沈德榮

（浙江嘉化能源化工股份有限公司，浙江 嘉興 314201）

氯堿行業(yè)整流裝置電流穩(wěn)流調(diào)節(jié)及觸發(fā)控制現(xiàn)在大都采用高性能單片機(jī)系統(tǒng)（雙機(jī)熱備方式）進(jìn)行PI控制并由獨(dú)立單片機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)脈沖輸出；浙江嘉化能源化工股份有限公司現(xiàn)有20臺(tái)整流器中，有16臺(tái)采用此類系統(tǒng)，控制主芯片為MCS96單片機(jī)，觸發(fā)系統(tǒng)采用MCS51單片機(jī)，均采用雙控?zé)醾溆梅绞竭\(yùn)行，在實(shí)際運(yùn)行中運(yùn)行通道故障時(shí)備用通道有效投入使用達(dá)到了備用的目的，也發(fā)生過運(yùn)行通道故障備用通道未投入跳機(jī)及在主通道無故障備用通道單一故障直接跳機(jī)的事件。另有4臺(tái)2004年投產(chǎn)的整流器采用了美國ENERPRO公司的FCOG630D觸發(fā)板為脈沖控制板配以模擬量調(diào)節(jié)的控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)從投運(yùn)至今，觸發(fā)板性能非常穩(wěn)定，從未發(fā)生異常和故障，但調(diào)節(jié)系統(tǒng)一直存在著參數(shù)調(diào)整困難的情況，在同一供電母線合閘時(shí)有發(fā)生電流跌落和電流過沖引起保護(hù)動(dòng)作短時(shí)脈沖封鎖的情況，考慮PLC的整體穩(wěn)定性現(xiàn)嘗試采用S7-200的PLC直接進(jìn)行電流調(diào)節(jié)的試驗(yàn)。

1 系統(tǒng)組成

1.1 FCOG630D脈沖觸發(fā)板及PLC

ENERPRO公司的FCOG630D脈沖觸發(fā)板是以20芯CMOS大規(guī)模集成電路（ENERPRO專用芯片）為核心，利用鎖相環(huán)技術(shù)（PLL）和多芯片合成技術(shù)（MCM），根據(jù)壓控振蕩器（VCO）鎖定的三相同步信號(hào)間的邏輯關(guān)系設(shè)計(jì)出一種晶閘管觸發(fā)系統(tǒng)。0～5 V的直流輸入電壓信號(hào)，可以控制輸出脈沖移相范圍從6°～124°可調(diào)（在確定的電阻下）。任何調(diào)節(jié)器或手動(dòng)輸出的電壓都可以很方便地與其相連接（包括計(jì)算機(jī)送出的D/A信號(hào)），以控制大功率晶閘管的工作狀態(tài)。PLC采用西門子S7-200的266CPU。

1.2 模擬量輸入輸出模塊EM235

4個(gè)模擬量輸入通道在這里設(shè)置為0～5 V模擬量輸入，模擬量單個(gè)輸入通道的分辨率為12位，均采用關(guān)閉濾波直接采樣方式工作。

模擬量輸出通道為-10～10 V的12位輸出，實(shí)際在使用0～10 V時(shí)有效分辨率僅為11位，PLC中變量后4位在輸出到通道時(shí)是無效的，即最小有效輸出的單位為16。

1.3 電流反饋采樣電路

電流反饋采用交流電流反饋，用整流變輸入電流（調(diào)壓變送到整流變）的電流互感器的5 A電流經(jīng)儀表電流互感器轉(zhuǎn)化為1 A的電流，三相電流經(jīng)三相橋式整流電路由采樣電阻、電容RC獲得反饋電壓；反饋電壓經(jīng)PLC的模擬量輸入通道，每隔1 ms采樣4次，經(jīng)20個(gè)采樣周期的平均值作為電流反饋當(dāng)前量，即每次調(diào)節(jié)計(jì)算所依據(jù)的當(dāng)前量由80個(gè)模擬量輸入平均得到，采用多次采樣的目的是平滑整流紋波，并提高采樣的分辨率。電流反饋采樣電路示意圖見圖1。

圖1 電流反饋采樣電路示意圖

1.4 控制輸出電路

由于PLC的模擬量通道僅為11位的分辨率，在實(shí)際測(cè)試中無法達(dá)到電流控制的所需的精度，因此在調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)輸出采用了2個(gè)模擬量輸出通道經(jīng)電阻網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行迭加后提供給脈沖觸發(fā)板的控制輸入。

用于CFA的模擬量通道這里表述為寬差控制通道或?qū)挷羁刂戚敵?，主要用于在整流變壓器有載調(diào)壓開關(guān)換檔切換時(shí)的調(diào)整控制，本通道輸出0～10 V時(shí)脈沖板得到的電壓為0～5 V。

用于CFP的模擬量通道這里表述為穩(wěn)定調(diào)節(jié)通道或穩(wěn)定調(diào)節(jié)輸出，主要用于穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)穩(wěn)流控制用，本通道輸出輸出0～10 V時(shí)脈沖板得到的電壓為0～（5/16）V。這里2個(gè)通道迭加后的分辨率可以達(dá)到15位，能夠達(dá)到控制的要求。

當(dāng)CFA變化最小單位16時(shí)，CFP的對(duì)應(yīng)等效輸出是256。控制輸出電路示意圖見圖2。

圖2 控制輸出電路示意圖

2 電流控制過程

（1）時(shí)間基準(zhǔn)。電流采樣時(shí)間采用PLC最小許可的中斷時(shí)間1 ms，即每1 ms進(jìn)行一次中斷程序。在上一次控制輸出達(dá)到一個(gè)工頻周期后開始電流的采樣，采滿20次后（即一個(gè)工頻周期）進(jìn)行一次調(diào)節(jié)。

（2）控制設(shè)定值。根據(jù)采樣的值與實(shí)際電流的比例，由PLC主程序中完成控制設(shè)定值的計(jì)算，在中斷程序中僅使用控制設(shè)定值與當(dāng)前反饋值進(jìn)行比較計(jì)算。

（3由于電流采樣本身時(shí)間常數(shù)與大電流直流傳感器相比是很小的，同時(shí)PLC電流采樣在上次控制輸出一個(gè)工頻周期后再采樣并累計(jì)平均，所以在控制均使用積分模型進(jìn)行控制。

ΔI=SV-PV

（4）當(dāng)控制設(shè)定值與當(dāng)前反饋值相差較小時(shí)，系統(tǒng)在穩(wěn)定運(yùn)行方式下運(yùn)行，根據(jù)積分計(jì)算對(duì)穩(wěn)定調(diào)節(jié)的積分累加值進(jìn)行計(jì)算。

MX=ΔI×KI+MX0

MX為本次穩(wěn)定調(diào)節(jié)累加值與穩(wěn)定調(diào)節(jié)通道對(duì)應(yīng)，MX0為上一次的MX累加值，KI為穩(wěn)定積分系數(shù)，KI取值取決于在ΔI較低時(shí)系統(tǒng)穩(wěn)定的要求，由于采樣方式和采樣精度限制，控制系統(tǒng)在低差值時(shí)更不穩(wěn)定。

反之系統(tǒng)在寬差控制方式下運(yùn)行，根據(jù)積分計(jì)算對(duì)寬差控制的積分累加值進(jìn)行計(jì)算；寬差控制方式在本質(zhì)上是對(duì)整流變壓器換檔過程的調(diào)節(jié)反應(yīng)

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

MX1為本次寬差控制的累加值，為寬關(guān)控制通道輸出的10倍，KIADD為設(shè)定值大于反饋值時(shí)的寬差增量積分系數(shù)，KISUB為設(shè)定值小于反饋值時(shí)的寬差減量積分系數(shù)。為確保有載開關(guān)升壓操作及降壓操作時(shí)電流均不上沖KIADD

（5）為保證穩(wěn)定調(diào)節(jié)通道輸出的中心點(diǎn)在14000～18 000和控制觸發(fā)板的電壓在0～5 V，需要MX與MX1進(jìn)行調(diào)整。

圖3 1ms中斷子程序框圖

當(dāng)MX＞18 000時(shí)對(duì)MX1增加一個(gè)有效輸出單位即160（輸出時(shí)為16），同時(shí)在MX減少256；當(dāng)MX＜18 000時(shí)對(duì)MX1減少一個(gè)有效輸出單位即160（輸出時(shí)為16），同時(shí)在MX增加256，MX1的累加值限幅在 4000～324000（即模擬量輸出 400～32400）。

（6）通道輸出

MX輸出到 CFP通道，MX1除以10輸出到CFA通道，根據(jù)MX的輸出的量對(duì)CFA通道輸出進(jìn)行限幅，確保觸發(fā)板最大控制電壓不超過5 V。

（7）1 ms中斷子程序框圖見圖3。

3 調(diào)節(jié)效果

（1）與原16臺(tái)單片機(jī)控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)情況比較，PLC調(diào)節(jié)控制在有載開關(guān)調(diào)檔時(shí)的電流波動(dòng)遠(yuǎn)低于原單片機(jī)系統(tǒng)，穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)電流波動(dòng)在單片機(jī)系統(tǒng)波動(dòng)的1/2到1/3。

（2）與原模擬控制電流系統(tǒng)相比，PLC調(diào)節(jié)控制在有載開關(guān)調(diào)檔時(shí)的電流波動(dòng)與其相當(dāng)，電流過沖小于模擬系統(tǒng)，穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)電流波動(dòng)劣于模擬控制電流波動(dòng)，達(dá)到模擬控制電流波動(dòng)的1.5倍左右；啟動(dòng)電流跟蹤優(yōu)于模擬系統(tǒng)，網(wǎng)電波動(dòng)時(shí)控制反應(yīng)過沖小于模擬系統(tǒng)。

（3）由于采用PLC進(jìn)行調(diào)節(jié)計(jì)算，可以在開環(huán)控制（固定觸發(fā)角）模式下進(jìn)行PLC程序在運(yùn)行狀態(tài)下進(jìn)行修改。對(duì)積分系數(shù)和電流控制的倍數(shù)在運(yùn)行中可以對(duì)變量直接修改。

（4）電流穩(wěn)定調(diào)節(jié)精度受限于PLC模擬量輸入通道的穩(wěn)定性、精度、交流采樣的實(shí)時(shí)脈動(dòng)和采樣時(shí)間間隔等多種因素。因此按此模型在性能指標(biāo)更高的MCU上進(jìn)行采樣及調(diào)節(jié)，電流穩(wěn)定性會(huì)更好。

4 結(jié)語

（1）PLC控制雖然在所得到的精度和時(shí)間響應(yīng)上達(dá)不到專用的MCU系統(tǒng)，但從投運(yùn)的情況來看可以達(dá)到離子膜燒堿對(duì)電流穩(wěn)定性的要求，特別是減少了有載開關(guān)調(diào)檔時(shí)的電流波動(dòng)是有顯著效果。

（2）從公司整流系統(tǒng)運(yùn)行情況來看，F(xiàn)COG630D觸發(fā)板故障發(fā)生機(jī)率遠(yuǎn)低于PLC的故障機(jī)率，因此系統(tǒng)故障機(jī)率將取決于PLC的穩(wěn)定性，優(yōu)于單片機(jī)系統(tǒng)的故障發(fā)生概率。

（3）PLC對(duì)直流電流采樣時(shí)在本系統(tǒng)中經(jīng)過PLC自帶濾波器進(jìn)行采樣濾波，其電流波動(dòng)數(shù)值的物理意義在理解上會(huì)有不同，因此在本文中未提供任何電流波動(dòng)的數(shù)值，而只作定性的比較描述。

（4）本系統(tǒng)采用交流電流反饋，在投運(yùn)過程中比例調(diào)節(jié)未能達(dá)到比目前僅用積分控制更好的控制效果，因此在本系統(tǒng)中最終未投入比例調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)。

（5）由于直流傳感器有著較大的滯后時(shí)間，本控制模型的系統(tǒng)在直流反饋系統(tǒng)中未進(jìn)行測(cè)試。

（6）系統(tǒng)所建立的控制模型在MCU中實(shí)現(xiàn)將會(huì)更簡單和容易。