艾默生工控產品在鍋爐溫度控制中的應用
2007/9/11 16:48:00
摘要：文章介紹了艾默生公司變頻器EV2000及SK系列變頻器在油爐溫度控制中的基本應用，及EC20系列PLC在溫度PID控制中的基本應用編程。
Adoption of Industrial control production of Emerson in temperature control in oil boiler，and EC20(PLC) adoption in PID control.
前言：內蒙古美好食品有限公司是一家食品生產企業（饃片烤制），其油爐加熱系統是用爐膛熱風來加熱油溫的，通過油溫烤制饃片。油爐實際和一臺普通熱水鍋爐工作原理相似，通過引風、鼓風、爐排的連鎖控制以實現風道出口溫度恒定，用熱風加熱油溫。由于原系統采用繼電接觸器控制，各電機之間均是工頻運轉，通過一個溫度顯示報警儀表，來控制鼓風的運轉；引風則一直運轉，爐排通過滑差電機來調速，基本是人工設定一轉速后不再改變。由于該系統在恒溫度控制方面的精度非常差，且電能浪費現象非常嚴重，煤的燃燒也很不充分，因此，我們做出如下改造設計。
1、變頻恒溫控制系統
1.1系統參數:
引風電機為11KW，鼓風2.2KW，爐排為1.5KW
設計采用EV2000-4T0110P（通用型）系列變頻器，鼓風采用SK-4T0022G（矢量型，因為考慮到變頻器體積較小，價格相差不多的情況下選擇），爐排SK-4T0015G。具體系統主電路結構圖及原理圖如下：
控制原理：將現場熱電偶信號（E型）送至溫度變送儀表，除顯示溫度外，還將溫度信號轉換成4-20MA，送入EC20 PLC（EC20-4AD）模擬量輸入端，經過PLC進行處理。EC20PLC模擬量輸出端將PID計算出的給定信號分三路模擬量輸出到三臺變頻器的給定。為保證鼓風、引風保證爐膛基本 負壓的前提，因此具體變頻器參數設置：
引風：
F0.00=4 CCI模擬給定 F0.03=1 端子運行命令通道
F0.04=4 運轉方向設定 F0.05=4 最大輸出頻率50HZ
F0.07=4 最大輸出電壓380V F0.08=1 機型選擇P（風機專用）
F0.14=1 V/F曲線設定 F2.01=30 啟動頻率30HZ
F2.08=0 停機方式（減速停機） FH.00=4 電機極數4
鼓風：
01=20最低轉速 02=50HZ最高轉速 03=5 04=10（加減速） 05=AIAU給定設置 06=5A 電機電流 16=4-20 電流輸入（Ma）
41=FD 線性U/F控制
爐排：
01=5.0最低轉速 02=40HZ最高轉速 03=5 04=5（加減速） 05=AIAU給定設置 06=3A 電機電流 16=4-20 電流輸入（Ma）
41=FD 線性U/F控制
1.2變頻器的設置基本遵循如下原則：
鼓引風變頻器控制風機，其機械特性屬于平方轉矩負載，因此其V/F曲線采用2次方曲線。同時，引風機的慣性比較大,因此其降速時間要求比較大，這是由于降速過程中變頻器處于回饋制動狀態 ，回饋能量將會造成直流側母線電壓過高而停機，因此，必須增長降速時間。同時，停機也要求軟停車，能夠延長風機的機械壽命。鼓風設置同引風差別不大，除了功率外幾乎一致。但考慮為保持爐膛基本負壓，必須將鼓風的升速時間要低于引風，而降速時間要快于引風。
爐排傳動屬于機械負載，因此爐排的控制方式為V/F基本控制或采用開環矢量控制，其低速時提供的轉矩比較大，能夠滿足重載啟動的要求，另外，系統要求的加減速時間都比較短，在5秒以內。
當檢測點溫度到達設定溫度后，為保證溫度穩定時間比較長，且要節約能源、降低損耗，因此引風、鼓風、爐排的最低運轉速度分別設置為：30HZ、20HZ、5HZ。
2.1:硬件配置
由主機EC20-1410BRA、模擬量輸入EC20-4AD、模擬量輸出EC20-4DA組成。其中給定采用一塊百特公司的數字給定表，可以人為設置給定值（4-20MA信號，在表上以百分數表示），給定信號送入EC20-4AD模擬量輸入模塊中，作為PID給定信號。另外安裝一塊溫度數顯表，該表除顯示溫度外，還將E型熱電偶檢測溫度信號變送輸出4-20MA信號，送入EC20-4AD輸入模塊作為PID反饋信號。PID控制程序是通過EC20編程軟件CONTROLSTAR中調用固有PID控制子程序來實現出口溫度PID恒定控制的。
2.2:連鎖控制
連鎖控制主要實現如下功能：
一、啟動先啟動引風、后啟動鼓風，一般引風啟動后3秒左右鼓風才能啟動。
二、停車先停鼓風，鼓風不停，引風認為不能停車；引風發生變頻故障，則鼓風立即停止。
三、故障報警、運行、停止指示通過PLC實現。
四、爐排不參與引風及鼓風連鎖。
2.3:變頻控制及溫度PID程序
一、變頻器接觸器得、失電由PLC控制
二、變頻器的啟動、停止信號由PLC連鎖控制。
三、變頻器的給定信號，由PID計算出的輸出信號通過模擬量輸出EC20-4DA，以電流信號（4-20MA）的方式輸出到變頻器的電流給定端（CCI、GND）
四、PID控制由PLC應用軟件通過編程的方式實現。具體過程比較簡單，在CONTROLSTAR軟件中的PID命令向導一步步完成，主要設置個別參數即可。具體PID編程語言如下：
LD SM0
PID D20 D21 D0 D22（PID調用）
LD SM0
MOV D50 D20 //設定目標值
MOV 10 D0 //采樣時間(Ts) 范圍為1～32767(ms)但比運算周 期短的時間數值無法執行
MOV 33 D1 //動作方向
MOV 0 D2 //輸入濾波常數(α)范圍0～99[﹪]，為0沒有輸入濾波
MOV 2000 D3 //比例增益(Kp)范圍1～32767[﹪]
MOV 10 D4 //積分時間(TI)范圍0～32767(×100ms),為0時作為∞處理(無積分)
MOV 0 D5 //微分增益(KD)范圍0～100[﹪]，為0時無微分增益
MOV 0 D6 //微分時間(TD)范圍0～32767(×10ms),為0時無微分處理
MOV 0 D15 //輸入變化量(增側)報警設定值0～32767
MOV 0 D16 //輸入變化量(減側)報警設定值0～32767
MOV 2000 D17 //輸出上限設定值-32768～32767
MOV 0 D18 //輸出下限設定值-32768～32767
主程序給定部分如下：
LD SM0
CALL PID_EXE（調用PID）
LD SM0
CALL PID_SET(PID參數設定)
LD X14 （系統自動運行）
TO 0 1 D22 1 （將D22 中內容寫入模塊0中的第一個單元中，即模擬量輸出值，引風給定）
TO 0 2 D22 1
TO 0 3 D22 1
TO 0 0 16#0 1
LD SM1
TO 1 0 16#1313 1（設置模擬量輸入信號方式，即1、3通道關閉，2、4為電流信號）
LD SM0
FROM 1 10 D21 1
LD SM1
TO 1 36 16#1111 1
LD SM1
TO 1 14 16#1111 1
LD SM0
FROM 1 12 D50 1
其中特別需要說明的是FROM和TO指令。這兩條指令主要用于模擬量處理，它的使用不同于西門子公司的直接尋址方式（PIW或PQW），而是用TO（寫入）和FROM（讀出）指令。對于模擬量模塊，通過這兩條指令來進行設置和參數的讀出。比如TO 1 14 16#1111 1 。 其中第一個1是指和CPU連接的第二個模塊（第一個是0）； 14是指其信息存儲器中的第14個存儲單元；16#1111是指16進制1111；最后的1是指寫入的單元數為1（只占用14單元一個，后面的單元不再寫）
2.4:實際參數設置
最后經多次修改和調試，確定比例系數為20，積分時間為1-3秒，微分時間為零。經過運行發現能夠滿足現場的生產工藝，達到爐膛溫度（實際為出口管道采集溫度）恒定控制的要求。
3、實際運行情況：
經過2個月左右的運行發現，系統能夠運行非常穩定，能夠維持出口風道溫度在286-288攝氏度左右，滿足了現場生產的要求。經過基本測算，節電率能夠達到25%-35%左右；而節煤量幾乎達到了35%以上，得到了客戶非常高的評價。經過節約資金量估算，經過半年左右即可收回全部設備投入資金。這對這次改造，我們認為在鍋爐燃燒系統中的變頻及PLC改造前景非常大，特別是艾默生公司變頻器及PLC產品優異的性能、堅實耐用和高可靠性、高精度的新技術核心，會為我們的節能技術改造提供最堅實的后盾！
參考文獻
①艾默生公司EV2000系列通用變頻器 艾默生網絡能源有限公司
②新型PID控制及其應用 機械工業出版社 陶永華
③EC20系統手冊 西門子公司自動化與驅動服務有限公司
④通用變頻器及其應用 機械工業出版社 韓安榮
⑤電機拖動與控制 西安電子科技大學出版社 劉保錄
⑥百特工控現場儀表選型手冊 福州福光百特自動化設備有限公司
⑦EC20-4DA使用說明 艾默生網絡能源有限公司
⑧EC20-4AD使用說明 艾默生網絡能源有限公司
⑨艾默生公司SK系列高性能變頻器 艾默生網絡能源有限公司
Adoption of Industrial control production of Emerson in temperature control in oil boiler，and EC20(PLC) adoption in PID control.
前言：內蒙古美好食品有限公司是一家食品生產企業（饃片烤制），其油爐加熱系統是用爐膛熱風來加熱油溫的，通過油溫烤制饃片。油爐實際和一臺普通熱水鍋爐工作原理相似，通過引風、鼓風、爐排的連鎖控制以實現風道出口溫度恒定，用熱風加熱油溫。由于原系統采用繼電接觸器控制，各電機之間均是工頻運轉，通過一個溫度顯示報警儀表，來控制鼓風的運轉；引風則一直運轉，爐排通過滑差電機來調速，基本是人工設定一轉速后不再改變。由于該系統在恒溫度控制方面的精度非常差，且電能浪費現象非常嚴重，煤的燃燒也很不充分，因此，我們做出如下改造設計。
1、變頻恒溫控制系統
1.1系統參數:
引風電機為11KW，鼓風2.2KW，爐排為1.5KW
設計采用EV2000-4T0110P（通用型）系列變頻器，鼓風采用SK-4T0022G（矢量型，因為考慮到變頻器體積較小，價格相差不多的情況下選擇），爐排SK-4T0015G。具體系統主電路結構圖及原理圖如下：
控制原理：將現場熱電偶信號（E型）送至溫度變送儀表，除顯示溫度外，還將溫度信號轉換成4-20MA，送入EC20 PLC（EC20-4AD）模擬量輸入端，經過PLC進行處理。EC20PLC模擬量輸出端將PID計算出的給定信號分三路模擬量輸出到三臺變頻器的給定。為保證鼓風、引風保證爐膛基本 負壓的前提，因此具體變頻器參數設置：
引風：
F0.00=4 CCI模擬給定 F0.03=1 端子運行命令通道
F0.04=4 運轉方向設定 F0.05=4 最大輸出頻率50HZ
F0.07=4 最大輸出電壓380V F0.08=1 機型選擇P（風機專用）
F0.14=1 V/F曲線設定 F2.01=30 啟動頻率30HZ
F2.08=0 停機方式（減速停機） FH.00=4 電機極數4
鼓風：
01=20最低轉速 02=50HZ最高轉速 03=5 04=10（加減速） 05=AIAU給定設置 06=5A 電機電流 16=4-20 電流輸入（Ma）
41=FD 線性U/F控制
爐排：
01=5.0最低轉速 02=40HZ最高轉速 03=5 04=5（加減速） 05=AIAU給定設置 06=3A 電機電流 16=4-20 電流輸入（Ma）
41=FD 線性U/F控制
1.2變頻器的設置基本遵循如下原則：
鼓引風變頻器控制風機，其機械特性屬于平方轉矩負載，因此其V/F曲線采用2次方曲線。同時，引風機的慣性比較大,因此其降速時間要求比較大，這是由于降速過程中變頻器處于回饋制動狀態 ，回饋能量將會造成直流側母線電壓過高而停機，因此，必須增長降速時間。同時，停機也要求軟停車，能夠延長風機的機械壽命。鼓風設置同引風差別不大，除了功率外幾乎一致。但考慮為保持爐膛基本負壓，必須將鼓風的升速時間要低于引風，而降速時間要快于引風。
爐排傳動屬于機械負載，因此爐排的控制方式為V/F基本控制或采用開環矢量控制，其低速時提供的轉矩比較大，能夠滿足重載啟動的要求，另外，系統要求的加減速時間都比較短，在5秒以內。
當檢測點溫度到達設定溫度后，為保證溫度穩定時間比較長，且要節約能源、降低損耗，因此引風、鼓風、爐排的最低運轉速度分別設置為：30HZ、20HZ、5HZ。
2.1:硬件配置
由主機EC20-1410BRA、模擬量輸入EC20-4AD、模擬量輸出EC20-4DA組成。其中給定采用一塊百特公司的數字給定表，可以人為設置給定值（4-20MA信號，在表上以百分數表示），給定信號送入EC20-4AD模擬量輸入模塊中，作為PID給定信號。另外安裝一塊溫度數顯表，該表除顯示溫度外，還將E型熱電偶檢測溫度信號變送輸出4-20MA信號，送入EC20-4AD輸入模塊作為PID反饋信號。PID控制程序是通過EC20編程軟件CONTROLSTAR中調用固有PID控制子程序來實現出口溫度PID恒定控制的。
2.2:連鎖控制
連鎖控制主要實現如下功能：
一、啟動先啟動引風、后啟動鼓風，一般引風啟動后3秒左右鼓風才能啟動。
二、停車先停鼓風，鼓風不停，引風認為不能停車；引風發生變頻故障，則鼓風立即停止。
三、故障報警、運行、停止指示通過PLC實現。
四、爐排不參與引風及鼓風連鎖。
2.3:變頻控制及溫度PID程序
一、變頻器接觸器得、失電由PLC控制
二、變頻器的啟動、停止信號由PLC連鎖控制。
三、變頻器的給定信號，由PID計算出的輸出信號通過模擬量輸出EC20-4DA，以電流信號（4-20MA）的方式輸出到變頻器的電流給定端（CCI、GND）
四、PID控制由PLC應用軟件通過編程的方式實現。具體過程比較簡單，在CONTROLSTAR軟件中的PID命令向導一步步完成，主要設置個別參數即可。具體PID編程語言如下：
LD SM0
PID D20 D21 D0 D22（PID調用）
LD SM0
MOV D50 D20 //設定目標值
MOV 10 D0 //采樣時間(Ts) 范圍為1～32767(ms)但比運算周 期短的時間數值無法執行
MOV 33 D1 //動作方向
MOV 0 D2 //輸入濾波常數(α)范圍0～99[﹪]，為0沒有輸入濾波
MOV 2000 D3 //比例增益(Kp)范圍1～32767[﹪]
MOV 10 D4 //積分時間(TI)范圍0～32767(×100ms),為0時作為∞處理(無積分)
MOV 0 D5 //微分增益(KD)范圍0～100[﹪]，為0時無微分增益
MOV 0 D6 //微分時間(TD)范圍0～32767(×10ms),為0時無微分處理
MOV 0 D15 //輸入變化量(增側)報警設定值0～32767
MOV 0 D16 //輸入變化量(減側)報警設定值0～32767
MOV 2000 D17 //輸出上限設定值-32768～32767
MOV 0 D18 //輸出下限設定值-32768～32767
主程序給定部分如下：
LD SM0
CALL PID_EXE（調用PID）
LD SM0
CALL PID_SET(PID參數設定)
LD X14 （系統自動運行）
TO 0 1 D22 1 （將D22 中內容寫入模塊0中的第一個單元中，即模擬量輸出值，引風給定）
TO 0 2 D22 1
TO 0 3 D22 1
TO 0 0 16#0 1
LD SM1
TO 1 0 16#1313 1（設置模擬量輸入信號方式，即1、3通道關閉，2、4為電流信號）
LD SM0
FROM 1 10 D21 1
LD SM1
TO 1 36 16#1111 1
LD SM1
TO 1 14 16#1111 1
LD SM0
FROM 1 12 D50 1
其中特別需要說明的是FROM和TO指令。這兩條指令主要用于模擬量處理，它的使用不同于西門子公司的直接尋址方式（PIW或PQW），而是用TO（寫入）和FROM（讀出）指令。對于模擬量模塊，通過這兩條指令來進行設置和參數的讀出。比如TO 1 14 16#1111 1 。 其中第一個1是指和CPU連接的第二個模塊（第一個是0）； 14是指其信息存儲器中的第14個存儲單元；16#1111是指16進制1111；最后的1是指寫入的單元數為1（只占用14單元一個，后面的單元不再寫）
2.4:實際參數設置
最后經多次修改和調試，確定比例系數為20，積分時間為1-3秒，微分時間為零。經過運行發現能夠滿足現場的生產工藝，達到爐膛溫度（實際為出口管道采集溫度）恒定控制的要求。
3、實際運行情況：
經過2個月左右的運行發現，系統能夠運行非常穩定，能夠維持出口風道溫度在286-288攝氏度左右，滿足了現場生產的要求。經過基本測算，節電率能夠達到25%-35%左右；而節煤量幾乎達到了35%以上，得到了客戶非常高的評價。經過節約資金量估算，經過半年左右即可收回全部設備投入資金。這對這次改造，我們認為在鍋爐燃燒系統中的變頻及PLC改造前景非常大，特別是艾默生公司變頻器及PLC產品優異的性能、堅實耐用和高可靠性、高精度的新技術核心，會為我們的節能技術改造提供最堅實的后盾！
參考文獻
①艾默生公司EV2000系列通用變頻器 艾默生網絡能源有限公司
②新型PID控制及其應用 機械工業出版社 陶永華
③EC20系統手冊 西門子公司自動化與驅動服務有限公司
④通用變頻器及其應用 機械工業出版社 韓安榮
⑤電機拖動與控制 西安電子科技大學出版社 劉保錄
⑥百特工控現場儀表選型手冊 福州福光百特自動化設備有限公司
⑦EC20-4DA使用說明 艾默生網絡能源有限公司
⑧EC20-4AD使用說明 艾默生網絡能源有限公司
⑨艾默生公司SK系列高性能變頻器 艾默生網絡能源有限公司
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