摘 要：針對火電廠的調(diào)速型液力偶合器，介紹了基于西門子S7-200PLC的控制系統(tǒng)，包括測控對象分析、系統(tǒng)硬件組成和控制程序設(shè)計(jì)等。運(yùn)用PID算法調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速，控制系統(tǒng)提高了整機(jī)運(yùn)行的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。

關(guān)鍵詞：液力偶合器;PLC;電動執(zhí)行器;PID

　　火力發(fā)電廠的鍋爐給水泵，需要根據(jù)機(jī)組負(fù)荷的改變來調(diào)節(jié)給水壓力和給水量。在幾種調(diào)節(jié)方式中，因改變給水泵轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)流量具有明顯的節(jié)能效果而被廣泛采用。對于大容量機(jī)組的鍋爐給水泵，通常以異步電動機(jī)為動力，幾乎都是通過安裝液力偶合器進(jìn)行機(jī)械調(diào)速，并且這種調(diào)速方法具有空載起動電動機(jī)的良好作用[1]。

　　液力偶合器屬于電廠輔助設(shè)備，目前大多數(shù)都是采用分散儀表監(jiān)控，有的甚至脫控運(yùn)行，亟待運(yùn)用測控新技術(shù)，對其運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行自動監(jiān)測和控制。西門子S7一200PLC是一個非常好的選擇，它性價(jià)比高、系統(tǒng)組裝和構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)非常靈活、而且具有PID調(diào)節(jié)指令功能，編程和調(diào)試非常方便，因此，基于西門子PLC的控制系統(tǒng)將極大地提高整機(jī)運(yùn)行的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。

1 調(diào)速原理

　　液力偶合器安裝于異步電動機(jī)和給水泵之間，它是一種利用液體通過泵輪和渦輪來傳遞功率的傳動裝置，主要由泵輪、渦輪、旋轉(zhuǎn)外殼和勺管等部件組成，如圖1.1所示。工作時，輸入軸從電動機(jī)處獲得能量，通過中間軸，泵輪將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)楣ぷ髑粌?nèi)的液體動能，推動渦輪轉(zhuǎn)動，再變成機(jī)械能傳給輸出軸，帶動鍋爐給水泵工作。

　　為適應(yīng)機(jī)組工況的變化要求，在電動機(jī)轉(zhuǎn)速恒定的情況下，調(diào)節(jié)勺管的開度，可改變偶合器工作腔里的充液量，不同的充液量可以得到不同的輸出特性，因此，通過連續(xù)改變充液量既可實(shí)現(xiàn)輸出軸的無級調(diào)速。

　　調(diào)速機(jī)構(gòu)中的勺管，由電動執(zhí)行器通過簡單的機(jī)械機(jī)構(gòu)驅(qū)動。電動執(zhí)行器接受標(biāo)準(zhǔn)電流信號，將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的轉(zhuǎn)角輸出，因此，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速實(shí)際上是調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的輸出模擬量信號，西門子S7一200PLC滿足這一主要功能要求。

2 測控對象

　　1）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)

　　該系統(tǒng)最主要的測控對象是液力偶合器輸出軸的轉(zhuǎn)速。調(diào)速原理如圖2.1所示，利用液位變送器，將反應(yīng)鍋爐水位的模擬量信號送給控制系統(tǒng)，同時利用測速變送器，將輸出軸轉(zhuǎn)速也反饋給控制系統(tǒng)，依據(jù)設(shè)定的PID控制算法計(jì)算后輸出電流信號，電動執(zhí)行器將之轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的輸出轉(zhuǎn)角，通過調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)驅(qū)動勺管移動，其開度對應(yīng)鍋爐水位要求的泵輪轉(zhuǎn)速。

　　2）工作油系統(tǒng)

　　液力偶合器工作腔內(nèi)介質(zhì)油的最佳工作溫度為60°～70°C，油溫高雖然有利于能量的傳遞，但過高反而有害無益，因此要限制工作油溫度范圍為35～100°C，采用鉑電阻溫度傳感器，當(dāng)油溫高于110°C時報(bào)警，當(dāng)油溫高于130°C時停止主電機(jī)運(yùn)行。另外在工作油冷卻器入口和出口分別設(shè)置溫度傳感器，將入口油溫度控制在60～100°C，將出口油度溫控制在35～75°C。

　　3）潤滑油系統(tǒng)

　　高轉(zhuǎn)速、大功率液力偶合器帶有滑動軸承，其潤滑油系統(tǒng)獨(dú)立于工作油系統(tǒng)，因此在輸入軸、中間軸、輸出軸等處設(shè)置6個鉑電阻溫度傳感器，測量滑動軸承溫度，避免溫度過高使?jié)櫥阅茏儾睿瑹龎妮S瓦。限定潤滑油溫度范圍在35～85°C，當(dāng)油溫高于90°C時報(bào)警，當(dāng)油溫高于95°C時停止主機(jī)運(yùn)行。另外在潤滑油冷卻器入口和出口分別設(shè)置溫度傳感器，將入口油溫度控制在45～65°C，將出口油溫度控制在35～55°C。

　　為防止壓力過低供油不足而造成潤滑情況惡劣，限定潤滑油壓力范圍在0.2～0.3Mpa，監(jiān)測母管油壓，當(dāng)油壓低于0.1Mpa時報(bào)警，并且啟動輔助油泵，低于0.05Mpa則必須停止主電機(jī)運(yùn)行。另外還要限定濾油器進(jìn)出口壓力差不超過0.6Mpa 。

3 硬件組成

　　反映系統(tǒng)狀態(tài)的主要參數(shù)是水位、轉(zhuǎn)速、油溫、油壓等物理量，選用各類變送器轉(zhuǎn)換為4～20mA的標(biāo)準(zhǔn)電流信號，共計(jì)14路模擬量;各電機(jī)、閥門、報(bào)警指示燈等開關(guān)量輸入輸出共30點(diǎn)，因此系統(tǒng)的配置不甚復(fù)雜。采用西門子S7一200系列小型機(jī)控制，一旦發(fā)生故障影響面小、容易查找。

　　首先選用CPU226模塊，具有24點(diǎn)輸出/16點(diǎn)輸入，可連接7個擴(kuò)展模塊，提供1000mA的總線電流，并且具有32位浮點(diǎn)運(yùn)算功能和內(nèi)置集成的PID調(diào)節(jié)運(yùn)算指令，非常適合液力偶合器調(diào)速的鍋爐供水系統(tǒng)。

　　其次擴(kuò)展EM231模擬量輸入模塊（4路模擬量輸入，消耗DC5V電流為10mA）3塊;擴(kuò)展EM235模擬量輸入輸出模塊（4路模擬量輸入/1路模擬量輸出，消耗DC5V電流為10mA）1塊，通過DIP開關(guān)進(jìn)行設(shè)置，輸入輸出端口時能夠自動完成A/D和D/A的轉(zhuǎn)換，即標(biāo)準(zhǔn)電流信號與一個字長（16bit）的數(shù)字信號的自動轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)總擴(kuò)展模塊數(shù)為4，CPU226的電源能滿足所有擴(kuò)展模塊消耗DC5V總線電流的能力。

　　另外，CPU226本機(jī)集成了兩個通訊口，其中一個使用 MPI協(xié)議，使液力偶合器作為從站，完成其控制系統(tǒng)與主站的通訊;另一個用于TP070顯示器接口，作為本機(jī)系統(tǒng)的顯示界面[2]。

4 控制程序

　　控制程序采用主程序、子程序以及中斷程序來編寫。主程序完成電機(jī)、油泵啟停等開關(guān)量邏輯控制以及溫度、壓力等主要模擬量監(jiān)控和報(bào)警;子程序SBRO～SBR11傳遞工作油溫控制參數(shù)、潤滑油溫度、壓力、壓差控制參數(shù);主程序允許定時中斷，進(jìn)入中斷服務(wù)程序執(zhí)行含有PID指令的一段程序，對輸出軸進(jìn)行調(diào)速控制。

　　1）主程序

　　為了保證液力偶合器正常工作，控制系統(tǒng)必須滿足嚴(yán)格的的啟動、運(yùn)行和停止條件。既開機(jī)順序?yàn)橄葐虞o助潤滑油泵、開冷卻水閘，再啟動主電機(jī);停機(jī)順序?yàn)橄韧Ｖ麟姍C(jī)，再停潤滑油泵、關(guān)閉冷卻水閘;運(yùn)行工作條件為勺管調(diào)速構(gòu)控制功能正常、油溫和油壓監(jiān)測系統(tǒng)正常等[3]。 系統(tǒng)主程序流程如圖4.1所示。

　　2）數(shù)字PID控制程序

　　根據(jù)液力偶合器的結(jié)構(gòu)特性可知，機(jī)械-液力傳動系統(tǒng)慣性較大，輸出軸速度調(diào)節(jié)響應(yīng)有一定的滯后性。正可運(yùn)用S7-200PLC中的PID控制子程序，與EM235模擬量輸入輸出模塊一起，提高系統(tǒng)的速度調(diào)節(jié)響應(yīng)，改善系統(tǒng)的動態(tài)特性[4]。

　　PID控制器的設(shè)計(jì)是以連續(xù)的PID控制規(guī)律為基礎(chǔ)的，sp（t）是依據(jù)鍋爐水位確定的輸出軸給定速度值, pv（t）為輸出軸速度反饋量，e（t）=sp（t）-pv（t）為誤差信號， c（t）為系統(tǒng)的輸出量。PID控制算法的輸出量如下式所示:
　　
　　

　　Mintal為輸出的初始值，Kc為系統(tǒng)比例系數(shù)， Ti, Td為PID的積分、微分時間。

　　輸出軸轉(zhuǎn)速的PID閉環(huán)控制系統(tǒng)如圖4.2所示，將上式數(shù)字化，寫成離散形式的PID方程，則程序中實(shí)際的PID算式如下式所示:

　　

　　上式中共包含九個參數(shù)，存儲在36字節(jié)的PID回路參數(shù)表內(nèi)，見表4.1。CPU226提供的PID回路指令， 其操作就取決于這九個參數(shù)，必須指定內(nèi)存區(qū)內(nèi)該參數(shù)表的首地址。在應(yīng)用于PID指令之前，需要將參數(shù)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)化的浮點(diǎn)數(shù)表示形式，轉(zhuǎn)換的第一步是把實(shí)際值從16位整數(shù)數(shù)值轉(zhuǎn)換為浮點(diǎn)數(shù)數(shù)值，第二步是將轉(zhuǎn)換后的浮點(diǎn)數(shù)再轉(zhuǎn)換成位于0.0～1.0之間的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)值。

　　表4.1 PID回路參數(shù)表

　　由于機(jī)械-液力傳動系統(tǒng)慣性較大，本系統(tǒng)僅采用比例和積分控制，100毫秒中斷一次，做PID計(jì)算，通過工程計(jì)算初步確定其增益和時間常數(shù)為Kc =2.5、Ti =60s、Td=0s、Ts=0.1s,進(jìn)一步計(jì)算后可達(dá)到最優(yōu)控制效果。

5 結(jié)論

　　基于西門子PLC的控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對液力偶合器主要運(yùn)行參數(shù)的實(shí)時監(jiān)控。通常，電廠鍋爐配備兩臺以上的給水泵，結(jié)合蒸汽鍋爐運(yùn)行狀態(tài)的自動監(jiān)測，可以實(shí)現(xiàn)整個機(jī)組的在線監(jiān)控、故障診斷和報(bào)警等,西門子PLC具有豐富的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建功能，因此液力偶合器控制系統(tǒng)尚有很大的可擴(kuò)展性。

　　本文作者創(chuàng)新點(diǎn)在于：利用PLC的PID調(diào)節(jié)功能取代了原來電動執(zhí)行器必需配備的勺管伺服放大器，加快了系統(tǒng)的響應(yīng)速度。

參考文獻(xiàn):

　　[1]楊乃喬,姜麗英編著,液力調(diào)速與節(jié)能[M],北京:國防工業(yè)出版社,2000.5:2-5

　　[2]殷洪義,可編程序控制器選擇設(shè)計(jì)與維護(hù)[M],北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004.3:143-147

　　[3]張雪平,PLC在鍋爐風(fēng)機(jī)控制中的應(yīng)用[J],微計(jì)算機(jī)信息,2005.6:42-43

　　[4]西門子（中國）有限公司，SIMATIC S7-200可編程序控制器系統(tǒng)手冊[Z],2004.6:2-5