材料濃縮技術溫度測控方法的研究

吳和保,柯 超,竺東杰

武漢工程大學機電工程學院,湖北 武漢 430205

0 引 言

機械蒸汽再壓縮蒸發技術是可以循環利用自身產生二次蒸汽能量的蒸發工藝，這種工藝可以節約能源和降低勞動力，在各個行業得到了廣泛運用.但目前MVR系統對二次蒸汽進行壓縮加熱時會浪費大量電能，且對蒸汽溫度控制精度低，人機信息無法實時交換， MVR系統的自動化運行難以實現.

溫度控制系統運用PID閉環反饋調節系統與變頻器對蒸汽溫度進行實時調控.通過對控制要求的分析，采用組態軟件和PLC控制器搭建一個可以進行人機信息交換的溫度控制系統，由溫度采集裝置采集溫度值傳送至控制系統進行分析比較運算實現了對蒸汽溫度的精確控制，且系統運行狀態可以在溫度控制面板上進行實時監控，能夠讓操作人員對系統實時運轉狀況了解更加準確.

1 系統方案

系統主要包括西門子PLC S7-200控制器、變頻器、羅茨風機、電機、溫度傳感器等部分[1].由溫度傳感器Pt100檢測管道內蒸汽的溫度，溫度值經EM235模塊傳送至PLC,再由PLC內部的PID指令模塊對溫度值進行比對運算并輸出電壓信號對變頻器進行控制，完成對羅茨風機的控制.控制系統結構圖如圖1所示.

由于換熱器內料液溫度需要達到60 ℃才能進行濃縮，所以需要蒸汽對料液進行加熱.通過壓縮機對二次蒸汽進行壓縮加熱到60 ℃才能達到換熱的效果.當管道內溫度低于60 ℃時，通過PLC內部PID指令進行比對運算，把運算結果傳輸到變頻器內，變頻器根據輸入的模擬量，增大交流電頻率，從而提高電動機的轉速.如果管道內溫度高于60 ℃，則變頻器根據PID的輸出結果降低交流電的頻率從而降低電動機的轉速.在PID指令模塊中，將交流電頻率50 Hz對應到數字量32 000，當變頻器輸出頻率為50 Hz時，說明電動機進入工頻運轉.通過PLC對變頻器的控制，可以實現電動機的無級調速，并能對現場進行遠程操控.

圖1 控制系統結構圖

2 閉環反饋調節控制系統

在本次MVR二次蒸汽控制系統中主要運用PID閉環反饋調節控制系統進行控制，如圖2所示.

圖2 溫度控制系統結構圖

控制部分選取西門子S7-200CPU224XP 作為控制器，擴展一塊西門子EM235模塊用作數模轉換.在換熱器的進氣口處安裝一個Pt100鉑熱電阻傳感器，傳感器檢測到溫度信號后傳送至EM235模塊進行數模轉換.在PLC程序中編寫了子程序讀取寄存器里的溫度值，按照標準轉換公式轉換成標準數字量[2]，送至PID指令模塊進行偏差運算，反饋輸出.

本系統的偏差由溫度設定值和溫度采集值的差值構成.

e(t)=r(t)-c(t)

(1)

系統偏差通過PID反饋調節進行調控，其控制規律為

(2)

根據一般經驗公式可以建立PID閉環反饋調節傳遞函數為

(3)

并用MATLAB進行調試仿真，建立溫度控制仿真系統框圖，如圖3所示.

圖3 溫度控制仿真系統框圖

在仿真系統中，先給一個階躍信號并設置參數，添加一個PID Controller 模塊，并設置比例、積分、微分各個參數大小，在PID指令模塊中設置比例系數為60，積分系數為10，微分系數為0.得出經PID整定后的波形圖，如圖4所示.

圖4 PID整定波形圖

在仿真波形圖中可以看出，當曲線在縱坐標數值較小時一直處于上升狀態，當上升到頂峰時開始下降，在中間某一值時處于平衡狀態，說明PID閉環反饋調節系統可以將輸出值穩定在設定值附近.得出結論：本次溫度控制仿真系統非常符合MVR溫度自動調節控制系統的要求，能夠實現對二次蒸汽溫度的實時調控.

3 系統程序設計

控制程序主要分為溫度控制主程序、子程序和中斷子程序.在主程序中對控制點進行初始化，如圖5所示，在主程序中設置一個溫度節點，本系統以60 ℃為溫度節點，并運用PID模塊對溫度進行調節；管道內蒸汽溫度高于60 ℃時，M2.0線圈閉合啟動PID指令模塊進行溫度調控，如圖6所示.子程序用來對溫度值與模擬信號進行標度轉換，如圖7所示.實際溫度T和輸入的數字量D通過數值運算進行轉換，轉換公式為

(4)

圖5 程序初始化

圖6 控溫程序

圖7 子程序

4 變頻器設計

變頻器在整個溫度控制系統中用來改變電機的轉速從而改變蒸汽的溫度值，電機的調速采用交流異步電動機拖動，其轉速為

(5)

式(5)中，n為轉速；p為電動機的磁極對數；f為電源頻率；s為轉差率.在現實中一般是將電網中的交流電通過變頻器轉換為電壓和頻率均為可變的交流電之后，供給電動機，使電機的轉速可調[3].

變頻器型號的選擇主要考慮變頻器的電壓、電流以及容量的大小，在電動機的運行過程中，變頻器的額定電流必須大于電動機可能出現的最大電流[4]，即

IN≥IMMax

(6)

變頻器的容量要與電動機的容量匹配，變頻器在連續恒定負載下所要達到的容量計算公式如下：

(7)

(8)

變頻器的容量在工作時必須滿足以上兩公式.在本溫度調控系統中選用的是Y200M-4電機，電機的額定功率是55 kW，額定電壓是380 V，額定電流是110 A,電流波形的修正整形系數k取1.1，電動機的效率η取0.85，電動機的功率因數cosφ取0.75.通過計算可得，PCN≥95 kW，IN≥120 A，根據變頻器額定功率的取值范圍和額定電流的取值范圍，選取西門子MM440 F型系列，型號為 6SE6440-2UD41-1FB1的變頻器作為控制元件[5].

5 控制界面的設計及系統調試

溫度控制系統的界面采用北京昆侖通態的MCGS嵌入版組態軟件進行設計.在組態軟件的用戶窗口添加控制面板所需的控件，對各控件的屬性進行設置.界面圖形繪制完成后，對控制系統進行調試，用通訊電纜連接PC機和PLC控制器，在STEP7-Micro/WIN中的通信設置欄設置PLC的各個通訊參數并將組態軟件中的控件與PLC程序進行通道連接.下載工程并進入運行環境，啟動MVR溫度控制系統，在控制面板中設置溫度值，點擊啟動加熱鍵，進行在線調試[6],如圖8所示.

圖8 溫度控制面板

6 結 語

MVR溫度控制系統主要運用了PID指令模塊對變頻器的控制來實現管道內溫度的調控[7]，用MATLAB軟件對PID閉環反饋調節系統進行模擬，從曲線可以看出本系統是可以實現溫度的實時調控.通過組態軟件設計MVR溫度控制面板，通過溫度控制面板對管道內的蒸汽溫度進行實時監控，對解決人機信息交換困難和能源浪費的難題進行了有益的探索.

致 謝

在系統開發的過程中,對于武漢紐威制藥機械有限公司提供的實驗和現場測試工作的幫助,在此表示衷心的感謝！

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