艾默生工控产品在锅炉温度控制中的应用
2007/9/11 16:48:00
摘要：文章介绍了艾默生公司变频器EV2000及SK系列变频器在油炉温度控制中的基本应用，及EC20系列PLC在温度PID控制中的基本应用编程。
Adoption of Industrial control production of Emerson in temperature control in oil boiler，and EC20(PLC) adoption in PID control.
前言：内蒙古美好食品有限公司是一家食品生产企业（馍片烤制），其油炉加热系统是用炉膛热风来加热油温的，通过油温烤制馍片。油炉实际和一台普通热水锅炉工作原理相似，通过引风、鼓风、炉排的连锁控制以实现风道出口温度恒定，用热风加热油温。由于原系统采用继电接触器控制，各电机之间均是工频运转，通过一个温度显示报警仪表，来控制鼓风的运转；引风则一直运转，炉排通过滑差电机来调速，基本是人工设定一转速后不再改变。由于该系统在恒温度控制方面的精度非常差，且电能浪费现象非常严重，煤的燃烧也很不充分，因此，我们做出如下改造设计。
1、变频恒温控制系统
1.1系统参数:
引风电机为11KW，鼓风2.2KW，炉排为1.5KW
设计采用EV2000-4T0110P（通用型）系列变频器，鼓风采用SK-4T0022G（矢量型，因为考虑到变频器体积较小，价格相差不多的情况下选择），炉排SK-4T0015G。具体系统主电路结构图及原理图如下：
控制原理：将现场热电偶信号（E型）送至温度变送仪表，除显示温度外，还将温度信号转换成4-20MA，送入EC20 PLC（EC20-4AD）模拟量输入端，经过PLC进行处理。EC20PLC模拟量输出端将PID计算出的给定信号分三路模拟量输出到三台变频器的给定。为保证鼓风、引风保证炉膛基本 负压的前提，因此具体变频器参数设置：
引风：
F0.00=4 CCI模拟给定 F0.03=1 端子运行命令通道
F0.04=4 运转方向设定 F0.05=4 最大输出频率50HZ
F0.07=4 最大输出电压380V F0.08=1 机型选择P（风机专用）
F0.14=1 V/F曲线设定 F2.01=30 启动频率30HZ
F2.08=0 停机方式（减速停机） FH.00=4 电机极数4
鼓风：
01=20最低转速 02=50HZ最高转速 03=5 04=10（加减速） 05=AIAU给定设置 06=5A 电机电流 16=4-20 电流输入（Ma）
41=FD 线性U/F控制
炉排：
01=5.0最低转速 02=40HZ最高转速 03=5 04=5（加减速） 05=AIAU给定设置 06=3A 电机电流 16=4-20 电流输入（Ma）
41=FD 线性U/F控制
1.2变频器的设置基本遵循如下原则：
鼓引风变频器控制风机，其机械特性属于平方转矩负载，因此其V/F曲线采用2次方曲线。同时，引风机的惯性比较大,因此其降速时间要求比较大，这是由于降速过程中变频器处于回馈制动状态 ，回馈能量将会造成直流侧母线电压过高而停机，因此，必须增长降速时间。同时，停机也要求软停车，能够延长风机的机械寿命。鼓风设置同引风差别不大，除了功率外几乎一致。但考虑为保持炉膛基本负压，必须将鼓风的升速时间要低于引风，而降速时间要快于引风。
炉排传动属于机械负载，因此炉排的控制方式为V/F基本控制或采用开环矢量控制，其低速时提供的转矩比较大，能够满足重载启动的要求，另外，系统要求的加减速时间都比较短，在5秒以内。
当检测点温度到达设定温度后，为保证温度稳定时间比较长，且要节约能源、降低损耗，因此引风、鼓风、炉排的最低运转速度分别设置为：30HZ、20HZ、5HZ。
2.1:硬件配置
由主机EC20-1410BRA、模拟量输入EC20-4AD、模拟量输出EC20-4DA组成。其中给定采用一块百特公司的数字给定表，可以人为设置给定值（4-20MA信号，在表上以百分数表示），给定信号送入EC20-4AD模拟量输入模块中，作为PID给定信号。另外安装一块温度数显表，该表除显示温度外，还将E型热电偶检测温度信号变送输出4-20MA信号，送入EC20-4AD输入模块作为PID反馈信号。PID控制程序是通过EC20编程软件CONTROLSTAR中调用固有PID控制子程序来实现出口温度PID恒定控制的。
2.2:连锁控制
连锁控制主要实现如下功能：
一、启动先启动引风、后启动鼓风，一般引风启动后3秒左右鼓风才能启动。
二、停车先停鼓风，鼓风不停，引风认为不能停车；引风发生变频故障，则鼓风立即停止。
三、故障报警、运行、停止指示通过PLC实现。
四、炉排不参与引风及鼓风连锁。
2.3:变频控制及温度PID程序
一、变频器接触器得、失电由PLC控制
二、变频器的启动、停止信号由PLC连锁控制。
三、变频器的给定信号，由PID计算出的输出信号通过模拟量输出EC20-4DA，以电流信号（4-20MA）的方式输出到变频器的电流给定端（CCI、GND）
四、PID控制由PLC应用软件通过编程的方式实现。具体过程比较简单，在CONTROLSTAR软件中的PID命令向导一步步完成，主要设置个别参数即可。具体PID编程语言如下：
LD SM0
PID D20 D21 D0 D22（PID调用）
LD SM0
MOV D50 D20 //设定目标值
MOV 10 D0 //采样时间(Ts) 范围为1～32767(ms)但比运算周 期短的时间数值无法执行
MOV 33 D1 //动作方向
MOV 0 D2 //输入滤波常数(α)范围0～99[﹪]，为0没有输入滤波
MOV 2000 D3 //比例增益(Kp)范围1～32767[﹪]
MOV 10 D4 //积分时间(TI)范围0～32767(×100ms),为0时作为∞处理(无积分)
MOV 0 D5 //微分增益(KD)范围0～100[﹪]，为0时无微分增益
MOV 0 D6 //微分时间(TD)范围0～32767(×10ms),为0时无微分处理
MOV 0 D15 //输入变化量(增侧)报警设定值0～32767
MOV 0 D16 //输入变化量(减侧)报警设定值0～32767
MOV 2000 D17 //输出上限设定值-32768～32767
MOV 0 D18 //输出下限设定值-32768～32767
主程序给定部分如下：
LD SM0
CALL PID_EXE（调用PID）
LD SM0
CALL PID_SET(PID参数设定)
LD X14 （系统自动运行）
TO 0 1 D22 1 （将D22 中内容写入模块0中的第一个单元中，即模拟量输出值，引风给定）
TO 0 2 D22 1
TO 0 3 D22 1
TO 0 0 16#0 1
LD SM1
TO 1 0 16#1313 1（设置模拟量输入信号方式，即1、3通道关闭，2、4为电流信号）
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
其中特别需要说明的是FROM和TO指令。这两条指令主要用于模拟量处理，它的使用不同于西门子公司的直接寻址方式（PIW或PQW），而是用TO（写入）和FROM（读出）指令。对于模拟量模块，通过这两条指令来进行设置和参数的读出。比如TO 1 14 16#1111 1 。 其中第一个1是指和CPU连接的第二个模块（第一个是0）； 14是指其信息存储器中的第14个存储单元；16#1111是指16进制1111；最后的1是指写入的单元数为1（只占用14单元一个，后面的单元不再写）
2.4:实际参数设置
最后经多次修改和调试，确定比例系数为20，积分时间为1-3秒，微分时间为零。经过运行发现能够满足现场的生产工艺，达到炉膛温度（实际为出口管道采集温度）恒定控制的要求。
3、实际运行情况：
经过2个月左右的运行发现，系统能够运行非常稳定，能够维持出口风道温度在286-288摄氏度左右，满足了现场生产的要求。经过基本测算，节电率能够达到25%-35%左右；而节煤量几乎达到了35%以上，得到了客户非常高的评价。经过节约资金量估算，经过半年左右即可收回全部设备投入资金。这对这次改造，我们认为在锅炉燃烧系统中的变频及PLC改造前景非常大，特别是艾默生公司变频器及PLC产品优异的性能、坚实耐用和高可靠性、高精度的新技术核心，会为我们的节能技术改造提供最坚实的后盾！
参考文献
①艾默生公司EV2000系列通用变频器 艾默生网络能源有限公司
②新型PID控制及其应用 机械工业出版社 陶永华
③EC20系统手册 西门子公司自动化与驱动服务有限公司
④通用变频器及其应用 机械工业出版社 韩安荣
⑤电机拖动与控制 西安电子科技大学出版社 刘保录
⑥百特工控现场仪表选型手册 福州福光百特自动化设备有限公司
⑦EC20-4DA使用说明 艾默生网络能源有限公司
⑧EC20-4AD使用说明 艾默生网络能源有限公司
⑨艾默生公司SK系列高性能变频器 艾默生网络能源有限公司
Adoption of Industrial control production of Emerson in temperature control in oil boiler，and EC20(PLC) adoption in PID control.
前言：内蒙古美好食品有限公司是一家食品生产企业（馍片烤制），其油炉加热系统是用炉膛热风来加热油温的，通过油温烤制馍片。油炉实际和一台普通热水锅炉工作原理相似，通过引风、鼓风、炉排的连锁控制以实现风道出口温度恒定，用热风加热油温。由于原系统采用继电接触器控制，各电机之间均是工频运转，通过一个温度显示报警仪表，来控制鼓风的运转；引风则一直运转，炉排通过滑差电机来调速，基本是人工设定一转速后不再改变。由于该系统在恒温度控制方面的精度非常差，且电能浪费现象非常严重，煤的燃烧也很不充分，因此，我们做出如下改造设计。
1、变频恒温控制系统
1.1系统参数:
引风电机为11KW，鼓风2.2KW，炉排为1.5KW
设计采用EV2000-4T0110P（通用型）系列变频器，鼓风采用SK-4T0022G（矢量型，因为考虑到变频器体积较小，价格相差不多的情况下选择），炉排SK-4T0015G。具体系统主电路结构图及原理图如下：
控制原理：将现场热电偶信号（E型）送至温度变送仪表，除显示温度外，还将温度信号转换成4-20MA，送入EC20 PLC（EC20-4AD）模拟量输入端，经过PLC进行处理。EC20PLC模拟量输出端将PID计算出的给定信号分三路模拟量输出到三台变频器的给定。为保证鼓风、引风保证炉膛基本 负压的前提，因此具体变频器参数设置：
引风：
F0.00=4 CCI模拟给定 F0.03=1 端子运行命令通道
F0.04=4 运转方向设定 F0.05=4 最大输出频率50HZ
F0.07=4 最大输出电压380V F0.08=1 机型选择P（风机专用）
F0.14=1 V/F曲线设定 F2.01=30 启动频率30HZ
F2.08=0 停机方式（减速停机） FH.00=4 电机极数4
鼓风：
01=20最低转速 02=50HZ最高转速 03=5 04=10（加减速） 05=AIAU给定设置 06=5A 电机电流 16=4-20 电流输入（Ma）
41=FD 线性U/F控制
炉排：
01=5.0最低转速 02=40HZ最高转速 03=5 04=5（加减速） 05=AIAU给定设置 06=3A 电机电流 16=4-20 电流输入（Ma）
41=FD 线性U/F控制
1.2变频器的设置基本遵循如下原则：
鼓引风变频器控制风机，其机械特性属于平方转矩负载，因此其V/F曲线采用2次方曲线。同时，引风机的惯性比较大,因此其降速时间要求比较大，这是由于降速过程中变频器处于回馈制动状态 ，回馈能量将会造成直流侧母线电压过高而停机，因此，必须增长降速时间。同时，停机也要求软停车，能够延长风机的机械寿命。鼓风设置同引风差别不大，除了功率外几乎一致。但考虑为保持炉膛基本负压，必须将鼓风的升速时间要低于引风，而降速时间要快于引风。
炉排传动属于机械负载，因此炉排的控制方式为V/F基本控制或采用开环矢量控制，其低速时提供的转矩比较大，能够满足重载启动的要求，另外，系统要求的加减速时间都比较短，在5秒以内。
当检测点温度到达设定温度后，为保证温度稳定时间比较长，且要节约能源、降低损耗，因此引风、鼓风、炉排的最低运转速度分别设置为：30HZ、20HZ、5HZ。
2.1:硬件配置
由主机EC20-1410BRA、模拟量输入EC20-4AD、模拟量输出EC20-4DA组成。其中给定采用一块百特公司的数字给定表，可以人为设置给定值（4-20MA信号，在表上以百分数表示），给定信号送入EC20-4AD模拟量输入模块中，作为PID给定信号。另外安装一块温度数显表，该表除显示温度外，还将E型热电偶检测温度信号变送输出4-20MA信号，送入EC20-4AD输入模块作为PID反馈信号。PID控制程序是通过EC20编程软件CONTROLSTAR中调用固有PID控制子程序来实现出口温度PID恒定控制的。
2.2:连锁控制
连锁控制主要实现如下功能：
一、启动先启动引风、后启动鼓风，一般引风启动后3秒左右鼓风才能启动。
二、停车先停鼓风，鼓风不停，引风认为不能停车；引风发生变频故障，则鼓风立即停止。
三、故障报警、运行、停止指示通过PLC实现。
四、炉排不参与引风及鼓风连锁。
2.3:变频控制及温度PID程序
一、变频器接触器得、失电由PLC控制
二、变频器的启动、停止信号由PLC连锁控制。
三、变频器的给定信号，由PID计算出的输出信号通过模拟量输出EC20-4DA，以电流信号（4-20MA）的方式输出到变频器的电流给定端（CCI、GND）
四、PID控制由PLC应用软件通过编程的方式实现。具体过程比较简单，在CONTROLSTAR软件中的PID命令向导一步步完成，主要设置个别参数即可。具体PID编程语言如下：
LD SM0
PID D20 D21 D0 D22（PID调用）
LD SM0
MOV D50 D20 //设定目标值
MOV 10 D0 //采样时间(Ts) 范围为1～32767(ms)但比运算周 期短的时间数值无法执行
MOV 33 D1 //动作方向
MOV 0 D2 //输入滤波常数(α)范围0～99[﹪]，为0没有输入滤波
MOV 2000 D3 //比例增益(Kp)范围1～32767[﹪]
MOV 10 D4 //积分时间(TI)范围0～32767(×100ms),为0时作为∞处理(无积分)
MOV 0 D5 //微分增益(KD)范围0～100[﹪]，为0时无微分增益
MOV 0 D6 //微分时间(TD)范围0～32767(×10ms),为0时无微分处理
MOV 0 D15 //输入变化量(增侧)报警设定值0～32767
MOV 0 D16 //输入变化量(减侧)报警设定值0～32767
MOV 2000 D17 //输出上限设定值-32768～32767
MOV 0 D18 //输出下限设定值-32768～32767
主程序给定部分如下：
LD SM0
CALL PID_EXE（调用PID）
LD SM0
CALL PID_SET(PID参数设定)
LD X14 （系统自动运行）
TO 0 1 D22 1 （将D22 中内容写入模块0中的第一个单元中，即模拟量输出值，引风给定）
TO 0 2 D22 1
TO 0 3 D22 1
TO 0 0 16#0 1
LD SM1
TO 1 0 16#1313 1（设置模拟量输入信号方式，即1、3通道关闭，2、4为电流信号）
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
其中特别需要说明的是FROM和TO指令。这两条指令主要用于模拟量处理，它的使用不同于西门子公司的直接寻址方式（PIW或PQW），而是用TO（写入）和FROM（读出）指令。对于模拟量模块，通过这两条指令来进行设置和参数的读出。比如TO 1 14 16#1111 1 。 其中第一个1是指和CPU连接的第二个模块（第一个是0）； 14是指其信息存储器中的第14个存储单元；16#1111是指16进制1111；最后的1是指写入的单元数为1（只占用14单元一个，后面的单元不再写）
2.4:实际参数设置
最后经多次修改和调试，确定比例系数为20，积分时间为1-3秒，微分时间为零。经过运行发现能够满足现场的生产工艺，达到炉膛温度（实际为出口管道采集温度）恒定控制的要求。
3、实际运行情况：
经过2个月左右的运行发现，系统能够运行非常稳定，能够维持出口风道温度在286-288摄氏度左右，满足了现场生产的要求。经过基本测算，节电率能够达到25%-35%左右；而节煤量几乎达到了35%以上，得到了客户非常高的评价。经过节约资金量估算，经过半年左右即可收回全部设备投入资金。这对这次改造，我们认为在锅炉燃烧系统中的变频及PLC改造前景非常大，特别是艾默生公司变频器及PLC产品优异的性能、坚实耐用和高可靠性、高精度的新技术核心，会为我们的节能技术改造提供最坚实的后盾！
参考文献
①艾默生公司EV2000系列通用变频器 艾默生网络能源有限公司
②新型PID控制及其应用 机械工业出版社 陶永华
③EC20系统手册 西门子公司自动化与驱动服务有限公司
④通用变频器及其应用 机械工业出版社 韩安荣
⑤电机拖动与控制 西安电子科技大学出版社 刘保录
⑥百特工控现场仪表选型手册 福州福光百特自动化设备有限公司
⑦EC20-4DA使用说明 艾默生网络能源有限公司
⑧EC20-4AD使用说明 艾默生网络能源有限公司
⑨艾默生公司SK系列高性能变频器 艾默生网络能源有限公司
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