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應(yīng)用設(shè)計(jì)

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艾默生工控產(chǎn)品在鍋爐溫度控制中的應(yīng)用

艾默生工控產(chǎn)品在鍋爐溫度控制中的應(yīng)用

2007/9/11 16:48:00
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)來加熱油溫的,通過油溫烤制饃片。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),通過一個(gè)溫度顯示報(bào)警儀表,來控制鼓風(fēng)的運(yùn)轉(zhuǎn);引風(fēng)則一直運(yùn)轉(zhuǎn),爐排通過滑差電機(jī)來調(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)母線電壓過高而停機(jī),因此,必須增長降速時(shí)間。同時(shí),停機(jī)也要求軟停車,能夠延長風(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,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。
2.1: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EC20編程軟件CONTROLSTAR中調(diào)用固有PID控制子程序來實(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、停車先停鼓風(fēng),鼓風(fēng)不停,引風(fēng)認(rèn)為不能停車;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)用軟件通過編程的方式實(shí)現(xiàn)。具體過程比較簡單,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(無積分)
MOV 0 D5 //微分增益(KD)范圍0~100[﹪],為0時(shí)無微分增益
MOV 0 D6 //微分時(shí)間(TD)范圍0~32767(×10ms),為0時(shí)無微分處理
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子公司的直接尋址方式(PIW或PQW),而是用TO(寫入)和FROM(讀出)指令。對(duì)于模擬量模塊,通過這兩條指令來進(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)
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)過運(yùn)行發(fā)現(xiàn)能夠滿足現(xiàn)場的生產(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)場生產(chǎn)的要求。經(jīng)過基本測算,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)過節(jié)約資金量估算,經(jīng)過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!

參考文獻(xiàn)
①艾默生公司EV2000系列通用變頻器 艾默生網(wǎng)絡(luò)能源有限公司
②新型PID控制及其應(yīng)用 機(jī)械工業(yè)出版社 陶永華
③EC20系統(tǒng)手冊(cè) 西門子公司自動(dòng)化與驅(qū)動(dòng)服務(wù)有限公司
④通用變頻器及其應(yīng)用 機(jī)械工業(yè)出版社 韓安榮
⑤電機(jī)拖動(dòng)與控制 西安電子科技大學(xué)出版社 劉保錄
⑥百特工控現(xiàn)場儀表選型手冊(cè) 福州福光百特自動(dòng)化設(shè)備有限公司
⑦EC20-4DA使用說明 艾默生網(wǎng)絡(luò)能源有限公司
⑧EC20-4AD使用說明 艾默生網(wǎng)絡(luò)能源有限公司
⑨艾默生公司SK系列高性能變頻器 艾默生網(wǎng)絡(luò)能源有限公司
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