PLC用于離子膜電解槽整流電流調(diào)節(jié)

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系統(tǒng)（雙機熱備方式）進行PI控制并由獨立單片機系統(tǒng)實現(xiàn)脈沖輸出；浙江嘉化能源化工股份有限公司現(xiàn)有20臺整流器中，有16臺采用此類系統(tǒng)，控制主芯片為MCS96單片機，觸發(fā)系統(tǒng)采用MCS51單片機，均采用雙控熱備用方式運行，在實際運行中運行通道故障時備用通道有效投入使用達到了備用的目的，也發(fā)生過運行通道故障備用通道未投入跳機及在主通道無故障備用通道單一故障直接跳機的事件。另有4臺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有發(fā)生電流跌落和電流過沖引起保護動作短時脈沖封鎖的情況，考慮PLC的整體穩(wěn)定性現(xiàn)嘗試采用S7-200的PLC直接進行電流調(diào)節(jié)的試驗。

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間的邏輯關(guān)系設計出一種晶閘管觸發(fā)系統(tǒng)。0～5 V的直流輸入電壓信號，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)器或手動輸出的電壓都可以很方便地與其相連接（包括計算機送出的D/A信號），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個模擬量輸入通道在這里設置為0～5 V模擬量輸入，模擬量單個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，實際在使用0～10 V時有效分辨率僅為11位，PLC中變量后4位在輸出到通道時是無效的，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個采樣周期的平均值作為電流反饋當前量，即每次調(diào)節(jié)計算所依據(jù)的當前量由80個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，在實際測試中無法達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個模擬量輸出通道經(jīng)電阻網(wǎng)絡進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)換檔切換時的調(diào)整控制，本通道輸出0～10 V時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)定運行時穩(wěn)流控制用，本通道輸出輸出0～10 V時脈沖板得到的電壓為0～（5/16）V。這里2個通道迭加后的分辨率可以達到15位，能夠達到控制的要求。

當CFA變化最小單位16時，CFP的對應等效輸出是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）時間基準。電流采樣時間采用PLC最小許可的中斷時間1 ms，即每1 ms進行一次中斷程序。在上一次控制輸出達到一個工頻周期后開始電流的采樣，采滿20次后（即一個工頻周期）進行一次調(diào)節(jié)。

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

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

ΔI=SV-PV

（4）當控制設定值與當前反饋值相差較小時，系統(tǒng)在穩(wěn)定運行方式下運行，根據(jù)積分計算對穩(wěn)定調(diào)節(jié)的積分累加值進行計算。

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)通道對應，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)在低差值時更不穩(wěn)定。

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

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為設定值大于反饋值時的寬差增量積分系數(shù)，KISUB為設定值小于反饋值時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)通道輸出的中心點在14000～18 000和控制觸發(fā)板的電壓在0～5 V，需要MX與MX1進行調(diào)整。

圖3 1ms中斷子程序框圖

當MX＞18 000時對MX1增加一個有效輸出單位即160（輸出時為16），同時在MX減少256；當MX＜18 000時對MX1減少一個有效輸出單位即160（輸出時為16），同時在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CFA通道輸出進行限幅，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臺單片機控制系統(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)檔時的電流波動遠低于原單片機系統(tǒng)，穩(wěn)定運行時電流波動在單片機系統(tǒng)波動的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)檔時的電流波動與其相當，電流過沖小于模擬系統(tǒng)，穩(wěn)定運行時電流波動劣于模擬控制電流波動，達到模擬控制電流波動的1.5倍左右；啟動電流跟蹤優(yōu)于模擬系統(tǒng)，網(wǎng)電波動時控制反應過沖小于模擬系統(tǒng)。

（3）由于采用PLC進行調(diào)節(jié)計算，可以在開環(huán)控制（固定觸發(fā)角）模式下進行PLC程序在運行狀態(tài)下進行修改。對積分系數(shù)和電流控制的倍數(shù)在運行中可以對變量直接修改。

（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、交流采樣的實時脈動和采樣時間間隔等多種因素。因此按此模型在性能指標更高的MCU上進行采樣及調(diào)節(jié)，電流穩(wěn)定性會更好。

4 結(jié)語

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

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

（3）PLC對直流電流采樣時在本系統(tǒng)中經(jīng)過PLC自帶濾波器進行采樣濾波，其電流波動數(shù)值的物理意義在理解上會有不同，因此在本文中未提供任何電流波動的數(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，在投運過程中比例調(diào)節(jié)未能達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間，本控制模型的系統(tǒng)在直流反饋系統(tǒng)中未進行測試。

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