基于變頻調(diào)速技術(shù)的電氣自動(dòng)化控制方法

陳爽

(遼寧建筑職業(yè)學(xué)院,遼寧 遼陽111000)

本文提出基于變頻調(diào)速技術(shù)的電氣自動(dòng)化控制方法。以電氣設(shè)備數(shù)據(jù)采集為基礎(chǔ),通過對信息進(jìn)行交換,判斷電氣自動(dòng)化控制比例,并最終通過變頻調(diào)速技術(shù)對控制比例內(nèi)的電氣設(shè)備參數(shù)進(jìn)行控制。并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提方法的有效性。通過該研究,以期為該領(lǐng)域的實(shí)際研究提供有價(jià)值的參考。

1 電氣自動(dòng)化控制方法設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)采集

根據(jù)減少人員使用的設(shè)計(jì)原則,本文在數(shù)據(jù)采集模塊采用分層全開放的分布方式設(shè)計(jì),模塊由主控層和現(xiàn)地單元層兩部分組成。其中,主控層包括2臺操作工作站、以太網(wǎng)交換機(jī)、Modem組成,實(shí)現(xiàn)對電氣設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)視與采集,并對設(shè)備運(yùn)行記錄進(jìn)行統(tǒng)計(jì),為控制管理、HMI人機(jī)交互、數(shù)據(jù)通信等提供基礎(chǔ)[1-2]。在Modem上完成與上一級調(diào)度、電氣控制室信息管理模塊的通信。在現(xiàn)地控制單元層,共設(shè)計(jì)4套設(shè)備,分別為3套LCU機(jī)組和1套對應(yīng)線路,以此實(shí)現(xiàn)對各電氣設(shè)備的監(jiān)控。負(fù)責(zé)定時(shí)采集電氣設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和運(yùn)行參數(shù),并在對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理保存于數(shù)據(jù)庫中,作為各種計(jì)算、控制等功能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。

1.2 控制環(huán)境內(nèi)的信息交換

控制環(huán)境內(nèi)的信息交換主要包括PLC與設(shè)備之間以及采集模塊與PLC之間的通訊,其中PLC和設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸選用RS485串口通信,采用MODBUS協(xié)議[3]。把設(shè)備的通訊端口串接正確后,和PLC協(xié)議卡進(jìn)行通訊數(shù)據(jù)傳輸。MODBUS通信協(xié)議波特率為9600,包含一位起始位,八位數(shù)據(jù)位,一位停止位以及CRC校驗(yàn)位。在傳輸信號前,首先對信號進(jìn)行劃分,將其分成正、負(fù)兩部分,并通過兩條傳輸線分別進(jìn)行傳輸,接收端接收到信號后,將信號進(jìn)行相減處理,以此獲得原始信號。PLC和數(shù)據(jù)采集模塊之間的數(shù)據(jù)傳送單位為“幀”,數(shù)據(jù)采集發(fā)送通信命令給PLC,PLC接收后自主發(fā)送響應(yīng)幀給控制模塊。

1.3 電氣自動(dòng)化控制比例計(jì)算

根據(jù)上述信息交換結(jié)果,獲得到的電氣設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)以及實(shí)際運(yùn)行需求,對電氣自動(dòng)化控制比例進(jìn)行計(jì)算[4-5]。控制比例是指改變電氣自動(dòng)化增益的最基本控制基礎(chǔ),因此,本文對自動(dòng)化控制比例計(jì)算為:

其中,Q表示控制信號；λ 表示自動(dòng)化控制比例增益；q表示控制誤差；r(t)表示參考增益量；s(t)表示控制反饋量。控制比例可快速減小控制偏差值,但不能消除控制穩(wěn)態(tài)誤差,控制比例作用強(qiáng)弱與偏差大小成正比,不同的 λ,會產(chǎn)生不同的作用。λ 較小時(shí),調(diào)節(jié)作用也較?。欢?λ增大則控制作用加快,但超過正常范圍時(shí),將對穩(wěn)定性產(chǎn)生負(fù)面影響,因此采用使用 λ劃分控制比例大小。

1.4 基于變頻調(diào)速技術(shù)的參數(shù)控制

在上述電氣設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)采集和交換基礎(chǔ)上,根據(jù)分析的電氣自動(dòng)化控制比例,通過調(diào)速模塊對設(shè)備運(yùn)行進(jìn)行變頻調(diào)速,控制運(yùn)行參數(shù)。調(diào)速模塊裝置選用SIAMSG120模塊式交流變頻器,滿足控制比例內(nèi)的微調(diào)、行程調(diào)整等工作需要[6]。本文選用的是IIEP28C8芯片,采用FPGA實(shí)現(xiàn),包括5個(gè)組成電路,以此實(shí)現(xiàn)FFT、循環(huán)前綴插入、緩沖以及DA的功能,并完成對各個(gè)模塊的功能的仿真驗(yàn)證。如圖1為變頻調(diào)速模塊控制原理圖。

圖1 變頻調(diào)速模塊控制原理

變頻器配置制動(dòng)電阻來發(fā)揮制動(dòng)效果,以防因大型機(jī)械設(shè)備高速運(yùn)轉(zhuǎn)的機(jī)械能產(chǎn)生電能損壞變頻器裝置。變頻器在此控制模塊中采用的是矢量控制模式,對交流異步電動(dòng)機(jī)的速度進(jìn)行調(diào)速控制,通過信息交換模塊向PLC控制器進(jìn)行報(bào)文通信,以此控制電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、速度變換、停止,變頻控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)行的實(shí)際轉(zhuǎn)速則是通過狀態(tài)ZSW1來反饋給PLC控制器。使用SCOURT變頻器調(diào)試軟件來優(yōu)化設(shè)置變頻器,通過設(shè)置相應(yīng)的變頻器數(shù)據(jù)報(bào)文參數(shù)與電動(dòng)機(jī)參數(shù),然后給變頻器做靜態(tài)測試與動(dòng)態(tài)測試分析順利結(jié)束后,變頻器啟動(dòng)后對電動(dòng)機(jī)的速度控制達(dá)到靈活可控的目的,表示變頻器可以開始正常運(yùn)行工作[7-8]。當(dāng)變頻器調(diào)速控制模塊在微調(diào)控制狀態(tài)下時(shí),主電機(jī)處于微速度運(yùn)行,并可以正/反向運(yùn)轉(zhuǎn),滑塊的運(yùn)動(dòng)行程次數(shù)是5次/分。當(dāng)控制模塊處于行程狀態(tài)下時(shí),主電動(dòng)機(jī)只可以作正方向的高速運(yùn)行,并且在連續(xù)模式下,其滑塊的運(yùn)動(dòng)行程速度對應(yīng)次數(shù)在10-15次/分,速度連續(xù)可調(diào)。以此實(shí)現(xiàn)對電氣設(shè)備參數(shù)的實(shí)時(shí)連續(xù)控制,提高其運(yùn)行的合理性及穩(wěn)定性。

2 試驗(yàn)測試

2.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

選用某水站的凝結(jié)水泵作為試驗(yàn)對象,對其進(jìn)行控制測試。該水站的凝結(jié)水系統(tǒng)包括兩臺100%容量的凝泵,正常運(yùn)行方式為一開一備,凝泵為5級離心式多極立式泵,流量調(diào)節(jié)依靠凝泵出口調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié),出口調(diào)節(jié)閥采用一大一小2個(gè)的氣動(dòng)閥門。機(jī)組的變負(fù)荷范圍40%-100%,凝泵為多極立式離心泵。額定流量為640kg/s,揚(yáng)程為3200m,軸功率<2360kW,泵效率>83%,電機(jī)功率為2590kW,滿負(fù)荷情況下電機(jī)效率為95.5%。同時(shí),提高實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性,分別采用文獻(xiàn)[3]和文獻(xiàn)[4]方法同時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

首先,分別采用三種方法找出額定負(fù)荷點(diǎn)下,滿足凝水流量的凝泵的最低頻率,并將分析結(jié)果作為其自動(dòng)化控制的依據(jù)。在實(shí)驗(yàn)過程中,由于主調(diào)位門會在自動(dòng)情況下逐漸開大,閥門前后的壓差逐步減小。當(dāng)機(jī)組的減溫水壓力低于1.5 Mpa時(shí),低旁會閉鎖關(guān)閉,因此,要保證主調(diào)閥前的壓力不低于1.6 Mpa。三種方法得出的試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 三種方法控制下凝泵的最小頻率和電流

通過表1可知,在三種方法中,通過改變頻前后的凝泵電流對比,本文方法控制下凝泵的電流降低幅度最大,在500MW時(shí)甚至降到了原工頻電流的40%不到,如果不考慮低旁減溫水的最低壓力1.6 Mpa限制,還存在優(yōu)化空間,節(jié)能潛力非常巨大。這主要是因?yàn)楸疚姆椒▽δ眠M(jìn)行自動(dòng)化控制時(shí),首先實(shí)現(xiàn)了對其運(yùn)行數(shù)據(jù)的分析,以信息交換為基礎(chǔ),對控制比例進(jìn)行明確,并將調(diào)頻變速技術(shù)應(yīng)用與實(shí)際的設(shè)備參數(shù)控制環(huán)節(jié),實(shí)現(xiàn)了高精度的設(shè)備控制。同時(shí),在試驗(yàn)機(jī)組900MW-500MW負(fù)荷點(diǎn)中,將上述閥門開度作為目標(biāo)控制參數(shù),分別采用三種方法對凝水系統(tǒng)大/小閥的進(jìn)行自動(dòng)化控制。三種方法的控制結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同方法控制執(zhí)行結(jié)果

從圖2中可以看出,對比文獻(xiàn)[3]和文獻(xiàn)[4]方法,本文方法具有更高的執(zhí)行率,其式中保持在90%以上,這主要是因?yàn)楸疚姆椒ㄔ谧詣?dòng)化控制執(zhí)行過程中,轉(zhuǎn)矩比較器和磁通比較器實(shí)現(xiàn)了高頻率的數(shù)據(jù)對比,以此提高控制結(jié)果以實(shí)際控制目標(biāo)的擬合性,使控制效果更加精準(zhǔn)。

結(jié)束語

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,對于電氣的自動(dòng)化控制要求也越來越高,通過這種控制實(shí)現(xiàn)最大限度的設(shè)備保護(hù)和資源節(jié)約也逐漸成為該領(lǐng)域研究的重點(diǎn)。本文提出基于變頻調(diào)速技術(shù)的電氣自動(dòng)化控制方法,不僅實(shí)現(xiàn)了在滿足設(shè)備運(yùn)行要求,同時(shí)最大限度降低了運(yùn)行開銷,并且有效保證了控制輸出的準(zhǔn)確性,對于自動(dòng)化控制的研究具有一定的參考價(jià)值。