PLC在净化烟道蝶阀电动执行器控制中的应用.pdf

P L C 在 净 化 烟 道 蝶 阀 电 动 执 行 器 控 制 中 的 应 用 摘要 简要阐述了利用 P L C开关量输 出控制离 心式锅炉 引风机蝶 阀电动执行器的开启方法 ， 并优化了控制精度 ， 很好地解决了实际问题 ， 提 高 了自动化程度。 关键词 P L C； 净化烟道蝶阀； 电动执行器 ； 控制 ； 应 用 中图分类号 T P 2 7 3 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 6 8 1 5 5 2 0 0 9 0 4 0 0 5 7 0 4 Th e Ap p l i c a t i o n o f PL C i n t h e Bu t t e r f l y Va l v e El e c t r ic Ac t u a t o r Co n t r o l l i n g Us e d t o Pu r i f y t h e Ch i mn e y F l u e Ab s t r a c t I t b ri e fl y i n t r o d u c e s t h e t u r n i n g o n me t h o d o f c e n t r i f u g a l b o i l e r f a n b u t t e r f l y a c t u a t o r c o n t r o l l e d b y PLC s wi t c h o u t p u t ．I t o p t i mi z e s t h e c o n t r o l l i n g p r e c i s i o n，S O l V e S t h e a c t u a l p r o b l e m a nd p r o mo t e s t he a ut o ma t i z a t i o n d e g r e e ． K e y w o r d s P L C ； p u fi i n g c h i mn e y fl u e b u t t e r f l y v a l v e ； e l e c t r i c a c t u a t o r ； c o n t r o l l i n g ； 印 p l i c a t i o n 曹志保 ／ 中国铝业青海分公司第三 电解厂 必须保证引风机烟道蝶 阀动作灵敏 、 准确 ， 严禁 出现风门关死或开得过大。 1 存在的 问题 我厂净化车间离心式锅炉引风机进 口烟道 蝶 阀的开启均采用 D I J型电动执行器 。其控制 电路存在 的问题 1 产品规格 品种较单一 ， 且 只有一种位移速度 ，不能满足一些复杂系统 的 要求 ； 2 制动器容易磨损 ， 电容击穿问题也较 大 ， 平均故 障间隔时间 MT B F 为 1 0 0 0 0 h左右 ； 3 没有力矩保护和行程开关 ，虽然电动机能 堵转 ， 但其转矩 或力矩 一 直施加在阀门或生 产设备上 ，使 阀门或生产设备容易受损而减少 使用寿命、 增加维修费用， 严重地影响电解车间 正常生产 ； 4 在机 械上 不能 自锁 ， 增加 了对 制 动器的可靠性要求等问题 。在此介绍 P L C开关 量输 出控制电动执行器的方法 ，可有效地解决 传统控制方式存在 的问题 。 O 引言 2 P L C诊断机 电设备故障的基本原理 离心式锅炉 引风机是 电解厂净化车间的关 键设备。 主要承担电解车问厂房的烟气净化 。 电 解车间烟气净化风量 的大小是 由引风机 烟道蝶 阀的开启度来控 制的，烟道蝶 阀的调整值过大 会使能源浪费 ，调整值长期过大会将 电解槽 的 高温烟气带人袋 滤室 内， 烧坏布袋 ， 影响净化效 果 ；烟道蝶阀的调整值过小影响到电解 车间的 净化效果 ，净化效果的好坏直接影响电解生产 工人的身体健康 。因此 ， 要求系统运行过程 中 ， 收稿 日期 2 0 0 9 0 1 2 7 大通 市8 1 0 1 0 8 机电设备的故 障信号有开关量和模拟量 之 分 ， P L C采用不 同的方法对这两 种信号对应 的 故障进行诊断。 2 ． 1 基于开关量信号的故障诊断 P L C对开关量信号的识别是通过其 开关量 输入模块完成的。 P L C控制机 电设 备时 ，设备 中的压力 、 温 度 、 液位 、 行程开关及操作按钮 等开关量传感器 曼 燃让 篡 廛 周 2 0 O 9 年 第 4 期 圣 型 与 P L C的输入端子相连 ，每个输人端子在 P L C 的数据区中分配有一个“ 位” ， 每个“ 位” 在 内存 中为一个地址。输入 “ 位” 的工作原理 ， 见图 1 。 图中 I N为开关量输入 ， C O M为信号公共端。I N 为 O N时 ， 光敏三级管饱和导通 ， 否则截止 。故 P L C的内部 电路可以“ 感知 ” 开关 信号的有无 。 读取 P L C输人位的状态值可作为识别开关量故 障信号的根据。 诊断开关量故障的过程 ， 实质就 是将 P L C正常的输入位状态值与相应 的输人位 的实际状态值相比较的过程。如果二者 比较的 结果是一致的， 则表明机电设备处于正常工况 ， 不一致则表明对应输入位的设备部位处于故障 工况 。这就是 P L C诊断基于开关量信号故障的 基本 原理 。 图 1 P L C输入位 电路原理 图 这种诊断方法 ， 故障定位准确 ， 可进行实时 在线诊断。 通过 P L C的梯形图编程， 还可将故障 诊断融入过程控制， 达到保护机电设备的目的。 2 ． 2 基于模拟量信号的故障诊断 P L C对模拟量信号的识别是通过 P L C的模 拟量输入输出模块来完成 的。模拟量输入输 出 模块采用 A ／ D转换原理 ，输人端接收来 自传感 器或信号发生器的模拟信号，输 出端输 出的模 拟信号作用于 P L C的控制对象 。 P L C诊断模拟量故 障的过程 ，实质就是将 在相应 A ／ D通道读到的监测信号 的模拟量的实 际值与系统允许的极限值相 比较的过程。如果 比较的结果是实际值远离极 限值 ，则表明机电 设备对应的受监控部位处于正常状态 ，如果实 际值接近或达到极限值 ， 则为不正常状态。 判断 故障发生与否的极限值根据实际系统相应的参 数变化范围确定，利用 P L C上的模拟量设定开 关可精确设置该极限值。 当模拟量的实际值达到模拟量设定 开关的 设定值 ， P L C还能按照一定的逻辑关 系启动开 关量模块上的输出位 ，或者从 P L C的通讯 口主 一 5 8 一 动发起通讯 ， 从而输出故障诊断的结果 ， 并据此 实现对机 电设备的控制 。 2 ． 3 基于中断方式的故障诊断 P L C的中断方式有 1 输入 中断开关量模 块的输人位 由 O F F变为 O N时， 由 P L C的 C P U执行的中断 ； 2 间隔定时器 中断 由一定精度的间 隔定时器启动执行的中断 ； 3 高速计数器中断根据 P L C内装的 高速计数器的当前值执行的中断。 其 中，输入中断特别适合于机 电设备的故 障诊断。 它对应于工业计算机的硬中断， 属于外 部中断 ， 但 P L C的输人中断可用 P L C的外部指 令来屏蔽。 将机电设备的故障信号作为 P L C的输入 中 断源 ， 一旦 出现故障信号 ， C P U立即响应 ， 停止 正在执行的程序 ， 转到中断子程序 中去 ， 即可方 便地对故障进行处理 。它与直接利用 P L C的内 部逻辑完成故障诊断的不 同之处在于 采用输 入 中断处理故障时 ，可停止 P L C主程序 的执行 过程，而直接利用 P L C的输入和内部逻辑处理 故障时 ， P L C的主程序仍处于运行状态。因此 ， 要根据故障对机电设备的影响程度选择合适的 故障诊断方式。P L C的输入 中断方式对后果严 重 的突发故障的处理特别有用。 P L C的开关量输入模块可用作为开关量故 障信号的输人装置 ，模拟量输入模块可用作为 模拟量故障信号的输入装置。这两种模块均能 方便地实现对设备 的在线监测。 P L C的输 出模块可直接驱动故障诊断系统 的输出模块 。 其中， 输出端子可用来控制声光报 警装置和受控机电设备的运行过程 ，显示屏可 作为人机界面使用。 3 P L C控制执行器原理 P L C控制执行 器的执行机构 正反 向动作 ， 是通 过改变执行 器 电机所外 加 电源相序决定 的。控制执行器电机的是开关信号 ，故直接 由 P L C对电动机执行器进行控制。利用开关量输 出和执行器的位置反馈信号配合编程 即可实现 对电动执行器的控制 ，通过软件编程方便地改 变执行器的动作方式， 满足工艺和控制的要求， 见图 2 图 2 P L C控制原理框图 4现 场 应 用 电动执行器及电动蝶阀布置见图 3 ， 每个系 统有两套净化系统 ，电动执行器直接担负净化 风机蝶 阀控制 ，其 动作命令完全 由 P L C程序来 完成 ，其开度大小完全 由压力传感器检测并 由 P L C进行调节控制 。 控制 1台执行器 ， 需 占用 P L C 1 个模拟量输 入通道用于采集执行器位置反馈信号 ， 2 个开 关量输 出通道用于输 出控制执行器电动正反转 信号。 娴 漕 1 输入执行器位置反馈信号利用原执行 器 与 伺 服 放 大 器 配 套 使 用 的反 馈 模 块 ； 0 ～1 0 m A 、 4 2 0 mA输 出均可， 用 P L C模拟量输 入通道应根据信号类型调整计算机模板 中的跳 线 ，考虑到位置反馈信号作为调节执行器动作 的依据 ， 应在输入通道初始化时 ， 尽量缩短采样 周期和死区范 围， 提高控制精度。 2 输出开关量输 出通道最大允许通过电流 为 2 A， 考虑到现场实际情况， 风门机械故障较多 ， 容易卡死， 造成执行器堵转 ， 电机电流过大， 不能用 P L C的开关量输出直接控制执行器电机， 在执行器 和开关量输出通道之间加装了 2 个接触器 ， 开关量 输出只驱动接触器 ， 电流很小 ， 与外界隔离 ， 不易 损 坏 ， 而接触器触点容量大 ， 性 能可靠 ， 起到 了 “ 放大” 和“ 隔离” 的作用 。 烟 j 首 图 3 电动执 行器及及 电动蝶 阀布置 图 3 开关量输 出模拟 的公共端接电源的火 线 ， 开关量输出接触器线圈的一端 ， 线圈的另一 端接电源的零线 ， 接触器触点的一端接电源的火 线和零线， 触点 的另一端接执行器的正转或反转 接线端子。当控制执行器动作的命令发出后 ， 相 应的开关输出通道与公共端接通 ， 输 出 2 2 0 V A C， 执行器执行正转或反转。 4 执行器控制程序 包括 3部分 ， 程序框 图见 图 4 。 ① 信号采样 根据执行器位置反馈信号类 型设 置相应通道类型 ，初始化通道设置采样方 式 、 采样时间 、 指定信号存放地址。 器 ② 信号处理及输 出根据位置反馈信号 和 位置给定值的偏差 ， 控制执行器的正反转 。 由于 执行器电机动作的惯性和测量的滞后 ，控制程 序 中设置死 区范围 ，以防止执行器动作频繁甚 至产生振荡。当位置反馈小 于给定值偏差大于 设定的死 区范围 ，控制执行器正转的开关量输 出通道接通输出 2 2 0 V A C， 接触器正转 ， 随着执 行器的运动 ， 位置反馈信号逐渐增大 ； 当偏差小 于设定的死 区值时 ， 停止送 电， 而执行器的电机 由于惯性 和测量的滞后 ， 偏差还会进一步缩小 ， 反之亦然 。 ③ 特殊情况处理 程序设置手动 、 自动两种 一 5 9 。 苴 2 0 o 9 年 第 4 期j0 ． I 日 笪 方式 ， 程序 自动判断位置反馈信号是否正确 ， 位 上接 第 2 2页 图 4 程序框图 处才有明显分离， 但落后角却很大， 滑移系数较 小 ， 导致出 口环量小 ， 加功量明显不足 ； 均匀加 载和中间加载的滑移系数 比前加载稍小 ，但明 显大于后加载 ， 因而做功能力较强 ， 同时叶片间 的气体流动也 比较均匀稳定 ， 损失小， 所以兼具 了前加载和后加载的优点 ，是比较理想 的加载 方式 。 从图 3和图 4的比较看到 ，均匀加载时流 场分布更加均匀 ，但中间加载时流道 内的低速 粘滞区更小 ，关 于这两种加载方式 的进一步 比 较还需要作深入的研究 。 3 结论 1 运用 f o r t r a n语 言[9 1 实现 了二维不可压 S I M P L E C算法，并以此研究了离心叶轮几种典 型加载规律的加功性能 ，其结论仅适用于转速 较低的离心叶轮 ； 2 对于高转速叶轮的研究需要用到可压缩 模型 ， 有待进一步研究 ； 一 6 O 一 置反馈故障一般有两种情况 a 反馈模块损 坏、 信号线路故障， 表现为反馈信号显示最大、 最小 ； b 执行器外带风门卡死 ， 造成执行器 电 机堵转。 出现问题， 报警， 判断当前操作方式， 如 果为 自动方式 ， 自动切换为手动方式 ， 执行器停 留在当前位置 ， 可防止执行器误动作 。 手动方式 由人工控制器的开关与反馈无关 ，切换为手动 方式后 ， 应及时处理故障。 5 效果分析 1 该方法接线简单 、 中间环节少 、 故障率 低 、 运行安全可靠 ， 提高了设备运转率。 2 维护简单 、 方便 。 3 由于采用 P L C程序控 制 ， 可灵活改变 输出控制特性 ，适应离心锅炉引风机特性 的变 化 ， 提高了调节系统 的控制质量。 3 计算表明， 均匀加载和中间加载由于气 流稳定， 做功能力强， 综合性能优于前加载和后 加载 ， 更适合做离心叶轮 。 参 考 文 献 [ 1 ] 徐忠． 离心式压缩机原理[ M] ． 西安交通大学出版社 ， 2 0 0 7 ． 2 ， [ 2 ] 陶文铨．数值传热学[ M] ． 2 版． 西安交通大学出版社， 2 0 0 1 ． 5 ． [ 3 j J o h n D ． A n d e r s o n ， J R ． 计算流体力学入门[ M] ． 清华大学出版 社 ． 2 0 0 2 ， 4 ， [ 4 ] 张兆顺， 崔桂香．流体力学[ M] ． 清华大学出版社， 1 9 9 9 ． 2 ． [ 5 ] 连洁． 跨音速平面叶栅湍流流场数值计算方法的研究[ D ] ． 西北工业 大学 硕士学位论文 ， 2 0 0 6 ． [ 6 ] R h i e C M， C h o w W L ， A n u m e r i c a l s t u d y o f t h e t u r b u l e n t fl o w p a s t a n a i r f o i l wi t h t r a i l i n g e d g e s e p e r a t i o n ，AI AAJ ，1 9 8 3 ． 2 1 l 5 2 5 1 53 2． [ 7 ] 秦玉兵， 苏莫明， 李泰勋， 等． 控制加载规律下的离心压缩机 叶轮设计方法及数值模拟[ J ] ． 风机技术， 2 0 o 7 6 3 6 3 9 ． [ 8 ] 李信真， 车刚明， 欧阳洁， 等． 计算方法[ M] ． 西北工业大学出 版社 ， 2 0 0 0 ． 8 ． [ 9 ] 谭浩强， 田淑清． F O R T R A N 语言[ M ] ．清华大学出版社， 1 9 9 9 ．3 ．