DCS系统结合变频调速应用实例

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题目：DCS系统结合变频调速应用实例

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姓名：郭凯健

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毕业论文（设计）任务书

论文（设计）题目：DCS系统结合变频调速应用实例

系别：专业：电气自动化专业

姓名：郭凯健指导教师：

一、主要内容及基本要求

本课题的主要内容是运用DCS控制系统（Dlstributed Control System，分散控制系统）与变频调速技术相结合，设计出高精度，高可靠的自动化控制系统，以满足现代大型工业生产自动化日益复杂的过程控制要求。本课题的核心技术是DCS的组态、PID控制和变频调速技术的整合应用，自动调节灰库负压风机运行状态，使控制对象的运行参数能非常稳定地保持在设定值范围内。并且通过该课题体现科技进步是现代企业提高生产力，有效节能降耗的重要手段。

二、重点研究的问题

DCS系统的软件组态技术以及PID控制原理的应用问题，变频器调速技术的应用实践。

三、进度安排

四、应收集的资料及主要参考文献

1．《自动控制原理》主编胡涛涛科学出版社

2．《工业变频器原理及应用》主编魏召刚北京电子工业出版社

4.《电工新技术教程》主编梁耀光余文烋中国劳动社会保障出版社3．《XDPS工程师手册》新华控制工程有限公司

4、《ACS800标准控制程序7.X 固件手册》北京ABBA电气传动系统有限公司

5、变频器控制原理图

6、压力变送器说明书

目录

摘要

Abstract

1 引言 (4)

2DCS系统结合变频调速运行的原理 (5)

3 DCS系统控制变频风机恒压运行方案的设计 (5)

3.1控制对象 (6)

3.2执行机构 (6)

3.3传感器 (6)

3.4PID控制器 (6)

3.5恒压控制理论分析 (6)

4DCS系统组态的设计 (7)

4.1控制外部设备和测点信号采集 (7)

4.2 DPU组态功能模块设置 (7)

4.3变频自动控制DCS逻辑图 (9)

5变频器的选择 (11)

5.1现在较常用的交流调速传动 (12)

5.2交-直-交变频器 (12)

5.3交-直-交变频器其基本构 (12)

5.4异步电动机同步转速 (13)

5.5 U/f控制 (13)

5.6 VVVF调速控制 (13)

5.7选择变频器 (13)

6变频器安装具体注意事项 (13)

6.1 ACS 800—04P—0025—3+P901变频器控制原理如图 (14)

6.2 RMIO板上的端子回路说明 (15)

6.3 变频器主要参数设置 (16)

6.4信号线的防干扰处理 (16)

6.5变频器的加减速斜率时间 (17)

6.6变频器的维护 (17)

7 总结 (17)

参考文献 (18)

致谢 (18)

DCS系统结合变频调速应用实例

摘要

DCS系统（DIstributed Control System）是一个融计算机、网络、数据库、信息技术和自动控制技术为一体的工业控制系统。变频器是利用电力半导体器件的通断作用把电压、频率固定不变的交流电变成电压、频率都可调的交流电源，现在使用的变频器主要采用交—直—交方式（VVVF变频或矢量控制变频），实现对交流电机的平滑调速。DCS系统与变频器结合能构成一个稳定性高、跟踪准确、系统响应快速、性能优异的自动调速系统。本文介绍我们运用此项技术对负压风机进行技术改进的过程。

关键词:DCS PID组态变频调速自动控制

Abstract

The DCS （DIstributed Control System）system is an industrial control system which combine computer, Internet, database, information technology and autocontrol technology. The transducer use the onoff action of the power semiconductor device to change the alternating current whose voltage, frequency are fixed into alternating current power supply whose voltage and frequency are adjustable. Recently, transducer always adopt AC-DC-AC way to finish the smoothly motor speed of the AC dynamo. DCS system integrated with transducer can constitute an automatic speed control system which has high stability, tracking accuracy, quick response and excellent performance. This paper introduce the process of improving gasification blower by using this technology by our company.

Key words: DCS PID configuration VVVF autocontrol

1 引言

在热电行业中，锅炉是主要设备，而负压风机则是锅炉的除尘系统密闭式储灰库的除尘器负压风机，风机电机是交流三相380V，功率22KW，其作用是使密闭的灰库形成-800pa负压，有利于锅炉除尘器输送过来的飞灰能顺利地输送进入灰库内。但负压风机电机运行时是以工频运转的定速方式，通过风门挡板开度调节排风量以保持输灰所要求的负压，而且需要人工根据负压的变化来调节风门。如能将这台风机改成变频调速，并且应用DCS系统实现远程控制以及根据给定的运行负压参数自动调节运行频率，这样不但能使灰库的压力更加稳定，而且将能产生显著的节能效果，并且能大大提高自动化程度，方便运行人员操作控制，提高设备的自动化程度，降低操作人员的劳动强度。

2 DCS系统结合变频调速运行的原理

目前大型工业锅炉自动控制使用的DCS系统能够在线实时采集过程参数，实时对系统信息进行加工处理，结果能迅速反馈给系统，完成自动调节和控制。组态软件系统中各功能块的组合可精确实现偏差运算、PID运算、调节器等功能，与变频调速装置及压力测量反馈配合能构成高稳定性的闭环控制系统，可实现跟踪负荷的变化，根据目标值自动调节变频器的运行频率给定值。并且能实现远程集中控制和监视。

3DCS系统控制变频风机恒压运行方案的设计

变频器的控制可以是远程控制的，也可以通过本身控制键盘进行手动控制，目前我们在控制负压风机的设计方案主要是运用DCS系统里的PID模块实现闭环调速控制方式(closed-loop control system)。如图3-1所示，系统主要由四部分组成：

图3-1 PID控制器框图

3.1、控制对象

灰库，容积300立方米，由于储存的物料为粉状物，因此要求库内压力维持在-800pa左右的负压，以利于输送管道里的物料顺利进入。

3.2、执行机构

调速变频器及负压风机电机，变频器选用ABB ACS 800—04P—0025—

3+P901适配通用电机，功率25KW额定电流49A。一般用于连续运行的变频器容量的选择基本方法是，变频器额定输出电流约等于1.03倍电机的额定电流。电机功率22KW，额定电流：42.2A。

3.3、传感器

压力变送器（PT），选用罗丝蒙特3051型-1.5—1.5kpa,用于检测灰库压力，将压力信号变换成4--20mA的标准电流信号反馈给DCS系统的Dev模块。

3.4、PID控制器

DCS系统的PID功能块组合Dev、Epid、ES/MA，输入信号4--20mA，采用闭环系统，能及时对偏差进行控制，变频器的加速和减速可根据灰库压力给定值进行自动调节，使灰库负压保持在设定值范围。

3.5、恒压控制理论分析

变频调速风机恒压运行系统控制对象是一个时变的、非线性的、滞后的、模型不稳定的对象，对它的控制属于工业过程控制的范畴，它以灰库内压力（负压）为控制目标，在控制上实现灰库的运行压力跟随设定的压力值。设定的灰库压力可以是一个常数，也可以是一个时间分段函数，在每一个时段内是一个常数。所以，在某个特定时段内，灰库恒压的目标就是使灰库内的实际负压维持在设定的灰库压力上，其恒压控制的原理图，如图3-1所示。

从恒压控制的原理中可以看出，在系统运行过程中，如果实际灰库负压出现向零的趋势时，控制系统将得到向正方向的压力差，这个差值经过计算和转换，计算出变频器输出频率的的增加值，该值就是为了减小实际灰库压力与设定压力的差值，将这个增量与变频器当前的输出值相加，得出的值就是变频器当前应该输出的频率，该频率使负压风机电机的转速增加，从而使实际灰库负压增加，在运行中该过程将被重复，直到实际灰库压力和设定压力相等为止。如果灰库实际负压有往负方向增大的趋势时，情况刚好相反，变频器的输出频率降低，负压风机电机的转速降低，同样，最后调节的灰库压力结果与设定压力相等。

4 DCS系统组态的设计

DCS系统能对实时数据处理并输出测点的节点称为DPU，DPU可用类似CAD 方式的图形组态工具进行组态，组态针对一个DPU进行，组态内容包括DPU内部的控制策略，内部点与I/O卡及端子板等硬件的对应关系及内部点与全局点之间的对应关系等。在需将内部测点送上网供其它节点共享或需引用其它节点测点数据时，可从引索点目录获取共享点的索引号。

4.1、控制外部设备和测点信号采集

系统控制外部设备和测点信号反馈、采集等都必须由端子板硬件模块I/O板

来完成，如图4-1所示，根据信号的不同性质选择相对应的端子模块。如启动信号反馈，远方/就地等属于开关量输入信号，应选用开关量输入端子模块即DI板，用于变频启/停信号是属于开关量输出信号，相应选用开关量输出端子模块，即DO板。压力反馈变频反馈等电流输入信号，选择模拟量电流输入端子模块AI板，变频频率给定是4-20mA电流输出，选用模拟量电流输出端子模块AO板。

4.2、DPU组态功能模块设置

DPU是DCS的一种功能，而并不具体到什么硬件，可以通过I/O驱动与不同的I/O硬件连接，本项目的DPU组态思路如图4所示。变频器的启动，停止信号是由DEVICE（数字手操器模块）控制图4-1，模块中的Out 1点是风机启动停止指令输出点，信号送到输出模块供与此相对应的I/O端子（表4-1）的风机启/停I/O点引用，达到控制变频启/停的功能。其它控制也是同一原理，需要特别说明的是，DEVICE模块中的VC点是该模块的打包控制输出，信息送到模拟量上网模块中供实时网络共享。FB3点具有最高优先级，当输入信号为1时（布尔量信号），功能块输出均被禁止。图4-1中Qor8是输入数量或功能块，其中设置成Num=1，即如果输入中有任何一个≧Num个1时，输出点D=1，否则=0。因此，如果风机有故障信号、切换到就地控制或检修软挂牌时，DEVICE功能均被禁止（灰库启\停软手器操作介面如图4-2所示）。

表4-1 灰库风机启停及控制系统点I/O点目录表

图4-1灰库风机启停DCS逻辑

4.3、变频自动控制DCS逻辑图

本课题中图4-3是重点部分，变频器的频率给定控制是按照闭环控制系统

（closed-loop control system）的原侧来设计。

图4-3 灰库变频自动控制DCS逻辑

如图4-3的DCS组态图所示，变频器运行频率的给定有两种方式，手动及

自动控制方式，并且手自动的切换实行无扰切换。图中灰库风压给定和灰库风压反馈两个值分别送入Dev（偏差运算模块）的X1、X2输入点，Dev模块将两个值进行比较求出偏差，其偏差值由Y点送出至Epid（PID运算模块）的E点输入，Epid模块中TR点是被跟踪量设置、Kp点是是放大系数设定、Ti是积分时间设置、Td是微分设置。以上几个参数是根据厂家推荐的经验值结合凑试法得出的参数设置。凑试时先调比例系数，将参数由小变大并观察系统响应，直到得到反应快，超调小的响应曲线。在调整积分时，先将积分设定在一个较大的值，然后略为调小比例系数，再减少积分时间，使系统得到良好的动态响应，且静差得到消除。以上调整已能满足要求，微分可不须调整设置为0。偏差信号经Epid模块运算后由Y点送出至ES/MA（模拟软手操器摸块）的X点，M/A站输入，作为模拟软手操器的自动调节信号。SP点是负压给定值打包控制点输出，信息送至模拟量上网模块31供实时网共享，其信息被Dev模块的X1点灰库风压给定引用。ES/MA 模块的FB点是变频频率反馈，S点是手动自动无扰切换点，Y点是M/A站输出，属于被控量输出，送至模拟量页间输出模块37。由AO摸块模拟量页间输入模块37引用，通过AO板端子输出4-20mA电流信号作为变频器频率给定，控制变频器运行。（模拟软手操器操作介面如图4-4所示）

图4-4 模拟软手操器操作介面

5变频器的选择

5.1、现在较常用的交流调速传动：主要是指采用电子式电力变换器对交流电动机的变频调速传动，即变频调速。交流调速传动控制技术是电力电子器件IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor），包括半控型和全控型器件的制造技术、基于电力电子电路的电力变换技术、交流电动机的矢量变换控制技术、直接转矩控制技术、PWM（Pulse Width Modulation）技术以及以微型计算机和大规模集成电路为基础的全数字化控制技术等。

5.2、交-直-交变频器：变频器是利用交流电动机的同步转速随电机定子电压频率变化而变化的特性而实现电动机调速运行的装置，先把工频交流电通过整流器变成直流电，然后再把直流电变换成频率、电压均可控制的交流电，它又称为间接式变频器。本课题中所用变频器即为交-直-交变频器。

5.3、交-直-交变频器其基本构：交-直-交变频器其基本构成如图5-1所示，由主电路（包括整流器、中间直流环节、逆变器）和控制电路组成，各部分作用如下所述：

图5-1交-直-交变频器的基本构成

（1）整流器：电网侧的变流器，是整流器，它的作用是把三相（或单相）交流电整流成直流电。

（2）逆变器：负载侧的变流器，为逆变器。最常见的结构形式是利用六个半导体主开关器件组成的三相桥式逆变电路。有规律的控制逆变器中主开关器件的通与断，可以得到任意频率的三相交流电输出。

（3）中间直流环节：由于逆变器的负载属于感性负载，在中间直流环节和

电动机之间总会有无功功率的交换。这种无功能量要靠中间直流环节的储能元件（电容器或电抗器）来缓冲。所以中间直流环节又称为中间直流储能环节。

（4）控制电路：控制电路由运算电路、检测电路、控制信号的输入、输出电路和驱动电路等构成。其主要任务是完成对逆变器的启停控制、对整流器的电压控制、对逆变器的输出频率、电压进行控制以及完成各种保护功能等，主要靠软件来完成各种功能。

5.4、异步电动机同步转速：由电机学知识知道，异步电动机同步转速，即旋转磁场转速为：

n=60f1/p （3-1）

式中，f1为供电电源频率，p为电机极对数。

异步电动机轴转速为：

n1=60f1/p(1-s) （3-2）

式中，s为异步电动机的转差率，s= n1-n/n

改变电动机的供电电源频率f1，可以改变其同步转速，从而实现调速运行。

5.5、U/f控制：U/f控制是通过改变供电电源频率，实现电机调速运行。对电机进行调速控制时，希望电动机的主磁通保持额定值不变。

由电机理论知道，三相交流电机定子每相电动势的有效值为

E1=4.44f1N1k N1φm（4-1）

式中E1——定子每相由气隙磁通感应的电动势的有效值；

f1——定子频率；

N1——定子每相有效匝数；

K N1——基波绕组系数；

φm——每极磁通量。

由上式知道，N1为常数，φm由E1、f1共同决定，对E1、f1适当控制，可保持φm为额定值不变。

5.6、VVVF调速控制：由式（4-1）得知，保持E1/f1=常数，可保持φm不变，但实际中E1难于直接检测和控制。若电压不变磁通量φm随频率变化，如果频率f1下降磁通量φm会增加，形成磁路饱和，励磁电流增加，功率因素下降，铁心与线圈发热，这显然是不允许的，因此在降频的同时还要降压，这就要求频率与电压协调控制。即必须通过变频装置提供电压频率均可调节的供电电源，实现所谓的VVVF（Variable Voltage Variable Frequency）调速控制。

5.7、选择变频器：本课题选定的ABB ACS 800—04P—0025—3+P901就是属于VVVF类型变频器。

6 变频器安装具体注意事项

6.1、ACS 800—04P—0025—3+P901变频器控制原理如图6-1所示

急停DCS

变频

启动

指令

DCS

变频

复位

指令

远

控

备

妥

变

频

故

障

变

频

器

运

行

变

频

备

妥

速

度

给

定

电

流

反

馈

速

度

反

馈

-Q

图6-1 变频器控制原理图6.2、RMIO板上的端子回路说明如表6-1

表6-1 控制回路端子说明

6.3、变频器主要参数设置见表6-2

表6-2变频器主要参数设置

6.4、信号线的防干扰处理：因为DCS至变频器的控制信号线距离较长，为防止受空间电磁场的干扰，必须与电源线等动力线分开铺设，并且信号线采用金属屏蔽线，以提高系统的抗干扰能力。此种接线一定要注意，对屏蔽的接地点只能选取一点，即单端接地，接地端可在变端器接地外壳，也可在DCS系统的专用接地端，这样可保证提高系统的抗干扰能力。如果屏蔽线在两端都接地，会使屏蔽线上产生电势差，不但不能提高系统的抗干扰能力，反而加重外界对控制信号的干扰。另外在本课题实施过程中，为了保护变频器的模拟量I/O端口及有效隔离信号线路的电磁干扰，在I/O端子前加装了电流环隔离栅，起到非常好干扰信号隔离作用。

6.5、变频器的加减速斜率时间：变频器的具体参数设置必须和电机的电压、电流、容量、频率范围相一致，比较重要的是加速和减速的斜率时间，因为风机叶轮有一定的惯性，为防止变频器过载，将上升下降时间设置为60秒。另外容忍输入电压波动范围也需恰当放宽，可以减少电压波动对变频运行的影响。

6.6、变频器的维护：变频器对线路及电气设备有过载，欠电压和短路、断路等的保护功能，并具有分级选择保护，能直接启动电机，并保护电动机免受短路欠电压等不正常情况的危害。由于灰库周围整体环境比较恶劣，含有一定浓度的粉尘，并含有一定的硫化物等腐蚀性气体，这对变频器等各种电气设备是一种严重考验。变频器产生故障的原因是多方面的，即使同一种原因也有不同的故障现象。必须根据故障特征和变频显示的故障代码进行排除故障，有必要对变频进行定期清理维护。

7 总结

该课题的核心部件DCS系统和变频器，再辅以变送器等检测元件组成PID 控制变频恒压系统。

7.1、DCS具有强大的控制功能和简捷灵活的组态方式，DCS与变频器组成的控制方式显得相当稳定而且控制性能非常高。

7.2、经过以上技术改造，即使负荷发生变化灰库的负压都能非常稳定地保持在设定值范围内，操作人员在集控室进行远程操控监视就可以了，显著降低劳动强度。

7.3、在节能方面，由于采用了变频技术，电机在较低的转速状态下运行就能满足工艺要求，起到节能降耗的积极作用。

7.4、DCS系统结合变频调速技术是利用现代先进的计算机工控技术及电力电子技术，交流调速技术达到远程控制、自动调节的目的，体现了科技就是第一生产力和以人为本的现代化生产观念。在倡导节约型社会的今天，应用变频调速

也是企业改造挖潜、提高效益的一条有效的途径，同时也是国民经济可持续发展的需要。

参考文献

1．《自动控制原理》主编胡涛涛科学出版社

2．《工业变频器原理及应用》主编魏召刚北京电子工业出版社

4.《电工新技术教程》主编梁耀光余文烋中国劳动社会保障出版社

3．《XDPS工程师手册》新华控制工程有限公司

4、《ACS800标准控制程序7.X 固件手册》北京ABBA电气传动系统有限公司

致谢

本次毕业设计接近尾声，由于经验的匮乏和技术的肤浅，难免会有许多考虑不周之处，如果没有指导老师的督促指导和一起工作的同事们的技术支持，想要完成这个课题相信是会困难重重的，在这里首先要感谢指导老师，在关键技术难题上都及时给予了悉心的指导。另外要感谢和我一起完成课题的同事王浩、王钶同志，平日里工作繁多，但在我做毕业设计的的每个阶段，从查阅资料到设计草案的确定和修改，中期讨论，后期详细设计，设备搭建调试整个过程中都给予我莫大的技术支持。我的设计较为复杂，但同事们仍然细心的协助我核对图纸和DCS的组态，并及时的提出修正意见。正是在老师和同事们的帮助下，我才能将本课题调试成功。我要衷心感谢我的母校—湖南工学院，是母校给我提供了学习机会和优良的学习环境；另外，我还要感谢曾经给予我帮助的每一位老师，是你们教会我专业知识。

最后向以上所有的人士以及所有关注我成长的人士致以最真诚的感谢。对评审论文的各位老师，专家致以最真诚的感谢，谢谢您们在论文评审和答辩过程中提出的宝贵意见，愿您们平安健康快乐！谢谢大家！