分布式控制系統(tǒng)對設(shè)備攪拌器變頻調(diào)速的應(yīng)用

王恩娜

(北京美盛沃利工程技術(shù)有限公司上海分公司，上海 200001)

0 引言

隨著科技的不斷進步，各種變頻技術(shù)在化工生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用，由此對相關(guān)控制技術(shù)也提出了新的要求。傳統(tǒng)的單機生產(chǎn)控制，人工現(xiàn)場手動操作等傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)即將被先進的集散型計算機控制系統(tǒng)所取代。

在化工涂料的生產(chǎn)過程中，由于需要帶攪拌器的設(shè)備較多，且在不同溫度、壓力和液位時要求的攪拌速度也不盡相同，如果采用傳統(tǒng)的定速攪拌器，既達不到生產(chǎn)過程所要求的攪拌效果，又浪費能源。集散型控制系統(tǒng)(Distributed Control System，DCS)綜合了計算機技術(shù)、控制技術(shù)、通信技術(shù)、CRT顯示技術(shù);集中了連續(xù)控制、批量控制、邏輯順序控制、數(shù)據(jù)采集等功能;采用分散控制、集中操作、綜合管理和分而自制的設(shè)計原則。該系統(tǒng)具有安全可靠、運用靈活、最優(yōu)控制和綜合管理等各種能力，是計算機工業(yè)過程控制的有效方法。

因此，將該方法應(yīng)用于攪拌器變頻調(diào)速控制中，采用DCS，輸出4～20 mA DC控制信號到變頻器，控制調(diào)節(jié)設(shè)備攪拌器的速度，按預(yù)定的攪拌要求進行攪拌，變頻輸出DC 0～10 V電壓信號由電流轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成4～20 mA電流信號給DCS，達到監(jiān)控運行數(shù)據(jù)，使攪拌器的自動化程度大大提高。

1 變頻調(diào)速技術(shù)原理

三相異步電動機轉(zhuǎn)速公式為

從式(1)可見，改變供電頻率f、電動機的極對數(shù)p及轉(zhuǎn)差率s均可達到改變轉(zhuǎn)速的目的。從調(diào)速的本質(zhì)來看，不同的調(diào)速方式無非是改變交流電動機的同步轉(zhuǎn)速或不改變同步轉(zhuǎn)速兩種。在生產(chǎn)機械中廣泛使用不改變同步轉(zhuǎn)速的調(diào)速方法，如繞線式電動機的轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速、斬波調(diào)速、串級調(diào)速以及應(yīng)用電磁轉(zhuǎn)差離合器、液力耦合器、油膜離合器等調(diào)速。改變同步轉(zhuǎn)速的高速方法有改變定子極對數(shù)的變極高速及改變定子電壓和頻率的變頻調(diào)速。從調(diào)速時的能耗觀點來看，有高效調(diào)速方法與低效調(diào)速方法兩種。高效調(diào)速一般為轉(zhuǎn)差率不變，因此無轉(zhuǎn)差損耗，如變極高速、變頻變壓調(diào)速以及能將轉(zhuǎn)差損耗回收的調(diào)速方法(如串級調(diào)速等)。有轉(zhuǎn)差損耗的調(diào)速方法屬低效調(diào)速，如轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速(能量就損耗在轉(zhuǎn)子回路中)、電磁離合器調(diào)速(能量損耗在離合器線圈中)、液力耦合器調(diào)速(能量損耗在液力耦合器的油中)。一般來說轉(zhuǎn)差損耗隨調(diào)速范圍擴大而增加，如果調(diào)速范圍不大，能量損耗將很小。

變頻調(diào)速是改變電動機定子電源的頻率和電壓，從而改變其同步轉(zhuǎn)速的調(diào)速方法。變頻調(diào)速系統(tǒng)主要設(shè)備是提供變頻電源的變頻器，變頻器可分成交－直－交變頻器和交－交變頻器兩大類，目前國內(nèi)大都使用交－直－交變頻器。其特點是效率高、調(diào)速范圍大、特性硬、精度高、應(yīng)用范圍廣，是一種節(jié)能產(chǎn)品，適用于要求精度高、調(diào)速性能較好的場合。

2 變頻調(diào)速技術(shù)的特點

(1)調(diào)速范圍廣，可應(yīng)用于交流電動機實現(xiàn)無級調(diào)速。

(2)調(diào)節(jié)精度高、效率高，沒有附加損耗，在正常調(diào)速范圍內(nèi)，變頻裝置的總效率在93%以上，功率因數(shù)超過0.95。

(3)可實現(xiàn)真正的軟起動，并且起動轉(zhuǎn)矩大、起動電流小。

(4)設(shè)備發(fā)生故障時可隨時切換以保持運轉(zhuǎn)，適用于不允許停機的場合。

(5)容易實現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動控制及遠程控制。

(6)變頻器預(yù)留有控制接口，能為機組實現(xiàn)計算機優(yōu)化控制提供方便。

3 控制系統(tǒng)的基本方案

DCS控制攪拌器變頻調(diào)速的系統(tǒng)框圖如圖1所示。

3.1 控制系統(tǒng)的主要功能

(1)DCS系統(tǒng)對變頻器狀態(tài)監(jiān)測:該涂料攪拌工程使用微能矢量型變頻器強大的通信功用，以及DSC系統(tǒng)自身的通信網(wǎng)絡(luò)功能、顯示功能來實現(xiàn)對現(xiàn)場變頻器狀態(tài)的監(jiān)測，如:變頻器運行狀態(tài)、變頻器故障報警、開/停狀態(tài)、運行指示等監(jiān)測。

圖1 DCS控制攪拌器變頻調(diào)速的系統(tǒng)框圖

(2)DCS系統(tǒng)信息采集及控制:利用DCS系統(tǒng)自身的計算機功能、控制功能完成對整個攪拌過程的遠程集中監(jiān)測控制。測量儀表擔負采集攪拌器轉(zhuǎn)速、給/出料流量等模擬量、開關(guān)量等信號，并且將采集的信號反饋到工程師站計算機系統(tǒng)，與設(shè)定值比較處理，形成閉環(huán)控制。工程師站計算機系統(tǒng)通過采集值與整定值比較，自動控制變頻器改變轉(zhuǎn)速基準值的指令。

3.2 監(jiān)測及控制信號

為了更精確地控制攪拌器的攪拌速度，需要采集對攪拌速度起確定性的信號參數(shù):設(shè)備內(nèi)物料的液位，此信號監(jiān)測需要用液位變送器來實現(xiàn);物料的溫度，此信號的監(jiān)測需要用溫度變送器來實現(xiàn);設(shè)備內(nèi)的壓力，此信號需要用壓力變送器實現(xiàn);物料進料流量，此信號需要用流量計實現(xiàn)，以及設(shè)備內(nèi)各攪拌階段所需時間的設(shè)定。

3.3 DCS系統(tǒng)在工程中應(yīng)用優(yōu)點

(1)靈活性。根據(jù)各階段攪拌要求的不同，對DCS系統(tǒng)控制軟件進行組態(tài)，即確定測量與控制信號及相互間連接關(guān)系。從控制組態(tài)模塊庫中，選擇適用的控制模塊，并將各階段模塊用時間計數(shù)器及各相關(guān)參數(shù)報警或聯(lián)鎖值觸發(fā)。從圖形庫調(diào)用基本圖形，組成所需的各種監(jiān)控和報警畫面，從而方便、快捷地構(gòu)成所需的控制程序。

(2)高可靠性。由于DCS系統(tǒng)將控制功能分散在多臺計算機及控制器上實現(xiàn)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用冗余設(shè)計，因此某一臺計算機或控制器出現(xiàn)故障時，其他計算機或控制器無擾動自動切換，并及時報警。不會導(dǎo)致系統(tǒng)無法運行或功能的喪失。此外，由于系統(tǒng)中采用了診斷及判斷功能軟件，在現(xiàn)場儀表發(fā)生故障和誤報信息前，提前診斷出問題來源，及早發(fā)現(xiàn)，及早解決，能識別錯誤信息，保持正常信息輸入并及時報警，從而使系統(tǒng)中各組成部件的可靠性得到提高。

(3)開放性。DCS采用開放式、標準化、模塊化和系列化設(shè)計，系統(tǒng)中各臺計算機及與控制器間采用局域網(wǎng)方式通信，實現(xiàn)信息實時傳輸。當需要改變或擴充設(shè)備攪拌系統(tǒng)功能時，可將新增計算機或控制器方便地鏈入系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)或從網(wǎng)絡(luò)中卸下，不影響系統(tǒng)其他計算機或控制器的正常工作。

(4)易于維護。系統(tǒng)的模塊化設(shè)計、自動識別和自診斷功能，以及開放的系統(tǒng)組成，使其具有維護簡單、方便使用、可靠性強等特點。當某一卡件或系統(tǒng)中任一節(jié)點出現(xiàn)故障時，可以在不影響整個系統(tǒng)運行的情況下在線更換和卸載，迅速排除故障。

(5)協(xié)調(diào)性。各工作站之間通過通信網(wǎng)絡(luò)傳送數(shù)據(jù)，整個系統(tǒng)實現(xiàn)信息共享，協(xié)調(diào)工作，以完成控制系統(tǒng)的總體功能和優(yōu)化處理。

(6)控制功能齊全?？刂扑惴ㄘS富，集連續(xù)控制、順序控制和批處理控制于一體，可實現(xiàn)串級、前饋、解耦、自適應(yīng)和預(yù)測控制等先進控制，并可方便地加入所需的特殊控制算法。

DCS的構(gòu)成方式十分靈活，可由專用的管理計算機站、操作員站、工程師站、記錄站、現(xiàn)場控制站和數(shù)據(jù)采集站等組成，也可由通用的服務(wù)器、工業(yè)控制計算機和可編程控制器構(gòu)成。處于底層的過程控制級一般由分散的現(xiàn)場控制站、數(shù)據(jù)采集站等就地實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和控制，并通過數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)傳送到生產(chǎn)監(jiān)控級計算機。生產(chǎn)監(jiān)控級對來自過程控制級的數(shù)據(jù)進行集中操作管理，如各種優(yōu)化計算、統(tǒng)計報表、故障診斷、顯示報警等，并輸出控制及聯(lián)鎖要求。隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展，DCS可以按照各種需要與更高級別的計算機設(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)連接來實現(xiàn)更高級的集中管理功能，如計劃調(diào)度、倉儲管理、能源管理等。

4 結(jié)語

帶變頻器的攪拌器應(yīng)用領(lǐng)域很廣泛，實用性強，這就決定著攪拌器電氣控制的多樣化。在提倡節(jié)能環(huán)保的當今時代，攪拌器的控制系統(tǒng)也在向節(jié)能環(huán)保的方向發(fā)展，DCS應(yīng)用于攪拌器的控制中，正體現(xiàn)了這種先進的控制理念。在此DCS控制調(diào)頻系統(tǒng)投入運行后，一臺200 kW，380 V攪拌器在使用變頻調(diào)速前，電機額定工作電流為260 A，額定轉(zhuǎn)速為600 r/min。在使用DCS控制變頻調(diào)速后，采用4～20 mA DC信號調(diào)節(jié)頻率，使其輸出電流減小，轉(zhuǎn)速降低至200～400 r/min，平均節(jié)能達到20%～30%。DCS控制攪拌器變頻調(diào)速，不僅使各種復(fù)雜控制要求得以實現(xiàn)，并且使生產(chǎn)成本大大降低，節(jié)約了能耗，為國家節(jié)能減排做出了貢獻。

［1］翁維勤，孫洪程.過程控制系統(tǒng)及工程［M］.2版.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2002.

［2］黃元培，張學(xué).變頻器應(yīng)用技術(shù)及電動機調(diào)速［M］.北京:人民郵電出版社，1998.

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