变频器与PLC结合在普通锅炉风机水泵控制上的应用.pdf

⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一皇 研霾一 一 - 变频器与P L C结合在普通锅炉风机水泵控制上的应用 河北冀衡 集团药业有限公司 薛长坡 【 摘要】锅炉的主要用电设备就是风机、水泵。而普通锅炉均采用接触器、继电器控制，稳定性差，耗电大。为了保证蒸汽高产量、高效率生产，合理控制燃 烧，提高锅炉的热效率，采用P L c 与变频器结合的控制技术，进行了设备改造，控制系统的功能以及可靠性、安全性都达到了用户要求，各项技术指标都达到预期 的目标。 【 关键词 】P L C ；变频器 1 ． 引言 工 厂锅炉 的安全和供汽 压力 的稳定 是工厂安全生产的重要组成部分 。锅炉供 汽系统管道、阀门等的开、关来实现对生 产区各车间的正常供汽从而安全生产 的目 的。 我 国的 电动机 用 电量 占全 国用 电量 得 6 0 7 0 ％ ，风机、水泵设备年耗电量 占全国 电力消耗的1 ／ 3 。造成这种状况的主要原因 是风机 、水泵等设备传统的调速方法是 通过调节入 口或 出口的挡板、阀门开度来 调节给风量和给水量，其输出功率大量的 能源消耗在挡板 、阀门的截流过程中。而 锅炉的主要耗电设备就是风机 、水泵 。采 用变频器控制风机水泵能极大地改善锅炉 风压水压的稳定性，可根据风道、管道瞬 间压力变化， 自动调节 电机转速 ，使管网 主干出口端保持在恒 定的设定压力值 ，整 个 锅炉 系 统 始终 保 持 高效 节 能和 运行 在 最 佳 状态 。 2 ． 风机 、水泵变频调节原理 由于风机 、水泵类 大多为平 方转矩 负载 ，轴功率与转速成立方关系，所以当 风机、水泵转速下降时，消耗的功率也大 大下降，因此节能潜力非常大，最有效的 节能措施就是采用调速器来调节流量、风 量 ，应 用变 频器 节 电率 为2 0 ％ 一 5 0 ％。而 且通 常在设计中，用户 电机设计的容量 比实际 需要高出很多，存在 “ 大马拉小车 ”的现 象，效率底下，造成电能的大浪费。 根据流体力学知识和风机水泵 的相似 定律 ，变速前后流量、扬程、功率与转速 之间的关系为 Q 1 ／ Q 2 N1 ／ N 2 H 1 ／ H 2 N 1 ／ N 2 P 1 ／ P 2 N 1 ／ N 2 式中Q 1 、H 1 、P 1 为转速N 1 的流量、扬 程 、功率 ；Q 2 、H 2 、P 2 为转速N 2 的流量 、 扬程、功率 。由此可见，当风机水泵在变 负荷工作情况下，采用变频器调节电机转 速 时，轴功率随转速比的三次方关系进行 变化，节电效果明显。 3 ． P I D 调节的基本原理 在工程 实际中 ，应用 最为广泛 的调 节器控制规律为比例、积分、微分控制， 简称 P I D 控 制 ， 又称 P I D 调 节 。P I D 控 制 器 问世至今已有近7 O 年历史，它以其结构简 单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成 为工业控制 的主要技术之一。当被控对象 的结构和参数不能完全掌握，或得不到精 确的数学模型时，控制理论的其它技术难 以采用，系统控制器的结构和参数必须依 靠经验和现场调试来确定，这时应用P I D 控 制技术最为方便。即当我们不完全了解一 个系统和被控对象或不能通过有效的测量 手段来 获得系统参数时，最适合用P I D 控 制技术 。P I D 控制，实际中也有P I 和P D 控 制。P I D 控制器就是根据系统的误差，利用 设 计 的 电池 散热 装置 存 在 差 异 ， 电池 工 作 在不同的温度环境下，温度变化梯度较大 时 会影 响 到 单 电池对 称 性 ， 从而 影 响 电池 组性能。电动汽车行驶过程中，剧烈 的震 动会对极板固定、电池组的连接 电阻和 电 解 液流 动 等 产生 影 响 ，从 而影 响 电池 的使 用性能和寿命。 4对策与措施 4 ． 1 加强动力电池结构优化设计和新 材料的应用 提高动力 电池制造工艺水平 ，保证其 出厂质量，特别是初始 电压 的一致性是保 证 电池 性 能优 良的先 决 条件 ，同 一批 次生 产的电池在 出厂前，要对电池的各项技术 参数尤其是电压和内阻等进行参数相关性 分析，筛选相关性良好的电池，以此来保 证同批 电池性能尽可能一致 。而对于动力 电池 的结构设计、制造工艺和新材料的应 用一定要作为未来电动汽车发展的一个重 要课题来深入探讨和研究，只有动力 电池 的制造工艺、整体性能提升 了，电动汽车 的广泛发展才能够有坚实的基础 ，但这些 问题不能一蹴而就，而是要各方面的人才 不断进取才能取得长足的进步。 4 ． 2 加 强对 动 力 电池 散 热系 统 的优 化 设计 下面 以一较 为有 效 的 电池 散热 系统 优 化方案为例，以点带面地简要说 明对动力 电池散 热系 统的优 化 的重要 性 问题 。如 图 1 a 为优化前电池组的散热系统，分析后 发现，现有散热系统下电池组内的空气流 量不足，电池组 中的流动阻力过大，为此 通过数学建模和实践验证 ，对原有散热系 统提出了下三各优化方案 ，一是在电池组 尾 部 增加 冷 却风 扇 ； 二是 对 电池 组 中 的挡 板 结 构进 行 改进 ；三 是拓 宽 电池 间 的冷 却 风道宽度 ，具体情况如 图2 b 。改进后 的散热系统在实际应用 中表现 良好。因此 在动力电池的发展历程 中，我们要不断的 探索和研究，逐步改进散热系统的性能， 以使 电池组发挥更好的效能。 4 ． 3其他对策和措施 在电池组使用过程中要尽量避免不适当 的过量充电和过深放电问题，保证良好的运 行环境，避免水、尘土等污染电池极柱，同 时还要定期的检测单电池参数，及时发现 电 池组中但电池的不对称状况，并及时调整或 更换，决不能放任 电池组的不对称无限制的 增大 ，对于测 量 中容量偏低 的 电池 ，要及 时 的单独维修和充电，使其性能恢复。此外还 要组织科研人 员研制和开发 实用性强 的电池 组能量管理、均衡系统，对 电池组的充放电 过 程进行智能化管理 。 5 ． 结束语 研 究和讨论汽车用动力电池的影响因 素，可以在 电池的设计 、制造、使用、维 护过程中采取行之有效 的防范措施 ，以达 到尽可能改善动力 电池性能、延长 电池使 用寿命，最终实现节约能源和降本增效的 目的 。 参考文献 【 1 ] 王震坡， 孙逢春， 林程． 不一致性对动力电池组使用 寿命影响的分析Ⅱ ] ． 北京理工大学学报，2 0 0 6 ， 7 『2 ]2张红 润， 李军鸿． 铅酸 蓄电池使用 寿命影响 因素与 电池失效原因卟机电产品开发与创新，2 0 1 0 ， 9 ． 【 3 】 杨志 刚， 黄慎， 赵兰 萍． 电动汽车锂离子 电池 组散热 优化设计U J l计算机辅助工程，2 0 1 1 , 9 作者 简介林 明河 1 9 7 1 一 ，男 ，浙江象 山人， 大学本 科 ，工程 师，现 供职 于宁 波市 宁海县供 电 局，长期从事 电力行业工作。 ／2 0 1 2 0 9 1 电 子 世界 一3 7 I L． 皇王研霾⋯⋯⋯⋯⋯ ⋯⋯⋯⋯⋯． 比例 、积分 、微分计算 出控制量进行控制 的 。 3 ． 1比例P 控制 比例控制是一种最简单的控制方式。 其控制器 的输 出与输入 误差信号 比例 关 系。当仅有 比例控制时系统输 出存在稳态 误差 。 3 ． 2积 分I 控 制 在积分控 制中 ，控 制器的输 出与输 入误差信号的积分成正比关系。对一个 自 动控制系统 ，如果在进入稳态后存在稳态 误差则这个控制系统是有稳态误差的或简 称有差系统 。为了消除稳态误差，在控制 器中必须引入 “ 积分项”。积分项对误差 取决于时间的解放、积分，随着时间的增 加，积分 项会 增大 。这 样，即便误差 很 小，积分项也会随着时间的增加而加大， 它推动控制器的输 出增大使稳态误差进一 步减小，直到等于零 。因此，比例 积分 P I 控制器，可 以使系统在进入稳态后无 稳态误差。 3 ． 3微分D 控制 在微分控制 中，控制器 的输 出与输入 误差信号的微分 即误差的变化率成正 比关系 。 自动 控制系统 在克服误差 的调节过 程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是 由于存在有较大惯性组件 环节 或有后 滞组件 ，具有抑制误差的作用，其变化总 是落后于误差的变化 。解决的办法是使抑 制误差的作用的变化 “ 超前 ”，即在误差 接近零时，抑制误差 的作用就应该是零。 这 就 是 说 ，在控 制器 中仅 引入 “比例 ”项 往往是不够的，比例项的作用仅是放大误 差 的幅值 ，而 目前需要增加 的是 “ 微分 项”，它能预测误差变化的趋势，这样， 具有比例 积分的控制器，就能够提前使抑 制误差的控制作用等于零，甚至为负值， 从而避免了被控量的严重超调。所以对有 较大惯性或滞后的被控对象，比例 微分 控制器能改善系统在调节过程中的动态特 性 。 图1控制系统框图 一 3 8 一电 子 世 鼻 ／2 0 1 2 0 9 ／ 4 ． 控制系统设计 普通锅炉的风机水泵一般都采用星三 角控制，炉膛负压及汽包水位等都靠人工 通过执行器来调节风 门和 阀门的开度来调 节，炉膛负压、汽包水位及给水压力等都 不太稳定。而且，常规控制中，系统 只是 将各个回路作为单回路来控制，各个 回路 之间是相对独立的，不能 同时保证蒸汽压 力和蒸汽流量的稳定 ，对车间正常生产也 没有很好的保证 。采用P L C 与变频器结合的 控制系统，效果则完全不一样。在该控制 系统中，采用模糊控制技术，将锅炉系统 的各个 回路都联系在一起 ，只要其中一个 参数发生变化 ，其它的参数会提前作 出相 应的变化。保证锅炉的安全和稳定。 控制系统主要由可编程控制器 P L C 、 变频器、检测仪表、继电器等组成。统的 结构如图1 所示。 系统中锅炉状 况主要包括 汽 包水 位、蒸汽流量、蒸汽压力、给水压力、炉 膛出 口温度、鼓风风压、炉膛负压、引风 负压等；检测仪表主要包括与锅炉状况 相对应 的传感器、变送器 、压力表、热 电 偶 、热 电阻等检测仪表；P L C 主要包括 若干开关量输入 、输 出点和若干模拟量输 入 、输出点以及触摸显示屏等；变频器包 括鼓风、引风、炉排 、给水等变频器；风 机、水泵包括 与相应 电机和风 机、水泵 等 。 5 ． 工艺流程控制 在控制系统中，由于车间蒸汽的使用 锅炉的状况会发生变化，检测仪表 自动检 测各路流量、温度、压力等信号，输入P L C 经过运算、判断、分析、处理后，发 出各 控制信号，控制鼓、引风机和炉排、水泵 转速 ，改变鼓、引风量，和给煤量，使炉 膛负压、汽包水位及蒸汽压力控制在预定 的范围。这就是P I D 作用。 在系 统中，首先发生 变化 的是 蒸汽 流量的变化，而蒸汽流量 的变化会使蒸汽 压力发生变化 ，蒸汽压力的变化 同时会对 汽包水位、炉膛负压产生一定的影响。当 系统检测到蒸汽流量发生变化时，会在第 一 时间内作出一系列的参数的调整，以保 证蒸汽流量变化后蒸汽压力、炉膛负压及 其他参数的稳定。在该控制系统中，对安 全方面也作出了比较全面的技术处理，对 非重要参数做声光报警 ，而对一些重要参 数，如蒸汽压 力的过高 、汽包 水位 的过 高、汽包水位 的过低 、炉膛 负压的过高 等，系统会依据参数的类型，作出相应的 处理 ，当涉及到安全方面，如蒸汽压力过 高、汽包水位过高、汽包水位过低 ，系统 会停炉并伴有声光报警 ，当系统的安全参 数解除时，系统会 自动的切除停炉设定， 恢复正常控制。 6 ． P L O 结合变频器控制的优点 该控制系统能 自动地完成对给水 、给 煤、送风、引风等进出锅炉的物料量的 自 动控制，使锅炉的汽包水位、蒸汽压力、 蒸汽温度、风煤配 比系数、气含量、炉膛 负压等维持在规定的最佳数值附近 ，以保 证锅炉的安全运行、平稳操作达到节约电 能提高供汽质量的目的。 1 鼓风、引风、炉排及给水均实现软 启动 。 2 变频调速系统能够 自动控制锅炉的 燃烧工况，在负载变化时结合P L C 的控制保 证锅炉的最佳运行工况。 3 变频调速系统保证在负载调节过程 中，炉膛负压恒定不变，而给煤量与供氧 量随负荷的变化 自动控制在最佳值。 4 能够 自动根据 车间热量 需求 的变 化，调节供热量，实现精确供热节能。 7 ． 结束语 该控 制在安全性要求 极高 的锅 炉系 统中能够稳定的运行，且故障率极低 ，极 大的提高 了系统的可靠性 以及运行的稳定 性。并且提高了用户对锅炉设备的管理水 平，取得 了良好的经济效益。 参考文献 【1 1 黄正慧．过程控制系统工程设计 田 ． 科学出版社，1 9 9 6 ． f2 ] 刘立． 流体力学泵与风机 ． 中国电力出版 社， 2 0 0 4 ． f 3 ] 刘祖其． 电器控制与可编程控制器应用技术【 M】 ．机 械工业出版社，2 0 1 0 ． 嗍李燕， 王永． 图解变频器应用 冲 国电力出 版社, 2 O O 9 ． 作者简介薛长坡 1 9 7 4 一，河北饶阳人，大学 专科，助理工程师，现供职于河北冀蘅集团有限公 司 ，主要研究方向机 电。