吳和保,柯 超,竺東杰

武漢工程大學(xué)機電工程學(xué)院,湖北 武漢 430205

0 引 言

機械蒸汽再壓縮蒸發(fā)技術(shù)是可以循環(huán)利用自身產(chǎn)生二次蒸汽能量的蒸發(fā)工藝，這種工藝可以節(jié)約能源和降低勞動力，在各個行業(yè)得到了廣泛運用.但目前MVR系統(tǒng)對二次蒸汽進行壓縮加熱時會浪費大量電能，且對蒸汽溫度控制精度低，人機信息無法實時交換， MVR系統(tǒng)的自動化運行難以實現(xiàn).

溫度控制系統(tǒng)運用PID閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)與變頻器對蒸汽溫度進行實時調(diào)控.通過對控制要求的分析，采用組態(tài)軟件和PLC控制器搭建一個可以進行人機信息交換的溫度控制系統(tǒng)，由溫度采集裝置采集溫度值傳送至控制系統(tǒng)進行分析比較運算實現(xiàn)了對蒸汽溫度的精確控制，且系統(tǒng)運行狀態(tài)可以在溫度控制面板上進行實時監(jiān)控，能夠讓操作人員對系統(tǒng)實時運轉(zhuǎn)狀況了解更加準(zhǔn)確.

1 系統(tǒng)方案

系統(tǒng)主要包括西門子PLC S7-200控制器、變頻器、羅茨風(fēng)機、電機、溫度傳感器等部分[1].由溫度傳感器Pt100檢測管道內(nèi)蒸汽的溫度，溫度值經(jīng)EM235模塊傳送至PLC,再由PLC內(nèi)部的PID指令模塊對溫度值進行比對運算并輸出電壓信號對變頻器進行控制，完成對羅茨風(fēng)機的控制.控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示.

由于換熱器內(nèi)料液溫度需要達到60 ℃才能進行濃縮，所以需要蒸汽對料液進行加熱.通過壓縮機對二次蒸汽進行壓縮加熱到60 ℃才能達到換熱的效果.當(dāng)管道內(nèi)溫度低于60 ℃時，通過PLC內(nèi)部PID指令進行比對運算，把運算結(jié)果傳輸?shù)阶冾l器內(nèi)，變頻器根據(jù)輸入的模擬量，增大交流電頻率，從而提高電動機的轉(zhuǎn)速.如果管道內(nèi)溫度高于60 ℃，則變頻器根據(jù)PID的輸出結(jié)果降低交流電的頻率從而降低電動機的轉(zhuǎn)速.在PID指令模塊中，將交流電頻率50 Hz對應(yīng)到數(shù)字量32 000，當(dāng)變頻器輸出頻率為50 Hz時，說明電動機進入工頻運轉(zhuǎn).通過PLC對變頻器的控制，可以實現(xiàn)電動機的無級調(diào)速，并能對現(xiàn)場進行遠程操控.

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)

在本次MVR二次蒸汽控制系統(tǒng)中主要運用PID閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)進行控制，如圖2所示.

圖2 溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

控制部分選取西門子S7-200CPU224XP 作為控制器，擴展一塊西門子EM235模塊用作數(shù)模轉(zhuǎn)換.在換熱器的進氣口處安裝一個Pt100鉑熱電阻傳感器，傳感器檢測到溫度信號后傳送至EM235模塊進行數(shù)模轉(zhuǎn)換.在PLC程序中編寫了子程序讀取寄存器里的溫度值，按照標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換公式轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字量[2]，送至PID指令模塊進行偏差運算，反饋輸出.

本系統(tǒng)的偏差由溫度設(shè)定值和溫度采集值的差值構(gòu)成.

e(t)=r(t)-c(t)

(1)

系統(tǒng)偏差通過PID反饋調(diào)節(jié)進行調(diào)控，其控制規(guī)律為

(2)

根據(jù)一般經(jīng)驗公式可以建立PID閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)傳遞函數(shù)為

(3)

并用MATLAB進行調(diào)試仿真，建立溫度控制仿真系統(tǒng)框圖，如圖3所示.

圖3 溫度控制仿真系統(tǒng)框圖

在仿真系統(tǒng)中，先給一個階躍信號并設(shè)置參數(shù)，添加一個PID Controller 模塊，并設(shè)置比例、積分、微分各個參數(shù)大小，在PID指令模塊中設(shè)置比例系數(shù)為60，積分系數(shù)為10，微分系數(shù)為0.得出經(jīng)PID整定后的波形圖，如圖4所示.

圖4 PID整定波形圖

在仿真波形圖中可以看出，當(dāng)曲線在縱坐標(biāo)數(shù)值較小時一直處于上升狀態(tài)，當(dāng)上升到頂峰時開始下降，在中間某一值時處于平衡狀態(tài)，說明PID閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)可以將輸出值穩(wěn)定在設(shè)定值附近.得出結(jié)論：本次溫度控制仿真系統(tǒng)非常符合MVR溫度自動調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的要求，能夠?qū)崿F(xiàn)對二次蒸汽溫度的實時調(diào)控.

3 系統(tǒng)程序設(shè)計

控制程序主要分為溫度控制主程序、子程序和中斷子程序.在主程序中對控制點進行初始化，如圖5所示，在主程序中設(shè)置一個溫度節(jié)點，本系統(tǒng)以60 ℃為溫度節(jié)點，并運用PID模塊對溫度進行調(diào)節(jié)；管道內(nèi)蒸汽溫度高于60 ℃時，M2.0線圈閉合啟動PID指令模塊進行溫度調(diào)控，如圖6所示.子程序用來對溫度值與模擬信號進行標(biāo)度轉(zhuǎn)換，如圖7所示.實際溫度T和輸入的數(shù)字量D通過數(shù)值運算進行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換公式為

(4)

圖5 程序初始化

圖6 控溫程序

圖7 子程序

4 變頻器設(shè)計

變頻器在整個溫度控制系統(tǒng)中用來改變電機的轉(zhuǎn)速從而改變蒸汽的溫度值，電機的調(diào)速采用交流異步電動機拖動，其轉(zhuǎn)速為

(5)

式(5)中，n為轉(zhuǎn)速；p為電動機的磁極對數(shù)；f為電源頻率；s為轉(zhuǎn)差率.在現(xiàn)實中一般是將電網(wǎng)中的交流電通過變頻器轉(zhuǎn)換為電壓和頻率均為可變的交流電之后，供給電動機，使電機的轉(zhuǎn)速可調(diào)[3].

變頻器型號的選擇主要考慮變頻器的電壓、電流以及容量的大小，在電動機的運行過程中，變頻器的額定電流必須大于電動機可能出現(xiàn)的最大電流[4]，即

IN≥IMMax

(6)

變頻器的容量要與電動機的容量匹配，變頻器在連續(xù)恒定負(fù)載下所要達到的容量計算公式如下：

(7)

(8)

變頻器的容量在工作時必須滿足以上兩公式.在本溫度調(diào)控系統(tǒng)中選用的是Y200M-4電機，電機的額定功率是55 kW，額定電壓是380 V，額定電流是110 A,電流波形的修正整形系數(shù)k取1.1，電動機的效率η取0.85，電動機的功率因數(shù)cosφ取0.75.通過計算可得，PCN≥95 kW，IN≥120 A，根據(jù)變頻器額定功率的取值范圍和額定電流的取值范圍，選取西門子MM440 F型系列，型號為 6SE6440-2UD41-1FB1的變頻器作為控制元件[5].

5 控制界面的設(shè)計及系統(tǒng)調(diào)試

溫度控制系統(tǒng)的界面采用北京昆侖通態(tài)的MCGS嵌入版組態(tài)軟件進行設(shè)計.在組態(tài)軟件的用戶窗口添加控制面板所需的控件，對各控件的屬性進行設(shè)置.界面圖形繪制完成后，對控制系統(tǒng)進行調(diào)試，用通訊電纜連接PC機和PLC控制器，在STEP7-Micro/WIN中的通信設(shè)置欄設(shè)置PLC的各個通訊參數(shù)并將組態(tài)軟件中的控件與PLC程序進行通道連接.下載工程并進入運行環(huán)境，啟動MVR溫度控制系統(tǒng)，在控制面板中設(shè)置溫度值，點擊啟動加熱鍵，進行在線調(diào)試[6],如圖8所示.

圖8 溫度控制面板

6 結(jié) 語

MVR溫度控制系統(tǒng)主要運用了PID指令模塊對變頻器的控制來實現(xiàn)管道內(nèi)溫度的調(diào)控[7]，用MATLAB軟件對PID閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)進行模擬，從曲線可以看出本系統(tǒng)是可以實現(xiàn)溫度的實時調(diào)控.通過組態(tài)軟件設(shè)計MVR溫度控制面板，通過溫度控制面板對管道內(nèi)的蒸汽溫度進行實時監(jiān)控，對解決人機信息交換困難和能源浪費的難題進行了有益的探索.

致 謝

在系統(tǒng)開發(fā)的過程中,對于武漢紐威制藥機械有限公司提供的實驗和現(xiàn)場測試工作的幫助,在此表示衷心的感謝！

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