0～32767
MOV 0 D16 //輸入變化量(減側(cè))報(bào)警設(shè)定值0～32767
MOV 2000 D17 //輸出上限設(shè)定值-32768～32767
MOV 0 D18 //輸出下限設(shè)定值-32768～32767

主程序給定部分如下：
LD SM0
CALL PID_EXE（調(diào)用PID）
LD SM0
CALL PID_SET(PID參數(shù)設(shè)定)
LD X14 （系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行）
TO 0 1 D22 1 （將D22 中內(nèi)容寫(xiě)入模塊0中的第一個(gè)單元中，即模擬量輸出值，引風(fēng)給定）
TO 0 2 D22 1
TO 0 3 D22 1
TO 0 0 16#0 1
LD SM1
TO 1 0 16#1313 1（設(shè)置模擬量輸入信號(hào)方式，即1、3通道關(guān)閉，2、4為電流信號(hào)）
LD SM0
FROM 1 10 D21 1
LD SM1
TO 1 36 16#1111 1
LD SM1
TO 1 14 16#1111 1
LD SM0
FROM 1 12 D50 1
　　其中特別需要說(shuō)明的是FROM和TO指令。這兩條指令主要用于模擬量處理，它的使用不同于西門(mén)子公司的直接尋址方式（PIW或PQW），而是用TO（寫(xiě)入）和FROM（讀出）指令。對(duì)于模擬量模塊，通過(guò)這兩條指令來(lái)進(jìn)行設(shè)置和參數(shù)的讀出。比如TO 1 14 16#1111 1 。 其中第一個(gè)1是指和CPU連接的第二個(gè)模塊（第一個(gè)是0）； 14是指其信息存儲(chǔ)器中的第14個(gè)存儲(chǔ)單元；16#1111是指16進(jìn)制1111；最后的1是指寫(xiě)入的單元數(shù)為1（只占用14單元一個(gè)，后面的單元不再寫(xiě)）
　　2.4:實(shí)際參數(shù)設(shè)置
　　最后經(jīng)多次修改和調(diào)試，確定比例系數(shù)為20，積分時(shí)間為1-3秒，微分時(shí)間為零。經(jīng)過(guò)運(yùn)行發(fā)現(xiàn)能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)工藝，達(dá)到爐膛溫度（實(shí)際為出口管道采集溫度）恒定控制的要求。
3、實(shí)際運(yùn)行情況：
　　經(jīng)過(guò)2個(gè)月左右的運(yùn)行發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)能夠運(yùn)行非常穩(wěn)定，能夠維持出口風(fēng)道溫度在286-288攝氏度左右，滿足了現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)的要求。經(jīng)過(guò)基本測(cè)算，節(jié)電率能夠達(dá)到25%-35%左右；而節(jié)煤量幾乎達(dá)到了35%以上，得到了客戶非常高的評(píng)價(jià)。經(jīng)過(guò)節(jié)約資金量估算，經(jīng)過(guò)半年左右即可收回全部設(shè)備投入資金。這對(duì)這次改造，我們認(rèn)為在鍋爐燃燒系統(tǒng)中的變頻及PLC改造前景非常大，特別是艾默生公司變頻器及PLC產(chǎn)品優(yōu)異的性能、堅(jiān)實(shí)耐用和高可靠性、高精度的新技術(shù)核心，會(huì)為我們的節(jié)能技術(shù)改造提供最堅(jiān)實(shí)的后盾！