变频器与PLC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

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60-70%，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20%-50%。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：

Q1/Q2=N1/N2 H1/H2=(N1/N2)2

P1/P2=(N1/N2)3

式中Q1、H1、P1为转速N1的流量、扬程、功率；Q2、H2、P2为转速N2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.PID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PID控制，又称PID调节。PID控制器问世至今已有近70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PID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PID控制技术。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、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(PI)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

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PLC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(PLC)、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；PLC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PLC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PID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.PLC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PLC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。

[1]黄正慧.过程控制系统工程设计[M].科学出版社,1996.

[2]刘立.流体力学泵与风机[M].中国电力出版社,2004.

[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,2010.

[4]李燕,王永.图解变频器应用[M].中国电力出版社,2009.