分布式控制系統(tǒng)對(duì)設(shè)備攪拌器變頻調(diào)速的應(yīng)用

王恩娜

(北京美盛沃利工程技術(shù)有限公司上海分公司，上海 200001)

0 引言

隨著科技的不斷進(jìn)步，各種變頻技術(shù)在化工生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用，由此對(duì)相關(guān)控制技術(shù)也提出了新的要求。傳統(tǒng)的單機(jī)生產(chǎn)控制，人工現(xiàn)場手動(dòng)操作等傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)即將被先進(jìn)的集散型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)所取代。

在化工涂料的生產(chǎn)過程中，由于需要帶攪拌器的設(shè)備較多，且在不同溫度、壓力和液位時(shí)要求的攪拌速度也不盡相同，如果采用傳統(tǒng)的定速攪拌器，既達(dá)不到生產(chǎn)過程所要求的攪拌效果，又浪費(fèi)能源。集散型控制系統(tǒng)(Distributed Control System，DCS)綜合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、通信技術(shù)、CRT顯示技術(shù);集中了連續(xù)控制、批量控制、邏輯順序控制、數(shù)據(jù)采集等功能;采用分散控制、集中操作、綜合管理和分而自制的設(shè)計(jì)原則。該系統(tǒng)具有安全可靠、運(yùn)用靈活、最優(yōu)控制和綜合管理等各種能力，是計(jì)算機(jī)工業(yè)過程控制的有效方法。

因此，將該方法應(yīng)用于攪拌器變頻調(diào)速控制中，采用DCS，輸出4～20 mA DC控制信號(hào)到變頻器，控制調(diào)節(jié)設(shè)備攪拌器的速度，按預(yù)定的攪拌要求進(jìn)行攪拌，變頻輸出DC 0～10 V電壓信號(hào)由電流轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成4～20 mA電流信號(hào)給DCS，達(dá)到監(jiān)控運(yùn)行數(shù)據(jù)，使攪拌器的自動(dòng)化程度大大提高。

1 變頻調(diào)速技術(shù)原理

三相異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速公式為

從式(1)可見，改變供電頻率f、電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)p及轉(zhuǎn)差率s均可達(dá)到改變轉(zhuǎn)速的目的。從調(diào)速的本質(zhì)來看，不同的調(diào)速方式無非是改變交流電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速或不改變同步轉(zhuǎn)速兩種。在生產(chǎn)機(jī)械中廣泛使用不改變同步轉(zhuǎn)速的調(diào)速方法，如繞線式電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速、斬波調(diào)速、串級(jí)調(diào)速以及應(yīng)用電磁轉(zhuǎn)差離合器、液力耦合器、油膜離合器等調(diào)速。改變同步轉(zhuǎn)速的高速方法有改變定子極對(duì)數(shù)的變極高速及改變定子電壓和頻率的變頻調(diào)速。從調(diào)速時(shí)的能耗觀點(diǎn)來看，有高效調(diào)速方法與低效調(diào)速方法兩種。高效調(diào)速一般為轉(zhuǎn)差率不變，因此無轉(zhuǎn)差損耗，如變極高速、變頻變壓調(diào)速以及能將轉(zhuǎn)差損耗回收的調(diào)速方法(如串級(jí)調(diào)速等)。有轉(zhuǎn)差損耗的調(diào)速方法屬低效調(diào)速，如轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速(能量就損耗在轉(zhuǎn)子回路中)、電磁離合器調(diào)速(能量損耗在離合器線圈中)、液力耦合器調(diào)速(能量損耗在液力耦合器的油中)。一般來說轉(zhuǎn)差損耗隨調(diào)速范圍擴(kuò)大而增加，如果調(diào)速范圍不大，能量損耗將很小。

變頻調(diào)速是改變電動(dòng)機(jī)定子電源的頻率和電壓，從而改變其同步轉(zhuǎn)速的調(diào)速方法。變頻調(diào)速系統(tǒng)主要設(shè)備是提供變頻電源的變頻器，變頻器可分成交－直－交變頻器和交－交變頻器兩大類，目前國內(nèi)大都使用交－直－交變頻器。其特點(diǎn)是效率高、調(diào)速范圍大、特性硬、精度高、應(yīng)用范圍廣，是一種節(jié)能產(chǎn)品，適用于要求精度高、調(diào)速性能較好的場合。

2 變頻調(diào)速技術(shù)的特點(diǎn)

(1)調(diào)速范圍廣，可應(yīng)用于交流電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速。

(2)調(diào)節(jié)精度高、效率高，沒有附加損耗，在正常調(diào)速范圍內(nèi)，變頻裝置的總效率在93%以上，功率因數(shù)超過0.95。

(3)可實(shí)現(xiàn)真正的軟起動(dòng)，并且起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、起動(dòng)電流小。

(4)設(shè)備發(fā)生故障時(shí)可隨時(shí)切換以保持運(yùn)轉(zhuǎn)，適用于不允許停機(jī)的場合。

(5)容易實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動(dòng)控制及遠(yuǎn)程控制。

(6)變頻器預(yù)留有控制接口，能為機(jī)組實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)優(yōu)化控制提供方便。

3 控制系統(tǒng)的基本方案

DCS控制攪拌器變頻調(diào)速的系統(tǒng)框圖如圖1所示。

3.1 控制系統(tǒng)的主要功能

(1)DCS系統(tǒng)對(duì)變頻器狀態(tài)監(jiān)測:該涂料攪拌工程使用微能矢量型變頻器強(qiáng)大的通信功用，以及DSC系統(tǒng)自身的通信網(wǎng)絡(luò)功能、顯示功能來實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場變頻器狀態(tài)的監(jiān)測，如:變頻器運(yùn)行狀態(tài)、變頻器故障報(bào)警、開/停狀態(tài)、運(yùn)行指示等監(jiān)測。

圖1 DCS控制攪拌器變頻調(diào)速的系統(tǒng)框圖

(2)DCS系統(tǒng)信息采集及控制:利用DCS系統(tǒng)自身的計(jì)算機(jī)功能、控制功能完成對(duì)整個(gè)攪拌過程的遠(yuǎn)程集中監(jiān)測控制。測量儀表擔(dān)負(fù)采集攪拌器轉(zhuǎn)速、給/出料流量等模擬量、開關(guān)量等信號(hào)，并且將采集的信號(hào)反饋到工程師站計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，與設(shè)定值比較處理，形成閉環(huán)控制。工程師站計(jì)算機(jī)系統(tǒng)通過采集值與整定值比較，自動(dòng)控制變頻器改變轉(zhuǎn)速基準(zhǔn)值的指令。

3.2 監(jiān)測及控制信號(hào)

為了更精確地控制攪拌器的攪拌速度，需要采集對(duì)攪拌速度起確定性的信號(hào)參數(shù):設(shè)備內(nèi)物料的液位，此信號(hào)監(jiān)測需要用液位變送器來實(shí)現(xiàn);物料的溫度，此信號(hào)的監(jiān)測需要用溫度變送器來實(shí)現(xiàn);設(shè)備內(nèi)的壓力，此信號(hào)需要用壓力變送器實(shí)現(xiàn);物料進(jìn)料流量，此信號(hào)需要用流量計(jì)實(shí)現(xiàn)，以及設(shè)備內(nèi)各攪拌階段所需時(shí)間的設(shè)定。

3.3 DCS系統(tǒng)在工程中應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)

(1)靈活性。根據(jù)各階段攪拌要求的不同，對(duì)DCS系統(tǒng)控制軟件進(jìn)行組態(tài)，即確定測量與控制信號(hào)及相互間連接關(guān)系。從控制組態(tài)模塊庫中，選擇適用的控制模塊，并將各階段模塊用時(shí)間計(jì)數(shù)器及各相關(guān)參數(shù)報(bào)警或聯(lián)鎖值觸發(fā)。從圖形庫調(diào)用基本圖形，組成所需的各種監(jiān)控和報(bào)警畫面，從而方便、快捷地構(gòu)成所需的控制程序。

(2)高可靠性。由于DCS系統(tǒng)將控制功能分散在多臺(tái)計(jì)算機(jī)及控制器上實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用冗余設(shè)計(jì)，因此某一臺(tái)計(jì)算機(jī)或控制器出現(xiàn)故障時(shí)，其他計(jì)算機(jī)或控制器無擾動(dòng)自動(dòng)切換，并及時(shí)報(bào)警。不會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)無法運(yùn)行或功能的喪失。此外，由于系統(tǒng)中采用了診斷及判斷功能軟件，在現(xiàn)場儀表發(fā)生故障和誤報(bào)信息前，提前診斷出問題來源，及早發(fā)現(xiàn)，及早解決，能識(shí)別錯(cuò)誤信息，保持正常信息輸入并及時(shí)報(bào)警，從而使系統(tǒng)中各組成部件的可靠性得到提高。

(3)開放性。DCS采用開放式、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化和系列化設(shè)計(jì)，系統(tǒng)中各臺(tái)計(jì)算機(jī)及與控制器間采用局域網(wǎng)方式通信，實(shí)現(xiàn)信息實(shí)時(shí)傳輸。當(dāng)需要改變或擴(kuò)充設(shè)備攪拌系統(tǒng)功能時(shí)，可將新增計(jì)算機(jī)或控制器方便地鏈入系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)或從網(wǎng)絡(luò)中卸下，不影響系統(tǒng)其他計(jì)算機(jī)或控制器的正常工作。

(4)易于維護(hù)。系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)、自動(dòng)識(shí)別和自診斷功能，以及開放的系統(tǒng)組成，使其具有維護(hù)簡單、方便使用、可靠性強(qiáng)等特點(diǎn)。當(dāng)某一卡件或系統(tǒng)中任一節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障時(shí)，可以在不影響整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的情況下在線更換和卸載，迅速排除故障。

(5)協(xié)調(diào)性。各工作站之間通過通信網(wǎng)絡(luò)傳送數(shù)據(jù)，整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)信息共享，協(xié)調(diào)工作，以完成控制系統(tǒng)的總體功能和優(yōu)化處理。

(6)控制功能齊全。控制算法豐富，集連續(xù)控制、順序控制和批處理控制于一體，可實(shí)現(xiàn)串級(jí)、前饋、解耦、自適應(yīng)和預(yù)測控制等先進(jìn)控制，并可方便地加入所需的特殊控制算法。

DCS的構(gòu)成方式十分靈活，可由專用的管理計(jì)算機(jī)站、操作員站、工程師站、記錄站、現(xiàn)場控制站和數(shù)據(jù)采集站等組成，也可由通用的服務(wù)器、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)和可編程控制器構(gòu)成。處于底層的過程控制級(jí)一般由分散的現(xiàn)場控制站、數(shù)據(jù)采集站等就地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和控制，并通過數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)傳送到生產(chǎn)監(jiān)控級(jí)計(jì)算機(jī)。生產(chǎn)監(jiān)控級(jí)對(duì)來自過程控制級(jí)的數(shù)據(jù)進(jìn)行集中操作管理，如各種優(yōu)化計(jì)算、統(tǒng)計(jì)報(bào)表、故障診斷、顯示報(bào)警等，并輸出控制及聯(lián)鎖要求。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，DCS可以按照各種需要與更高級(jí)別的計(jì)算機(jī)設(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)連接來實(shí)現(xiàn)更高級(jí)的集中管理功能，如計(jì)劃調(diào)度、倉儲(chǔ)管理、能源管理等。

4 結(jié)語

帶變頻器的攪拌器應(yīng)用領(lǐng)域很廣泛，實(shí)用性強(qiáng)，這就決定著攪拌器電氣控制的多樣化。在提倡節(jié)能環(huán)保的當(dāng)今時(shí)代，攪拌器的控制系統(tǒng)也在向節(jié)能環(huán)保的方向發(fā)展，DCS應(yīng)用于攪拌器的控制中，正體現(xiàn)了這種先進(jìn)的控制理念。在此DCS控制調(diào)頻系統(tǒng)投入運(yùn)行后，一臺(tái)200 kW，380 V攪拌器在使用變頻調(diào)速前，電機(jī)額定工作電流為260 A，額定轉(zhuǎn)速為600 r/min。在使用DCS控制變頻調(diào)速后，采用4～20 mA DC信號(hào)調(diào)節(jié)頻率，使其輸出電流減小，轉(zhuǎn)速降低至200～400 r/min，平均節(jié)能達(dá)到20%～30%。DCS控制攪拌器變頻調(diào)速，不僅使各種復(fù)雜控制要求得以實(shí)現(xiàn)，并且使生產(chǎn)成本大大降低，節(jié)約了能耗，為國家節(jié)能減排做出了貢獻(xiàn)。

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