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空压机压力闭环变频调速系统的设计 |
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武钢硅钢厂是武钢一米七工程之一，硅钢厂空压机站是70年代国内首家从日本引进的具有当时世界先进水平的大型空压设备，它采用活塞式空压机进行空气压缩，其制造工艺极其复杂，设备非常昂贵，同时它为全厂提供压缩空气，其地位又非常重要。但经过多年的长期运行，电气设备老化严重，各种能耗非常之大，工作条件极其恶劣，继电器损坏较多且无备品，空压机频繁起停，严重影响空压机的使用寿命。因此在1996年5月利用中修(12d)时间，对原系统进行了改造，采用当今计算机控制技术和变频技术，引入PLC闭环控制和变频控制，提高了控制系统精度，并使该空压机站的控制系统达到先进水平。
1 控制系统方案的确定及配置
1.1 方案的确定
(1)原空压机站存在的问题
原系统采用开环控制，不能保证控制精度。
当输出压力大于0.7MPa时，自动打开泄载阀，使异步电动机空转，严重浪费能源。
继电器损坏较多且无备品，严重威胁生产。
输出压力的调节是靠人为调节开度的大小来实现的，劳动强度大，调节速度慢，波动大，不稳定，精度低。
异步电动机易频繁起动、停止，影响电机的使用寿命。工作条件恶劣，噪声大。
(2)工艺提出的新要求
空压机出口压力必须控制在±0.05MPa内。
在输出压力大于0.7MPa时，自动关闭泄荷阀。
为了使新老系统双重化运行，在设计时要考虑新老系统的切换控制。
增加油压、水位、空气压力的综合报警功能。
(3)现场的实际工作情况和全厂备品备件的统一考虑。
(4)确定方案
由于硅钢厂空压机站改造是国内首次在这个领域的改造，无借鉴经验可循，如何满足特殊的硅钢工艺要求及解决现存问题是这次改造的关键。我们提出改造方案为电气控制部分和压力闭环均采用PLC控制，电机采用变频器控制。这套方案不仅用PLC取代继电器，提高控制系统可靠性，而且压力闭环的引入，也提高控制系统的控制精度；电机用变频器控制，延长了电机的使用寿命，还降低了能耗，因此实现了低投资高产出的目标。
1.2 系统配置
改造后系统由FRN132P7-4变频器、1151GP型压力变送器、MODICON 984-120PLC组成，如图1所示。
图1 系统框图
2 空压机站变频系统的工作原理及特点
2.1 磁通控制式正弦波PWM控制的逆变器工作原理
磁通控制式正弦波PWM逆变器的结构与GTR-SPWM逆变器的结构完全相同，不同的是GTR导通和截止的工作模式不同。
在实际工作中，为了不使一桥臂的上下管同时导通而发生逆变器的短路，需要设置延时电路。然而延时时间的存在，给逆变器带来新的问题，使逆变器产生误差电压。这种误差电压特别是在低速运行或切换频率较高时，对逆变器影响更大，致使导步电动机在低速时存在转矩脉动，旋转不均匀，甚至在某些特定频率区域引起电流的不稳定，造成系统振荡。为此，采用磁通控制式正弦波PWM控制方式。它不是按照调制正弦波和载波的交点来控制GTR的开通和关断，而是始终使异步电动机的磁通接近正弦波，旋转磁场的轨迹是圆形来决定GTR的导通规律，从而可以补偿误差电压造成的影响，在很低的频率下，保证异步电动机在低速时旋转均匀，从而扩大了变频调速系统的调速范围，抑制了异步电动机的振动和噪声。圆形旋转磁场的实现，是通过检测磁通，控制环节随时判断实际磁通超过误差范围与否，来改变GTR的工作模式，从而保证旋转磁场的轨迹呈圆形。
2.2 FRN132P7-4富士变频器的组成及其特点
富士变频器主要由以下几个部分组成：主电路、保护电路、计算机数字控制电路、数字显示和故障诊断电路、数字与模拟输入、输出电路等组成。它的特点是：转矩脉动小；电磁噪音低；具有数字显示和故障诊断。
3 控制系统软件的实现
控制程序框图如图2所示。空压机站控制系统分为手动和自动两种工作方式。当系统准备条件就绪时(无故障、冷却水压力＞0.2MPa，卸荷阀关闭、润滑油压力＞0.15MPa)，即可启动运行。在运行过程中，输出的空气压力控制在0.6～0.7MPa范围内。若输出的空气压力大于0.7MPa时，计算机发出报警且自动关闭卸荷阀，使空气压力下降，当空气压力下降到0.6MPa时，系统就自动启动升压；若输出的空气压力低于0.6MPa且频率小于等于23Hz时，系统故障停车并切换到老系统工作。
图2 控制程序框图
空压机站控制系统的闭环是利用软件中的PID2功能块来实现。定义PID2中的一个期望的控制点，称为设定点(SP)，相对于SP而得到的测量值称为过程变量(PV)。SP与PV的差值即偏差(E)。它将偏差(E)馈送到控制算法中就产生操作变量(MV)，来调整被控过程使PV＝SP，使偏差(E)＝0。在现场的实际调试过程中，笔者是通过现场一次压力仪表(0～10V)采集现场 的压力。将压力信号再送到PLC的模拟量输入模块30001的点上，通过一个减法器，使30001上的内容送入寄存器40113，再通过PID2功能块与寄存器40101的设定值进行比较，进行PI运算，使偏差(E)＝0。寄存器40102再通过一个减法器将信号送到寄存器40500，由寄存器40500输出0～10V的电压，控制变频器的正常工作。(end)
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(6/27/2005) |
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