DCS系统结合变频调速应用实例

郭凯健

摘 要：DCS系统（DIstributed Control System）是一个融计算机、网络、数据库、信息技术和自动控制技术为一体的工业控制系统。变频器是利用电力半导体器件的通断作用把电压、频率固定不变的交流电变成电压、频率都可调的交流电源，现在使用的变频器主要采用交—直—交方式（VVVF变频或矢量控制变频），实现对交流电机的平滑调速。DCS系统与变频器结合能构成一个稳定性高、跟踪准确、系统响应快速、性能优异的自动调速系统。文章介绍我们运用此项技术对负压风机进行技术改进的过程。

关键词：DCS；PID组态；变频调速；自动控制

中图分类号：TH445 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）05-0036-02

1 DCS系统结合变频调速运行的原理

目前大型工业锅炉自动控制使用的DCS系统能够在线实时采集过程参数，实时对系统信息进行加工处理，结果能迅速反馈给系统，完成自动调节和控制。组态软件系统中各功能块的组合可精确实现偏差运算、PID运算、调节器等功能，与变频调速装置及压力测量反馈配合能构成高稳定性的闭环控制系统，可实现跟踪负荷的变化，根据目标值自动调节变频器的运行频率给定值。

2 DCS系统控制变频风机恒压运行方案的设计

2.1 控制对象

灰库，容积300 m3，由于储存的物料为粉状物，因此要求库内压力维持在-800 Pa左右的负压，以利于输送管道里的物料顺利进入。

2.2 执行机构

调速变频器及负压风机电机，变频器选用ABB ACS 800—04P—0025—3+P901适配通用电机，功率25 kW额定电流49 A。一般用于连续运行的变频器容量的选择基本方法是，变频器额定输出电流约等于1.03倍电机的额定电流。 电机功率 22 kW，额定电流：42.2 A。

2.3 传感器

压力变送器（PT），选用罗丝蒙特3051型-1.5～1.5 kPa，用于检测灰库压力，将压力信号变换成4～20 mA的标准电流信号反馈给DCS系统的Dev模块。

3 DCS系统组态的设计

DCS系统能对实时数据处理并输出测点的节点称为DPU，DPU可用类似CAD方式的图形组态工具进行组态，组态针对一个DPU进行，组态内容包括DPU内部的控制策略，内部点与I/O卡及端子板等硬件的对应关系及内部点与全局点之间的对应关系等。

3.1 控制外部设备和测点信号采集

系统控制外部设备和测点信号反馈、采集等都必须由端子板硬件模块I/O板来完成，根据信号的不同性质选择相对应的端子模块。如启动信号反馈，远方/就地等属于开关量输入信号，应选用开关量输入端子模块即DI板，用于变频启/停信号是属于开关量输出信号，相应选用开关量输出端子模块，即DO板。

3.2 DPU组态功能模块设置

DPU是DCS的一种功能，而并不具体到什么硬件，可以通过I/O驱动与不同的I/O硬件连接，本项目的DPU组态思路。变频器的启动，模块中的Out 1点是风机启动停止指令输出点。

3.3 变频自动控制DCS逻辑图

变频器的频率给定控制是按照闭环控制系统（closed-loop control system），如图1所示。

如图所示，变频器运行频率的给定有两种方式，手动及自动控制方式，并且手自动的切换实行无扰切换。由AO摸块模拟量页间输入模块37引用，通过AO板端子输出4～20 mA电流信号作为变频器频率给定，控制变频器运行。

变频器运行频率的给定有两种方式，手动及自动控制方式，并且手自动的切换实行无扰切换。图中灰库风压给定和灰库风压反馈两个值分别送入Dev（偏差运算模块）的X1、X2输入点，Dev模块将两个值进行比较求出偏差，其偏差值由Y点送出至Epid（PID运算模块）的E点输入，Epid模块中TR点是被跟踪量设置、Kp点是放大系数设定、Ti是积分时间设置、Td是微分设置。

以上几个参数是根据厂家推荐的经验值结合凑试法得出的参数设置。凑试时先调比例系数，将参数由小变大并观察系统响应，直到得到反应快，超调小的响应曲线。

在调整积分时，先将积分设定在一个较大的值，然后略为调小比例系数，再减少积分时间，使系统得到良好的动态响应，且静差得到消除。

以上调整已能满足要求，微分可不须调整设置为0。偏差信号经Epid模块运算后由Y点送出至ES/MA（模拟软手操器摸块）的X点，M/A站输入，作为模拟软手操器的自动调节信号。SP点是负压给定值打包控制点输出，信息送至模拟量上网模块31供实时网共享，其信息被Dev模块的X1点灰库风压给定引用。ES/MA模块的FB点是变频频率反馈，S点是手动自动无扰切换点，Y点是M/A站输出，属于被控量输出，送至模拟量页间输出模块37。

由AO摸块模拟量页间输入模块37引用，通过AO板端子输出4～20 mA电流信号作为变频器频率给定，控制变频器运行。 4 变频器的选择

4.1 现在较常用的交流调速传动

主要是指采用电子式电力变换器对交流电动机的变频调速传动，即变频调速。交流调速传动控制技术是电力电子器件IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor），包括半控型和全控型器件的制造技术、基于电力电子电路的电力变换技术、交流电动机的矢量变换控制技术、直接转矩控制技术、PWM（Pulse Width Modulation）技术以及以微型计算机和大规模集成电路为基础的全数字化控制技术等。

4.2 交-直-交变频器

变频器是利用交流电动机的同步转速随电机定子电压频率变化而变化的特性而实现电动机调速运行的装置，先把工频交流电通过整流器变成直流电，然后再把直流电变换成频率、电压均可控制的交流电，它又称为间接式变频器。本课题中所用变频器即为交-直-交变频器。

4.3 交-直-交变频器其基本构

由主电路（包括整流器、中间直流环节）和控制电路组成，各部分作用如下所述。

4.3.1 整流器

电网侧的变流器，是整流器，它的作用是把三相（或单相）交流电整流成直流电。

4.3.2 中间直流环节

由于逆变器的负载属于感性负载，在中间直流环节和电动机之间总会有无功功率的交换。这种无功能量要靠中间直流环节的储能元件（电容器或电抗器）来缓冲。

4.3.3 控制电路

控制电路由运算电路、检测电路、控制信号的输入、输出电路和驱动电路等构成。其主要任务是完成对逆变器的启停控制、对整流器的电压控制、对逆变器的输出频率、电压进行控制以及完成各种保护功能等，主要靠软件来完成各种功能。

5 结 语

DCS系统结合变频调速技术是利用现代先进的计算机工控技术及电力电子技术，交流调速技术达到远程控制、自动调节的目的，体现了科技就是第一生产力和以人为本的现代化生产观念。在倡导节约型社会的今天，应用变频调速也是企业改造挖潜、提高效益的一条有效的途径，同时也是国民经济可持续发展的需要。

参考文献：

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