變頻器與PLC結合在普通鍋爐風機水泵控制上的應用

河北冀衡（集團）藥業有限公司 薛長坡

1.引言

工廠鍋爐的安全和供汽壓力的穩定是工廠安全生產的重要組成部分。鍋爐供汽系統管道、閥門等的開、關來實現對生產區各車間的正常供汽從而安全生產的目的。

我國的電動機用電量占全國用電量得60-70%，風機、水泵設備年耗電量占全國電力消耗的1/3。造成這種狀況的主要原因是：風機、水泵等設備傳統的調速方法是通過調節入口或出口的擋板、閥門開度來調節給風量和給水量，其輸出功率大量的能源消耗在擋板、閥門的截流過程中。而鍋爐的主要耗電設備就是風機、水泵。采用變頻器控制風機水泵能極大地改善鍋爐風壓水壓的穩定性，可根據風道、管道瞬間壓力變化，自動調節電機轉速，使管網主干出口端保持在恒定的設定壓力值，整個鍋爐系統始終保持高效節能和運行在最佳狀態。

2.風機、水泵變頻調節原理

由于風機、水泵類大多為平方轉矩負載，軸功率與轉速成立方關系，所以當風機、水泵轉速下降時，消耗的功率也大大下降，因此節能潛力非常大，最有效的節能措施就是采用調速器來調節流量、風量，應用變頻器節電率為20%-50%。而且通常在設計中，用戶電機設計的容量比實際需要高出很多，存在“大馬拉小車”的現象，效率底下，造成電能的大浪費。

根據流體力學知識和風機水泵的相似定律，變速前后流量、揚程、功率與轉速之間的關系為：

Q1/Q2=N1/N2 H1/H2=(N1/N2)2

P1/P2=(N1/N2)3

式中Q1、H1、P1為轉速N1的流量、揚程、功率；Q2、H2、P2為轉速N2的流量、揚程、功率。由此可見，當風機水泵在變負荷工作情況下，采用變頻器調節電機轉速時，軸功率隨轉速比的三次方關系進行變化，節電效果明顯。

3.PID調節的基本原理

在工程實際中，應用最為廣泛的調節器控制規律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調節。PID控制器問世至今已有近70年歷史，它以其結構簡單、穩定性好、工作可靠、調整方便而成為工業控制的主要技術之一。當被控對象的結構和參數不能完全掌握，或得不到精確的數學模型時，控制理論的其它技術難以采用，系統控制器的結構和參數必須依靠經驗和現場調試來確定，這時應用PID控制技術最為方便。即當我們不完全了解一個系統和被控對象或不能通過有效的測量手段來獲得系統參數時，最適合用PID控制技術。PID控制，實際中也有PI和PD控制。PID控制器就是根據系統的誤差，利用比例、積分、微分計算出控制量進行控制的。

3.1 比例P控制

比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號比例關系。當僅有比例控制時系統輸出存在穩態誤差。

3.2 積分I控制

在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關系。對一個自動控制系統，如果在進入穩態后存在穩態誤差則這個控制系統是有穩態誤差的或簡稱有差系統。為了消除穩態誤差，在控制器中必須引入“積分項”。積分項對誤差取決于時間的解放、積分，隨著時間的增加，積分項會增大。這樣，即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩態誤差進一步減小，直到等于零。因此，比例+積分(PI)控制器，可以使系統在進入穩態后無穩態誤差。

3.3 微分D控制

在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關系。

自動控制系統在克服誤差的調節過程中可能會出現振蕩甚至失穩。其原因是由于存在有較大慣性組件（環節）或有后滯組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時，抑制誤差的作用就應該是零。這就是說，在控制器中僅引入“比例”項往往是不夠的，比例項的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項”，它能預測誤差變化的趨勢，這樣，具有比例+積分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負值，從而避免了被控量的嚴重超調。所以對有較大慣性或滯后的被控對象，比例+微分控制器能改善系統在調節過程中的動態特性。

圖1 控制系統框圖

4.控制系統設計

普通鍋爐的風機水泵一般都采用星三角控制，爐膛負壓及汽包水位等都靠人工通過執行器來調節風門和閥門的開度來調節，爐膛負壓、汽包水位及給水壓力等都不太穩定。而且，常規控制中，系統只是將各個回路作為單回路來控制，各個回路之間是相對獨立的，不能同時保證蒸汽壓力和蒸汽流量的穩定，對車間正常生產也沒有很好的保證。采用PLC與變頻器結合的控制系統，效果則完全不一樣。在該控制系統中，采用模糊控制技術，將鍋爐系統的各個回路都聯系在一起，只要其中一個參數發生變化，其它的參數會提前作出相應的變化。保證鍋爐的安全和穩定。

控制系統主要由可編程控制器(PLC)、變頻器、檢測儀表、繼電器等組成。統的結構如圖1所示。

系統中鍋爐狀況主要包括：汽包水位、蒸汽流量、蒸汽壓力、給水壓力、爐膛出口溫度、鼓風風壓、爐膛負壓、引風負壓等；檢測儀表主要包括：與鍋爐狀況相對應的傳感器、變送器、壓力表、熱電偶、熱電阻等檢測儀表；PLC主要包括：若干開關量輸入、輸出點和若干模擬量輸入、輸出點以及觸摸顯示屏等；變頻器包括鼓風、引風、爐排、給水等變頻器；風機、水泵包括與相應電機和風機、水泵等。

5.工藝流程控制

在控制系統中，由于車間蒸汽的使用鍋爐的狀況會發生變化，檢測儀表自動檢測各路流量、溫度、壓力等信號，輸入PLC經過運算、判斷、分析、處理后，發出各控制信號，控制鼓、引風機和爐排、水泵轉速，改變鼓、引風量，和給煤量，使爐膛負壓、汽包水位及蒸汽壓力控制在預定的范圍。這就是PID作用。

在系統中，首先發生變化的是蒸汽流量的變化，而蒸汽流量的變化會使蒸汽壓力發生變化，蒸汽壓力的變化同時會對汽包水位、爐膛負壓產生一定的影響。當系統檢測到蒸汽流量發生變化時，會在第一時間內作出一系列的參數的調整，以保證蒸汽流量變化后蒸汽壓力、爐膛負壓及其他參數的穩定。在該控制系統中，對安全方面也作出了比較全面的技術處理，對非重要參數做聲光報警，而對一些重要參數，如蒸汽壓力的過高、汽包水位的過高、汽包水位的過低、爐膛負壓的過高等，系統會依據參數的類型，作出相應的處理，當涉及到安全方面，如蒸汽壓力過高、汽包水位過高、汽包水位過低，系統會停爐并伴有聲光報警，當系統的安全參數解除時，系統會自動的切除停爐設定，恢復正常控制。

6.PLC結合變頻器控制的優點

該控制系統能自動地完成對給水、給煤、送風、引風等進出鍋爐的物料量的自動控制，使鍋爐的汽包水位、蒸汽壓力、蒸汽溫度、風煤配比系數、氣含量、爐膛負壓等維持在規定的最佳數值附近，以保證鍋爐的安全運行、平穩操作達到節約電能提高供汽質量的目的。

1)鼓風、引風、爐排及給水均實現軟啟動。

2)變頻調速系統能夠自動控制鍋爐的燃燒工況，在負載變化時結合PLC的控制保證鍋爐的最佳運行工況。

3)變頻調速系統保證在負載調節過程中，爐膛負壓恒定不變，而給煤量與供氧量隨負荷的變化自動控制在最佳值。

4)能夠自動根據車間熱量需求的變化，調節供熱量，實現精確供熱節能。

7.結束語

該控制在安全性要求極高的鍋爐系統中能夠穩定的運行，且故障率極低，極大的提高了系統的可靠性以及運行的穩定性。并且提高了用戶對鍋爐設備的管理水平，取得了良好的經濟效益。

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