變頻器與PLC在工業鍋爐給水系統上的應用

李達

摘 要：工業蒸汽鍋爐的過程控制系統包括汽包水位控制系統和燃燒過程控制系統，兩系統在鍋爐運行過程中互相耦合，所以控制起來非常困難。在此，我們暫不考慮系統間的耦合，只是對蒸汽鍋爐的給水系統進行變頻改造。

關鍵詞：變頻器；PLC；工業鍋爐；耦合；變頻改造

某企業業有2臺20T燃煤蒸汽鍋爐，如圖1所示。這2臺鍋爐通過1個給水母管分別給各自汽包供水，用汽量小的季節，2臺鍋爐只運行1臺，當用汽量較大時，則必須2臺鍋爐同時運行。由于給水泵額定功率為37kw，一般情況下，1臺鍋爐運行時，只開1臺給水泵裕量仍較大，而2臺鍋爐同時運行且用汽量較大時，只開1臺給水泵無法滿足需要，而開2臺給水泵后，相對單臺鍋爐運行時，裕量更大。由于2臺鍋爐分別由2套DCS系統控制各自的電動閥門調節各自汽包的給水量，運行中，閥門開度較小造成給水母管壓力較大，不僅浪費了大量的電能，較高的水壓還對管道、水泵葉輪和閥門造成損害。

1 變頻改造方案

基于系統運行現狀，本著既能節能降耗，又能控制簡便、安全且投資較少的原則，我們設計了1套1臺變頻器拖動3臺電機的方案。具體如圖2所示。

在本方案中，充分利用了鍋爐層有的DCS控制系統，同時增加了變頻器、可編程序控制器（PLC）和控制信號轉換裝置。

（1）硬件控制系統

a） 西門子MM430變頻器

MM430變頻器是西門子公司最新研制生產的一種適用于各種變速驅動應用場合的高性能變頻器（調試簡單、配置靈活），它具有最新的IGBT技術和高質量控制系統，完善的保護功能和較強的過載能力以及較寬的工作環境溫度，安裝接線方便，兩路可編程的隔離數字輸入、輸出接口以及模擬輸入、輸出接口等優點，使其配置靈活多樣，控制簡單方便，易于操作維護。

b） 西門子S7-200型PLC

西門子S7-200型PLC的優點是：可靠性高、抗干擾能力強，可直接安裝于工業現場而穩定可靠的工作。適應性強，應用靈活。

（2）當1臺鍋爐運行時

由于只開1臺給水泵，就足夠鍋爐汽包所需用水量，故此時，系統只對運行鍋爐的汽包水位進行恒液位控制即可。

將切換開關置于相應位置，通過鍋爐原有DCS控制系統中的手動操作器將控制該鍋爐汽包進水量的電動閥完全打開后，再通過控制信號轉換裝置切斷該控制信號，使原有控制回路斷開，電動閥保持全開狀態，同時，將該鍋爐汽包液位信號切入PLC，讓PLC將該鍋爐汽包液位信號進行PID運算處理后，再由控制信號轉換裝置，將PLC輸出的4～20mA模擬信號傳遞給變頻器，從而控制變頻器的輸出轉速。

在本控制過程中，關鍵的問題是過程參數PID （P：比例系數I：積分系數、D：微分系數）的整定。PID就是比例微積分控制，變頻器的PID控制方式有兩種情況：一種是變頻器內置的PID控制功能，給定信號通過變頻器的端子輸入，反饋信號也反饋給變頻器的控制端，在變頻器內部進行PID調節以改變輸出頻率；令一種外部的PID調節器將給定量與反饋量比較后輸出給變頻器，加到控制端子作為控制信號。

當兩臺鍋爐同進運行時，由于2臺鍋爐分別由兩套DCS系統控制，在運行過程，雖然蒸汽并網后壓力相同，但由于燃燒過程中存在不確定性，兩臺鍋爐汽包各自的液位就必然存在差異。因此，單臺鍋爐運行中所用的恒液位控制方案在此就不再適合。

當2臺鍋爐同時運行時，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，通過處理、比較后，得到二者的差值，再將此差值通過PID運算處理，輸出4～20mA的模擬信號給控制信號轉換裝置。

此方案由于存在閥門的調節，所以理論上不能最大限度的節能降耗，但實際應用中，由于減小了給水母管與蒸汽壓力之間的壓力差，使電動閥門的開度由原來的平均10%左右開大到75%左右，系統回水閥門關閉，仍大大節約了能源。

2 PLC

PLC是本系統的核心控制器件，它不僅辨識、處理各種運行狀態，進行系統間的邏輯運算和聯鎖保護，還對輸入的多個模擬信號進行處理、運算后，輸出標準的模擬信號控制變頻器的運行速度。

3 PLC與變頻器的連接方法

通常PLC可以通過以下三種途徑來控制變頻器

（1）利用PLC的模擬量輸出模塊控制變頻器。

（2）PLC通過通信接口控制變頻器。

（3）利用PLC的開關量輸入/輸出模塊變頻器。

4 注意事項

（1） 由于變頻器產生高次諧波，會對通訊產生干擾，同時由于PLC采集模擬信號，要進行A/D和D/A轉換處理，在此過程中，容易受到變頻器高次諧波的影響而失真。

（2） 本系統所需液位、壓力等模擬信號均采至鍋爐原有控制系統，為了不影響原控制系統的安全性與完整性，應將原有模擬信號通過隔離分路端子分路后采用。

（3） 鍋爐給水是鍋爐運行過程中至關重要的環節之一，其運行的穩定性與可靠性直接關系到整個鍋爐系統乃至整個企業生產運行的穩定與安全。

5 結束語

（1） 變頻調速是電氣傳動系統工程，而變頻器只是其中的一部分，變頻器容量、類型的選擇，電氣保護回路和控制回路的設計關系到變頻調速系統應用的可靠性、安全性和經濟性。

（2） 變頻調速系統是基于微電子、電力電子、計算機、自動控制和電機等技術上發展而來的，有其先進性，但也有其不足和缺點，如電磁干擾，高次諧波的寄生電容，以及低速運行時的電機溫升等。

（3） 變頻調速技術以其節能、環保、方便、工作效率高等優點，在現代企業中得到廣泛應用。若將其再與計算機技術有機的結合起來，實現資源共享，統一管理，則會進一步節能降耗，提高產品質量和生產穩定性。

參考文獻

[1]張萬忠 孫晉。可編程控制器入門與應用實例[M]。中國電力出版社

[2]孫振強。可編程控制器原理及應用教程。北京：清華大學出版社