泵和风机偶合器调速控制系统中可编程序控制器的应用.pdf

第 2 2 卷 ， 总第 1 2 5 期 2 0 0 4 年 5 月 ， 第 3期 节 能 技 术 E NE R Y CO NS ER VAT【 ON T E C HNO1 0GY V0 1 ． 2 2． S u m ． No ． 1 2 5 Ma y． 2 0 0 4 ， N o． 3 泵和风机偶合器调速控制系统中可编程序控制器的应用 董泳。 唐守生。 闫国军 哈尔滨工业大学， 黑龙江 哈 尔滨 1 5 0 0 0 1 摘要 在泵和风机的液力偶合器调速 系统 中使用可变函数发生器可以消除因偶合器调节特性的非 线性引起的不稳定现象， 应用可编程序控制器 P L C 的可变函数发生器可靠性高、 操作方便、 适用性 广。 本文就可变函数发生器的 P L C实际应用进行 了分析介绍， 同时， 简述了现场调试的方法。 关键词 调速 型液力偶合 器； 可 变函数发 生器 ； 可编程序控 制器 中图分类号-“ T P 2 3 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 26 3 3 9 2 0 0 4 0 30 0 2 70 2 Ap p l i c a t i o n o f P r o g r mmn a b l e Co n t r o l l e r i n t h e S p e e d Co n t r o l S y s t e m b y Hu i d Co u p li n g f o r Pu mp s a n d Fa n s D O N G Y o n g ， T A N G S h o us h e n ， Y AN G u oj t i n H a r b i n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y ， H a r b i n 1 5 0 0 0 1 ， C h i n a Ab s t r a c t I n s p e e d c o n t r o l s y s t e m b y fl u i d c o u p l i n g f o r p um p s a n d f an s ， f u n c t i o n s g e n e r a t o r c a n a v o i d u n s t e a d y s t a t u s c a u s i n g b y n o n l i n e a rit y of r e g u l a t i n g c h a r a c t e r i s t i c s ． F u n c t i o n s g e n e r a t o r b a s e d o n P L C h a s h Ji g h rel i a bi l i t y ． b r o a d a p p l i - c a b i l i t y and e asy t o o p e r a t e． 3 “ h i s p a p e r ma k e an a n a l y s i s a b o u t h o w t o rea l i z e d f u n c t i o ns g e n e r a t o r b y P L C， and i n t r o - d u c e t h e me tho d for fi e l d d e b u g g i n g ． Ke y w o r d s v a r i a b l e s pee d fl u i d c o u p l i n g ， f unc t i o ns g e n e r a t o r ， p r o g r a m ma b l e c o n t r o l l e r P L C 1 调速型液 力偶 合器的调节特性 为了便于实现系统的节能化运 行， 且易于实现系统的 自动 化控制， 大功率风机和泵采用可调式液力偶合器传动 ， 在电站锅 炉给水泵 、 钢厂高炉煤粉排烟系统等领域具有广泛的应用 。 采用 偶合器调节的控制系统兼顾 动力传动及可 实现无级调速 的特 点， 是一种较 为成熟的旋转机械液力驱动技术。 但 由于偶合器本 身固有的动力特性 ， 使整个 系统在匹配工作时静态调节特性 有 严重的非线性 ， 运行中常常出现风机 或泵 转速波动现象。 工程实践 中用到的可调试液力偶合器大部分是活动勺管式 调速型液力偶合器 ， 通过调节勺管开度来 调节偶合 器的输 出特 性 。 这类偶合器的输出调节特性是指调节输 出量 涡轮转速 与 调节输入量 勺管开度 之间的变化关系。 文献[ 3 ]的分析表明， 用于调速系统中偶合器 ， 用相对量表示的 n 一 曲线如图 1 所示 。 图 1 中， 偶合器输入转速为额定值 ， 为勺管开度的相对值 相对 于总开度 ， n 表示涡轮输 出的相对转速 相对于额定转速 ， 曲线 1 是假定负载特性曲线通过偶合器设计工况点的调节特性 ， 负荷 减小时 ， 曲线 向着 2 的方 向变化 ， 负荷增大时， 曲线向着 3 的方向 变化。 但无论是哪种情况 ， 输 出转速较 大时， 偶合器调节特性 具 有严重的饱和性 ， 在高转速调节区间内， d n l d 变化较大 ， 导致系 统增益变化较大 ， 从而难以获得满意的控制效果。 从偶合器调速系统控制类 型来看 ， 闭环控制可 以实现较 为 收稿 日期2 O O 4 0 3 1 0 修订稿 日期2 0 0 4 0 5 1 2 作者简介 董泳 1 9 6 5 ， 硕士学位 ， 副教授， 主要从事流体机械及控 制工程方面的研究。 图 1 偶合器调节特性曲线 图 2 调速控制系统方框图 精确 的定值参数控制。 图 2所示的是常用 的风机 或泵 偶合器 闭环控制方框图。 以出 口压力控制为例 ， ， 是伺服放大器的控制 2 7 维普资讯 电流， 。 ， ， K 3 ， p是压力 ， 按照线性控制系统 的要求 ， 整个调节范围内 K 。 K 3 应为一定值或变化不 大 ， 以期获得较好 的控制效果。 从现行 的调节状况分析， 电动执 行机构具有 良好的线性特性 ， 泵和风机作为机械装置 ， 在实际调 速运行范围内 ， 变化幅度也不是很大 ， 因此对整个系统的稳定 性分析均归结到 的变化上 ， 如上述调节特性分析， 在系统 大范围调节时变化较大。 2 可变函数发生器作用原理 可变函数发生器则是针对偶合器调节特性 的非线性 而开发 的， 可以称之为一类非线性校正装置。 该装置提供 了另一非线性 环节串联在控制系统 中， 控制 电流经 函数发生器变换后再进入 伺服放大器。 为讨论方便起见 ， 进入伺服放大器的电流仍用 ， 表 示 ， 控制电流用 ， 。 表示 ， ， 、 ， 。 分别表示 ， 、 ， 。 与其最大值的百分数 表示 的相对量。 在图 3 所示的串入函数发生器的系统方框图中， 在数学关系上 d l ／ d l 。 ， K K 。 ， 采用合适的变换关系使 砭 1 或其它常数 ， 即可达到整个调节范围 砭 变 化不大或为一常量， 在软件编程中使 的变化与 砭变化互为反 函数 ， 即可达到线性调节的 目的。 图 3 接人函数发生器的系统方框图 在以相对量表示且具有相同比例尺的坐标图上 ， 7一 变化 曲线与 一7变化曲线对于以 1 为斜率的直线呈对称关系 ， 如图 4 所示 ， 在软件的实现上 ， 就是根据 一 一 I 变化关系设计 出与之互 为反函数关 系的 7一 变化曲线。 3 可变函数发生器的反函数插值处理 可变函数发生器的目的是根据输入发生器的电流， ． 大小输 出合适 的电流 ， 去驱动伺服放大器工作 ， 因此最简单 的思想是根 据现场调节得到的 n一， 曲线推出 ， 一， ． 变化曲线 ， 发生器内部 的算法就是判断输入电流， 的大小 ， 输 出 ， 一， 。 曲线中与 ， 。 对应 的 ， ， 但这种发生器 只能用于特定的调速控制系统 ， 当调速 系统 的 n一， 调节 曲线变化时 ， 要重新编制 ， 一， ． 变化曲线。 为此我们 采用 P L C系统实现较上述方法更通用的微机变换。 首先是利用 P L C 进行现场 n一， 曲线的获得。 对一个偶合器 调速系统来说 ， 偶合器的泵轮转速固定后 ， 将勺管开度全部打开 的电流 ， 一 及在此开度下涡轮最大转速 n 一 也是固定的， 令 △ ， ， 一／ Ⅳ， Ⅳ为开环给定驱动电流的点数 ， 按照不同的驱动电流 ， k A l k0～N 可以得到对应的涡轮转速 n ， 为了便于 P L C 编程及运算的方便 ， 令 ， ， ／ ， 一 ， nn ／ ll rra r t ， 按顺序放在P L C 的 相应存储单元中， 至此 ， 可获得现场的 n一， 关系曲线。 有了前面的准备工作 ， 就可 以将 P L C串接到控制系统中， 实 现可变函数发生器的作用 。 在图 4中， 以斜率为 1 的直线 为轴对 称的 a 点和 b 点是两个 同时出现的对应工况点 ， d l ／ d， 1 是 函 数发生器在该工况点的增益 ， d n ／ d 1 则是偶合器在该工况点 的增益 ， 由几何关系可知， d l ／ d， 1 。 d n ／ d 1 6 1 ， 其综合对 外显示的工况点则是 c点。 也就是说 ， 调速系统 的增益应该是按 点 n一， ． 曲线呈线性变化的。 由对各变量应用相对量表示的图4 可以看出， 对应同一 ， 值 的对应工况点 a 、 b 之间有关系， ．n ， 因而可变函数发生器的输 出量可求解如下 对输入电流相对化得到一个 ， 。 值， 然后用其与 已存储的 n 相比较 ， 判断， ． 处于哪两个 n 值之间 ， 对两个 n 值所 对应的 ， 值之间进行插值 。 以 Y 表示得到的Jr f 大小 ， 以 Y 。 、 Y 表示 2 8 两个相邻的 n 值， 、 表示与 Y l 、 Y 2 对应的 ， 值 ， 且满足 Y 。 ≤ Y ≤ Y ， 按线性插值求出与 y 对应的 即是要输 出的 值 ， 插值公式 为 y y 。 y 2 一 y l ‘ 程序初始化 设定lma x n ma x ， N 磷赫 负 载 固 有 特 性 采 集 工 作 调 用子程序 1 ， 调节 函数输 出 控制 信号 初 始 化 ， 清计 数 器 清数 据 存取 单元 调用子程序0 ， 控制 系统运行， 采集负载 固有特性 曲线 【 堕 室 J 图5 P L C 运行程序框图 4 P L C系统的构成及功能实现 在偶合器调速应用系统中采用 了 P L C作 为变换单元 ， 是一 个实用 的机电一体化 系统。 其 可在 线完成 系统 负载固有特性 曲 线的采集 、 函数发生器变换 、 系统 的有关 参数的模拟显示等功 能， 使 开环增益基本保持不 变， 从而使 系统 具有较 好的线性特 性 ， 消除 由于系统 静态特性 的严重非 线性 引起 的工作不稳定。 P L C应用系统主要构成为一台主机 西门子 C P U 2 2 2 、 一台 3 入 ／ l 出模拟量模块 西门子 E M2 3 5 ， 如图 6所示 。 应用程序采用模块化结构 ， 子程序 0 实现偶合器负载固有特 性 的采集 ， 在 开环 状 态下 ， P L C主控 单元 采 集按 照 ， I ， 一／ Ⅳ 0 、 1 、 2 、 ⋯Ⅳ 分配的执行器驱动电流以及各个电流对 应的涡轮输 出转速 n ， 相 对化处理得到偶 合器固有特性离散点 n ， l i ， 放在 P L C内部存储单元中用于反 函数 的插值处理 。 子程 序 1 则用于 固有非线性 的反 函数变换 ， 调用可变函数发生器功 能， 输出合适 的控制电流。 A ／ D l 开环电流采样； A ／ 涡轮转速采样； A ， D 3 被控模拟量采样 ； D ／ A 变换电流输出 图 6 P L C系统构成 由哈尔滨工业大学采用单片机开发的可变函数发生器 曾应 用在宝钢三号高炉 c系列煤粉排烟偶合器调速风机系统 中， 取 得 了较好的应用效果。 采用单片机实现反函数变换关系， 针对不 同的负载特性曲线 ， 须通过 固化不 同的调节特性 曲线来实现 ， 需 要 E P R O M存储 器的擦除 、 固化及 工作 电源等附加设备， 现场调 试多有不便。 随着科学技术的发展及工程 中控 制精度要求 的提 高 ， 应用 P L C 来实现 函数发 生器不仅操作 方便 、 精度 高， 且较单 片机具有适合工业现场的高可靠性。 系统采用 P R O M或掉电保 持数据寄存器， 可实现 自动记忆 固有非线性 曲线的功能 ， 通用性 广而灵活。 同时 P L C系统还具有 较高 的扩展 能力 ， 针对实际应 用 ， 可以实现对轴承工作温度 、 工作介质温度及供油压力等系统 重要参数的监控。 参考文献 [ 1 ] 李有义 ． 液力传动[ M] 、 哈尔滨 哈尔滨工业大学出版社， 2 O 0 0 、 6 、 [ 2 ] 董泳， 张辉， 等 ． 风机和泵偶合器调速控制系统使用可变函数发生 器的理论和实践[ J ] ． 流体机械， 1 9 9 8 ， 1 0 、 [ 3 ] 陆肇达， 等． 泵和风机实行液力偶合器调速运行的调节特性分析 [ J ] 、 流体工程， l 9 8 6 7 ． 维普资讯