基于變頻器通信技術(shù)的定型機(jī)燃燒器安全設(shè)計(jì)

李繼松,袁 霏

(1.科德寶寶翎襯布(南通)有限公司,江蘇 南通226000;2.南通職業(yè)大學(xué),江蘇 南通226007)

目前國(guó)內(nèi)紡織行業(yè)定型機(jī)烘箱已越來(lái)越多地采用天然氣燃燒加熱,其燃燒器啟動(dòng)模式設(shè)定為當(dāng)定型機(jī)排風(fēng)電機(jī)運(yùn)行時(shí),每個(gè)燃燒器對(duì)應(yīng)的循環(huán)風(fēng)機(jī)同時(shí)運(yùn)行才能夠最終讓燃燒器運(yùn)行啟動(dòng)。有些用戶為了工藝質(zhì)量,也將拉幅啟動(dòng)信號(hào)串入到燃燒器運(yùn)行中,即以上三種信號(hào)同時(shí)滿足時(shí)燃燒器才能夠工作。然而這種控制系統(tǒng)并不能夠閉環(huán)監(jiān)測(cè)風(fēng)機(jī)是否真正運(yùn)行。如果定型機(jī)不排風(fēng)而燃燒器又頻繁點(diǎn)火試啟動(dòng),就有可能導(dǎo)致在烘箱內(nèi)聚集天然氣,有可能達(dá)到爆炸極限,這是極其危險(xiǎn)的。如果循環(huán)風(fēng)機(jī)未啟動(dòng)成功而燃燒器誤啟動(dòng)加熱,這樣聚集在腔體內(nèi)的熱量不能通過(guò)循環(huán)風(fēng)機(jī)的葉輪散播出去,就會(huì)發(fā)生局部過(guò)熱導(dǎo)致不銹鋼腔體和烘箱嚴(yán)重變形。定型機(jī)控制加熱啟動(dòng),而循環(huán)風(fēng)機(jī)葉輪脫落導(dǎo)致局部過(guò)熱變形,燃燒到一定程度甚至還會(huì)導(dǎo)致烘箱著火,引發(fā)更大的安全事故。

本文針對(duì)定型機(jī)循環(huán)風(fēng)機(jī)控制雖然在電氣控制邏輯上符合燃燒器的啟動(dòng)條件,但未能形成閉環(huán)的安全反饋檢測(cè),尤其是電氣元件故障極易導(dǎo)致意外事件反生的不足,通過(guò)引入實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)變頻器輸出電流、電壓和輸出頻率技術(shù),再結(jié)合PLC的邏輯控制實(shí)現(xiàn)了燃燒器的安全運(yùn)行目標(biāo)。

1 安全檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通過(guò)測(cè)量循環(huán)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和排風(fēng)管道的風(fēng)壓可以獲取風(fēng)機(jī)運(yùn)行的實(shí)際情況,但這樣的檢測(cè)成本代價(jià)太高,技術(shù)難度也很大,比如測(cè)量轉(zhuǎn)速需要編碼器且需配置編碼反饋控制。測(cè)量管道風(fēng)壓也需要昂貴的風(fēng)壓傳感器,同時(shí)管道內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間積聚花絨也會(huì)影響風(fēng)壓傳感器的探頭精度和實(shí)際檢測(cè)效果。由于整體的控制穩(wěn)定性不高,采用這樣的技術(shù)會(huì)大大降低定型機(jī)的正常開臺(tái)率。

本公司經(jīng)過(guò)多次測(cè)量和驗(yàn)算,對(duì)每個(gè)定型機(jī)的10個(gè)循環(huán)風(fēng)機(jī)和2個(gè)排風(fēng)風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)由三菱F840系列變頻器驅(qū)動(dòng)。如圖1所示,變頻器不僅能實(shí)現(xiàn)控制風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)頻率,還能夠進(jìn)行RS-485通信,將電機(jī)的輸出電流和輸出頻率等參數(shù)傳輸至主PLC控制系統(tǒng)。三菱F系列變頻器內(nèi)部增加了RS-485接收和發(fā)送通信接線端子,使用5芯屏蔽線可將最多32臺(tái)變頻器串入PLC通信網(wǎng)絡(luò)線中。每個(gè)循環(huán)風(fēng)機(jī)和排風(fēng)機(jī)變頻器站號(hào)由1到12值給定,分別代表12個(gè)不同地址的變頻器。

圖1 FR-F840與FX3U-485BD通信接線方式

三菱F840與PLC可以通過(guò)使用PU接口或RS-485端子完成通信,無(wú)需增加額外硬件。變頻器的參數(shù)可分別設(shè)置這兩種通信方式,使用操作面板FR-DU07設(shè)置變頻器RS-485通訊參數(shù),設(shè)定值見表1。

表1 三菱FR-F840采用RS-485通信的參數(shù)設(shè)定

通信協(xié)議選擇三菱變頻器協(xié)議,參數(shù)設(shè)定結(jié)束后必須重新給變頻器上電,RS-485通訊才能夠設(shè)定成功。

FX3U系列PLC在原有的FX2N基礎(chǔ)上性能得到提高,增加了專門用于變頻器通訊的功能指令,如寫入設(shè)定頻率指令:IVDR K2 HED K4500 K1是將頻率值45 Hz由PLC的通信通道1寫入到站號(hào)為2的變頻器中,硬件上只需增加FX3U-485BD通信板。PLC程序開發(fā)選擇GX Works2編程軟件,圖2所示為部分梯形圖代碼,分別運(yùn)用了運(yùn)行指令I(lǐng)VDR和監(jiān)視指令I(lǐng)VCK。

圖2 FX3U與三菱變頻器的通信指令

在梯形圖中寫好代碼后,還要將PLC的通訊參數(shù)與變頻器設(shè)置為一致,特別是數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、奇偶校驗(yàn)、波特率和停止位。圖3所示是根據(jù)表1變頻器的通訊參數(shù)來(lái)設(shè)定的,根據(jù)變頻器的個(gè)數(shù)和通信速率要求,可以選擇波特率為9 600或19 200。最后將GX works2編程軟件的參數(shù)和梯形圖一并下載到FX3U中即完成所有通信配置。

如圖4所示,在觸摸屏中組態(tài)了風(fēng)機(jī)運(yùn)行界面,通過(guò)變頻器的在線監(jiān)控輸出電流和電壓。PLC可以進(jìn)行實(shí)時(shí)邏輯反饋保護(hù),從而保證循環(huán)風(fēng)機(jī)和排風(fēng)電機(jī)是在正常運(yùn)行情況下啟動(dòng)燃燒器。為了濾除電流波動(dòng)干擾,還需設(shè)置必要的延時(shí)時(shí)間。

圖3 三菱FX3U通信設(shè)置

圖4 觸摸屏顯示風(fēng)機(jī)電流

使用三菱變頻器通信技術(shù),減少了現(xiàn)場(chǎng)繁瑣的布線,節(jié)約了空間和費(fèi)用成本,可以實(shí)時(shí)檢測(cè)循環(huán)風(fēng)機(jī)和排風(fēng)電機(jī)的運(yùn)行參數(shù)如電流值、頻率值和電壓值,且不需要使用高精度傳感器測(cè)量風(fēng)機(jī),就能夠保證有極高的測(cè)量穩(wěn)定性。

2 變頻器通信檢測(cè)

應(yīng)用三菱FR Configurator2軟件對(duì)變頻器進(jìn)行在線監(jiān)控和畫面顯示,當(dāng)循環(huán)風(fēng)機(jī)不接入變頻器時(shí),操作定型機(jī)讓變頻器啟動(dòng),風(fēng)機(jī)電機(jī)線并沒有接入變頻器。實(shí)驗(yàn)得出變頻器有輸出電壓,但沒有輸出電流值,如圖5所示。

圖5 變頻器不接入風(fēng)機(jī)空載運(yùn)行

從圖5可看出,變頻器空載運(yùn)行時(shí)輸出電流值為0,而輸出電壓保持動(dòng)態(tài)正弦波形圖輸出。因此在空載情況下,通過(guò)PLC就可以很容易地設(shè)定檢測(cè)條件。即在變頻器啟動(dòng)條件下,PLC通信變頻器檢測(cè)輸出電壓正常,而輸出電流為0值,則PLC邏輯判定燃燒器啟動(dòng)條件不足;且通過(guò)觸摸屏組態(tài)報(bào)警顯示,告知操作員此時(shí)某個(gè)燃燒器對(duì)應(yīng)的循環(huán)風(fēng)機(jī)沒有接入變頻器或存在斷線可能。

如果循環(huán)風(fēng)機(jī)與變頻器正常連接而葉輪卻脫落,此時(shí)變頻器是接入電機(jī)負(fù)載的,有輸出電壓和輸出電流;但烘箱內(nèi)形成不了有效的循環(huán)風(fēng)壓,燃燒器同樣會(huì)啟動(dòng)加熱程序,沒有循環(huán)風(fēng)讓熱量均勻散出,將造成局部過(guò)熱甚至導(dǎo)致火災(zāi)。

由圖6可看出,變頻器只帶電機(jī)運(yùn)行但沒有葉輪負(fù)載安裝在電機(jī)上時(shí),輸出電壓與輸出電流形成的線性比關(guān)系近似為常數(shù)K值,電機(jī)從0 Hz提升至50 Hz且穩(wěn)定之后,這種線性值在每一段的頻率值都是相同的,它只由電機(jī)功率和負(fù)載值決定。

當(dāng)變頻器正常驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)負(fù)載時(shí),在每段頻率10、20、30、40和50 Hz的輸出電壓都是逐漸增長(zhǎng)的;而輸出電流在15至50 Hz沒有明顯增長(zhǎng),且在10 Hz的電流只增長(zhǎng)約10%?？紤]到風(fēng)機(jī)一般設(shè)定為固定頻率在20～50 Hz,可適用于很多生產(chǎn)工藝條件。

圖6 變頻器接入風(fēng)機(jī)負(fù)載運(yùn)行

圖7 所示為電機(jī)運(yùn)行參數(shù)監(jiān)控表,從中可看出正常循環(huán)風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí),變頻器輸出電流在20～50 Hz的電流基本保持不變,只有在10 Hz低頻啟動(dòng)時(shí)有較明顯的增長(zhǎng)。因此可以將電流值進(jìn)行數(shù)據(jù)收集和分析,在固定的負(fù)載條件下找到一個(gè)特定的電流值范圍。重點(diǎn)設(shè)定PLC通信檢測(cè)輸出電流的區(qū)間,將輸出電流、電壓和頻率三個(gè)要素作為診斷條件,可確保排風(fēng)電機(jī)和循環(huán)風(fēng)機(jī)的有效監(jiān)控運(yùn)行。

圖7 循環(huán)風(fēng)機(jī)在不同頻率下的輸出電流值

為了消除電機(jī)在加減速時(shí)造成的電流變化及正常運(yùn)行時(shí)的電流波動(dòng)造成的判定干擾,可將輸出電流的條件再加上檢測(cè)延遲時(shí)間,且這個(gè)時(shí)間可以在觸摸屏上設(shè)置。一般延遲時(shí)間應(yīng)高于變頻器的加減速時(shí)間,這樣確保風(fēng)機(jī)在正常轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)PLC不會(huì)發(fā)生誤判。

3 結(jié)論

(1)在定型機(jī)設(shè)備中使用三菱通信協(xié)議直接控制三菱變頻器驅(qū)動(dòng)電機(jī),節(jié)約了布線成本,簡(jiǎn)化了控制和調(diào)試難度。同時(shí)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)輸出頻率、輸出電壓和輸出電流,響應(yīng)精度達(dá)到0.1%,可真正形成安全穩(wěn)定的閉環(huán)控制。

(2)通過(guò)測(cè)定循環(huán)風(fēng)機(jī)在不同頻率段的輸出電流和輸出電壓特性,以及變頻器空載運(yùn)行的輸出特性,可以在PLC程序中設(shè)定監(jiān)測(cè)實(shí)際電流值在一個(gè)安全的區(qū)間內(nèi);如果超出設(shè)定范圍并達(dá)到一定的延遲時(shí)間,則輸出報(bào)警并停止燃燒器的啟動(dòng),從而根本上解決了定型機(jī)燃燒器的安全問(wèn)題。此外,通過(guò)短期收集變頻器運(yùn)行數(shù)據(jù)和算法推演,這種控制系統(tǒng)甚至可以判定循環(huán)風(fēng)機(jī)過(guò)載或軸承異常,并進(jìn)行預(yù)防性維修。