PLC用于离子膜电解槽整流电流调节

沈德荣

（浙江嘉化能源化工股份有限公司，浙江 嘉兴 314201）

氯碱行业整流装置电流稳流调节及触发控制现在大都采用高性能单片机系统（双机热备方式）进行PI控制并由独立单片机系统实现脉冲输出；浙江嘉化能源化工股份有限公司现有20台整流器中，有16台采用此类系统，控制主芯片为MCS96单片机，触发系统采用MCS51单片机，均采用双控热备用方式运行，在实际运行中运行通道故障时备用通道有效投入使用达到了备用的目的，也发生过运行通道故障备用通道未投入跳机及在主通道无故障备用通道单一故障直接跳机的事件。另有4台2004年投产的整流器采用了美国ENERPRO公司的FCOG630D触发板为脉冲控制板配以模拟量调节的控制系统，该系统从投运至今，触发板性能非常稳定，从未发生异常和故障，但调节系统一直存在着参数调整困难的情况，在同一供电母线合闸时有发生电流跌落和电流过冲引起保护动作短时脉冲封锁的情况，考虑PLC的整体稳定性现尝试采用S7-200的PLC直接进行电流调节的试验。

1 系统组成

1.1 FCOG630D脉冲触发板及PLC

ENERPRO公司的FCOG630D脉冲触发板是以20芯CMOS大规模集成电路（ENERPRO专用芯片）为核心，利用锁相环技术（PLL）和多芯片合成技术（MCM），根据压控振荡器（VCO）锁定的三相同步信号间的逻辑关系设计出一种晶闸管触发系统。0～5 V的直流输入电压信号，可以控制输出脉冲移相范围从6°～124°可调（在确定的电阻下）。任何调节器或手动输出的电压都可以很方便地与其相连接（包括计算机送出的D/A信号），以控制大功率晶闸管的工作状态。PLC采用西门子S7-200的266CPU。

1.2 模拟量输入输出模块EM235

4个模拟量输入通道在这里设置为0～5 V模拟量输入，模拟量单个输入通道的分辨率为12位，均采用关闭滤波直接采样方式工作。

模拟量输出通道为-10～10 V的12位输出，实际在使用0～10 V时有效分辨率仅为11位，PLC中变量后4位在输出到通道时是无效的，即最小有效输出的单位为16。

1.3 电流反馈采样电路

电流反馈采用交流电流反馈，用整流变输入电流（调压变送到整流变）的电流互感器的5 A电流经仪表电流互感器转化为1 A的电流，三相电流经三相桥式整流电路由采样电阻、电容RC获得反馈电压；反馈电压经PLC的模拟量输入通道，每隔1 ms采样4次，经20个采样周期的平均值作为电流反馈当前量，即每次调节计算所依据的当前量由80个模拟量输入平均得到，采用多次采样的目的是平滑整流纹波，并提高采样的分辨率。电流反馈采样电路示意图见图1。

图1 电流反馈采样电路示意图

1.4 控制输出电路

由于PLC的模拟量通道仅为11位的分辨率，在实际测试中无法达到电流控制的所需的精度，因此在调节系统中，调节输出采用了2个模拟量输出通道经电阻网络进行迭加后提供给脉冲触发板的控制输入。

用于CFA的模拟量通道这里表述为宽差控制通道或宽差控制输出，主要用于在整流变压器有载调压开关换档切换时的调整控制，本通道输出0～10 V时脉冲板得到的电压为0～5 V。

用于CFP的模拟量通道这里表述为稳定调节通道或稳定调节输出，主要用于稳定运行时稳流控制用，本通道输出输出0～10 V时脉冲板得到的电压为0～（5/16）V。这里2个通道迭加后的分辨率可以达到15位，能够达到控制的要求。

当CFA变化最小单位16时，CFP的对应等效输出是256。控制输出电路示意图见图2。

图2 控制输出电路示意图

2 电流控制过程

（1）时间基准。电流采样时间采用PLC最小许可的中断时间1 ms，即每1 ms进行一次中断程序。在上一次控制输出达到一个工频周期后开始电流的采样，采满20次后（即一个工频周期）进行一次调节。

（2）控制设定值。根据采样的值与实际电流的比例，由PLC主程序中完成控制设定值的计算，在中断程序中仅使用控制设定值与当前反馈值进行比较计算。

（3由于电流采样本身时间常数与大电流直流传感器相比是很小的，同时PLC电流采样在上次控制输出一个工频周期后再采样并累计平均，所以在控制均使用积分模型进行控制。

ΔI=SV-PV

（4）当控制设定值与当前反馈值相差较小时，系统在稳定运行方式下运行，根据积分计算对稳定调节的积分累加值进行计算。

MX=ΔI×KI+MX0

MX为本次稳定调节累加值与稳定调节通道对应，MX0为上一次的MX累加值，KI为稳定积分系数，KI取值取决于在ΔI较低时系统稳定的要求，由于采样方式和采样精度限制，控制系统在低差值时更不稳定。

反之系统在宽差控制方式下运行，根据积分计算对宽差控制的积分累加值进行计算；宽差控制方式在本质上是对整流变压器换档过程的调节反应

MX1=ΔI×（（ΔI＞0）×KIADD+（ΔI＜0）×KISUB）+MX10

MX1为本次宽差控制的累加值，为宽关控制通道输出的10倍，KIADD为设定值大于反馈值时的宽差增量积分系数，KISUB为设定值小于反馈值时的宽差减量积分系数。为确保有载开关升压操作及降压操作时电流均不上冲KIADD

（5）为保证稳定调节通道输出的中心点在14000～18 000和控制触发板的电压在0～5 V，需要MX与MX1进行调整。

图3 1ms中断子程序框图

当MX＞18 000时对MX1增加一个有效输出单位即160（输出时为16），同时在MX减少256；当MX＜18 000时对MX1减少一个有效输出单位即160（输出时为16），同时在MX增加256，MX1的累加值限幅在 4000～324000（即模拟量输出 400～32400）。

（6）通道输出

MX输出到 CFP通道，MX1除以10输出到CFA通道，根据MX的输出的量对CFA通道输出进行限幅，确保触发板最大控制电压不超过5 V。

（7）1 ms中断子程序框图见图3。

3 调节效果

（1）与原16台单片机控制系统的调节情况比较，PLC调节控制在有载开关调档时的电流波动远低于原单片机系统，稳定运行时电流波动在单片机系统波动的1/2到1/3。

（2）与原模拟控制电流系统相比，PLC调节控制在有载开关调档时的电流波动与其相当，电流过冲小于模拟系统，稳定运行时电流波动劣于模拟控制电流波动，达到模拟控制电流波动的1.5倍左右；启动电流跟踪优于模拟系统，网电波动时控制反应过冲小于模拟系统。

（3）由于采用PLC进行调节计算，可以在开环控制（固定触发角）模式下进行PLC程序在运行状态下进行修改。对积分系数和电流控制的倍数在运行中可以对变量直接修改。

（4）电流稳定调节精度受限于PLC模拟量输入通道的稳定性、精度、交流采样的实时脉动和采样时间间隔等多种因素。因此按此模型在性能指标更高的MCU上进行采样及调节，电流稳定性会更好。

4 结语

（1）PLC控制虽然在所得到的精度和时间响应上达不到专用的MCU系统，但从投运的情况来看可以达到离子膜烧碱对电流稳定性的要求，特别是减少了有载开关调档时的电流波动是有显著效果。

（2）从公司整流系统运行情况来看，FCOG630D触发板故障发生机率远低于PLC的故障机率，因此系统故障机率将取决于PLC的稳定性，优于单片机系统的故障发生概率。

（3）PLC对直流电流采样时在本系统中经过PLC自带滤波器进行采样滤波，其电流波动数值的物理意义在理解上会有不同，因此在本文中未提供任何电流波动的数值，而只作定性的比较描述。

（4）本系统采用交流电流反馈，在投运过程中比例调节未能达到比目前仅用积分控制更好的控制效果，因此在本系统中最终未投入比例调节环节。

（5）由于直流传感器有着较大的滞后时间，本控制模型的系统在直流反馈系统中未进行测试。

（6）系统所建立的控制模型在MCU中实现将会更简单和容易。