變頻器和PLC在工業鍋爐給水系統上的應用

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。
關鍵字：變頻器，工業鍋爐，給水系統，節能

1、引言

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。

某有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

圖1 給水原理圖

2、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

圖2 控制原理圖

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，關鍵的是過程參數PID （P:比例系數I:積分系數、D:微分系數）的整定。由于工業鍋爐運行過程中，用汽量的多小和蒸汽壓力的大小，決定了給水流量的大小和給水壓力的大小。為了保證系統的相對穩定運行，不出現大的波動，對生產造成，在調試過程中，應多次反復調整PID參數，直至出現最佳控制過程。

（3） 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。通過給水原理圖（圖1）我們不難發現，要對2臺鍋爐汽包的液位分別控制，最理想的方案是將1個給水母管向2臺鍋爐給水的現狀徹底改變，將給水系統分開，使每個鍋爐都有自己獨立的給水系統，再在此基礎上加裝變頻控制，由1臺變頻器單獨控制1臺鍋爐的給水。但此方案不僅改動較大，投資較高，且要停產改造，顯然是行不通的。為了能在不改變原有系統現狀的前提下，更好的利用變頻裝置，節能降耗，減小系統運行，維護費用，提高原有系統的自動化程度，我們針對該企業2臺鍋爐的運行特點，設計了一套專用于2臺（或2臺以上）鍋爐同時運行時的控制方案，即:蒸汽壓力和母管給水壓力的恒壓差控制方案。

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。再由該裝置將信號傳輸給變頻器，從而控制變頻器的運行速度。這樣雖然可以保證給水母管壓力始終高于鍋爐蒸汽壓力（壓力差的大小可以通過PLC在一定范圍內任意調節），但鍋爐各自汽包的液位卻無法再通過調節變頻器的轉速去控制。在此，我們充分利用了原有給水控制裝置，即汽包各自的進水電動閥門。仍由鍋爐原有DCS控制系統采集各自汽包的液位，蒸汽壓力，給水壓力和給水流量等信號，去相應的調整進水電動閥的開度，從而控制各汽泡液位和進水流量。

此方案由于存在閥門的調節，所以上不能最大限度的節能降耗，但實際中，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。且本方案充分考慮了系統運行的安全性，一旦變頻器故障，系統可立即自動由變頻運行狀態切換至原有工頻運行狀態，完全恢復改造前的運行狀態，保證鍋爐正常運行。變頻故障解除后，仍可方便的手動切換為變頻狀態，使變頻器方便的投入運行，且不鍋爐的運行。

3、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。主程序結構較復雜，其中，對液位信號進行PID運算的子程序，原理圖和程序框圖如圖3、圖4所示。

圖3 PID原理圖

圖4 程序流程框圖

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。因此，必須將變頻器零地分接且加裝液波裝置，對PLC用隔離變壓器供電，最好將PLC安裝于距離變頻器較遠的位置上。

（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生產運行的穩定與安全。因此，一旦變頻器出現故障而停車后，系統可自動切換至原有工頻控制系統而不影響生產，這一聯鎖措施至關重要。

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、安全性和性。

（2） 變頻調速系統是基于微、電力電子、機、自動控制和電機等技術上而來的，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