（电气工程专业论文）铝电解生产中plc稳流控制技术的开发与应用.pdf

兰：| + i n j 2 大学工程学位论文 y7 2 1 0 蛹要 摘要 铝电解工业是高能耗产业，降低电耗的措施是多种多样的，其中：在工艺上采 用大型预焙电解槽、采用先进的整流技术并稳定电流是两条最主要的途径。目前在 预焙工艺铝电解槽生产中，均采用稳流控制技术提高供电质量，降低电能消耗。 本文以稳流控制技术的开发为背景，针对企业铝电解供电采用大功率二极管整 流装置、电压调节和自动稳流方式是“整流变压器有载调压整流二极管一自饱和 电抗器稳流技术”的生产实际，提出了采用p l c 稳流控制技术替代传统的模拟电路 实现稳流控制技术，阐明了p l c 稳流控制系统的基本原理、实现方法；分析了系统 控制的难点、控制方法和控制算法的优化；论述了前端开发工具、数据库的选择和 配置；建立了基于p i 调节的，可以构成大闭环、小闭环嵌套的串级控制系统总体 技术方案，完成了系统的设计与调试。 该系统主要包括二个子系统：单机组稳流控制系统，系列总电流控制系统，系 统的核心是利用测量数据对与系统设定值之间的误差进行反馈校正构成双闭环控 制系统。本系统已在兰州铝业股份有限公司顺利投入使用。 关键词：铝电解生产硅整流装置p l c 稳流控制 兰州理工大学1 ：程学住论文 a b s t r a c l a b s t r a c t b e i n g a n e n e r g y i n t e n s i v e i n d u s t r y , v a r i o u s m e a s u r e sf o r r e d u c i n gp o w e r c o n s u m p t i o nh a sb e e ni n t r o d u c e di n a l u m i n u mp r o d u c t i o n ，a m o n gw h i c hu s i n gl a r g e p r e b a k ec e l l sa n da d o p t i n g a d v a n c e dr e c t i f y i n gt e c h n i q u et os t a b i l i z ep o tc u r r e n ta r et w o p r i n c i p a la p p r o a c h e s c u r r e n t l y , s t a b i l i z e dc u r r e n tt e c h n i q u ei sb e i n g u s e di ns o d e r b e r g p o t st oi m p r o v ep o w e rs u p p l ys t a t u sa sw e l la sl o w e rp o w e rc o n s u m p t i o n ， i nt h eb a c k g r o u n do f d e s i g na n dd e v e l o p m e n t o fs t a b i l i z e dc u r r e n tc o n t r o lt e c h n i q u e ， t h i sp a p e r , i nl i g h to f p r o d u c t i o np r a c t i c et h a ta l u m i n u ms m e l t o r su s u a l l ys u p p l yp o w e rt o p o f l i n ew i ml a r g e - p o w e r d i o d er e c t i f y i n g d e v i c e v o l t a g ea d j u s t m e n ta n da u t o m a t i c c u r r e n ts t a b i l i z a t i o nm e t h o dw h i c hc o u l db el a b e l e da s “s t a b i l i z e dc u r r e n tt e c h n i q u ew i t h l o a d e dv o l t a g er e g u l a t i o nb y r e c t i f y i n gt r a n s f o r m e r - d i o d e - s a t u r a t e dr e a c t o r ，p r o p o s e st o s u b s t i t u t ep l cs t a b i l i z e dc u r r e n tc o n t r o lf o rt r a d i t i o n a la n a l o gc i r c u i ts t a b i l i z e dc u r r e n t c o n t r 0 1 i na d d i t i o n ，t h ep a p e ra l s oi l l u s t r a t e st h ef u n d a m e n t a lt h e o r ya n dr e a l i z a t i o no f p l cs t a b i l i z e dc u r r e n tc o n t r o ls y s t e ma sw e l la sa n a l y z e st h es y s t e m sd i f f i c u l t yp o i n t s c o n t r o l l i n ga p p r o a c ha n do p t i m a ls e l e c t i o no f c o n t r o l l i n ga l g o r i t h m b yd i s c o u r s i n gu p o n d e v e l o p m e n tt o o l ，s e l e c t i o na n dc o n f i g u r a t i o no fd a t a b a s e ，t h ep a p e ri n i t i a t e sa no v e r a l l s y s t e mp l a nb a s e do np la d j u s t m e n t t h et e c h n i c a lp l a na r o w st oc o n s t i t u t eat a n d e m c o n t r o li m b e d d e dw i m b i gd o s e d - l o o pa n d s m a l lc l o s e d - l o o p 、u p o nw h i c ht h ed e s i g na n d a d j u s t m e n to f t h es y s t e m u sc o m p l e t e d t h es y s t e mm a i n l yc o n s i s t so ft w os u b s y s t e m s ，i , e ，s i n g l es t a n ds t a b i l i z e dc u r r e n t c o n t r o la n dp o t l i n ec u r r e n tc o n t r 0 1 t h ed o u b l ec l o s e d l o o pc o n t r o lf u n c t i o n e da sak e y p a r to f t h ew h o l es y s t e mi ss u p p o s e d t or e c e i v ef e e d b a c ki n f o r m a t i o na n de m e n dt h ee r r o r o ft h es e tv a l u e b yu t i l i z i n gt h em e a s u r e dd a t a , t h es y s t e mh a sb e e ns u c c e s s f u l l yp u ti n t o a p p l i c a t i o n i nl a n z h o ua l u m i n u mc o m p a n yl i m i t e d k e y w o r d s ：a l u m i n u m p r o d u c t i o n ，s i l i c o nr e c t i l y i n gd e v i c e ，p l c ，s t a b i l i z e dc u r r e n t c o n t r o l 兰州理工大学工程学位论文 第一章绪论 1 1 选题背景与意义 第一章绪论 有色金属工业是集地质、采矿、选矿、冶炼、加工为体的基础原材料产业。 改革开放以来，我国有色金属的产量已连续八年处于世界第二位，成为世界有色 金属生产大国。目前，有色金属作为国民经济和国防建设的重要材料和战略物资， 已广泛地应用于机械、电子、化工、建筑、交通、航空、航天、军工等各个行业， 在国家建设和发展中具有十分重要的地位。 有色金属冶炼过程是有色金属生产的主要过程。生产品种多、流程长、工艺 复杂、环境恶劣( 高温、高尘、高腐蚀性) 。近年来，通过引进、消化和吸收国 外先进技术，进行自主研究与开发，我国有色金属冶炼的技术和装备水平得到了 较大的提高，技术经济指标有了较好的改善。然而，总体水平与国外相比还有较 大的差距，远远不能属于有色金属生产的强国。主要表现在劳动生产率低、生产 成本和能耗高、环境污染严重及矿物回收率低等方面。这些差距对我国有色金属 工业的发展产生了严重的制约作用，特别是在我国加入w t o 后，将严重威胁到我 国有色金属工业的生存和发展，大大削弱其参与国际市场竞争的能力。造成这些 差距的原因是多方面的，但冶炼过程控制技术落后、自动化、信息化水平低是主 要原因之一。 1 】1 控制系统相关的知识背景 在有色金属生产中，通常采用电解的方法来制取铝、铜、锌等产品。按生产 过程，铝电解属于熔盐电解，依靠不断的供给电解槽以直流电能，在1 0 0 0 左 右将包括氧化铝在内的电解质进行加热熔化，并电解生成熔融铝沉于电解槽下 部，连续不断的输入直流电流方能保持电解槽正常生产所需的电能和热能。当降 低直流电流时，将引起电解槽温度下降，因而破坏槽子的热平衡，此时浮于上部 的氧化铝将开始下沉到槽子底部结疤，槽子电阻值增大，槽电压升高，阳极效应 增多，槽子处于病态，严重时电解不能正常进行，因而工艺生产要求恒定的直流 电流。直流电流大幅度的波动或降低，不但将破坏电解槽的正常生产，造成槽子 兰州理工大学工程学位论文第一章 醴 局部过热，而且降低电解的电流效率，增加吨铝产品的直流单耗。 1 1 2 稳流控制系统国内外现状及存在问题 由于铝电解系列电流大，工艺生产连续性强，特别是电解生产过程中，要求 调压，以满足恒电流生产，目前在国外已广泛采用可控硅整流机组供电，可控硅 整流尽管有调节速度快、稳流精度高、效率高、操作简便等优点，但因其谐波治 理困难、控制系统复杂等原因，未能在国内铝电解行业广泛使用。国内大多数还 是以二极管整流为主。因为硅二极管整流机组多为不可控机组，为完成向电解槽 馈出所需的恒直流电流值，一般多采用整流变压器有载分接开关调整变压器的二 次交流输出电压。而且大中型铝厂的硅整流所，其硅整流机组多是二台以上，n + i 方式运行，所以在调压时要求并能够实现单台变压器调节或多台变压器一起调 节。而整流变压器有载分接开关动作速度慢，又必需通过人对仪表的观察手动完 成，这就不可能及时修正系列电流的波动。同时又由于电磁场的作用和电解槽本 身的化学反应( 阳极效应) 引起的电压波动，若仅靠整流变压器有载分接开关升 高电压来维持电流，一旦阳极效应熄灭，需要降低二次交流输出电压，以降低直 流电流增大。而整流变压器有载分接开关调压速度慢，势必产生电流冲击，较大 的影响了电解生产的工艺条件。因此，铝电解生产供电系统稳流装置一般采用饱 和电抗器与有载分接开关联合调压方式。即以整流变压器有载分接开关做粗调， 辅以饱和电抗器作级间细调。有载分接开关电压差一般按系列正常煮流电压的 1 4 考虑，饱和电抗器的调压范围等于或大于一个阳极效应电压，一般取4 0 7 0 v 。 综上所述，铝电解整流所稳流控制系统是指按用户设定电流要求输出稳定电 流，并在电解负载发生变化时，各整流机组控制供给电解的系列直流电流保持不 变，以满足电解生产工艺要求的恒电流自动调节控制系统。适用于整流机组整流 元件采用二极管整流，其电流调节方式采用有载开关粗调，饱和电抗器细调的整 流机组。饱和电抗器主要用于调整直流输出电流。即通过改变其偏移绕组或控制 绕组的电流来改变电抗器中的磁势( 电抗值) ，从而使整流元件自然换相角提前 或延迟，达到调整直流电流的目的。 2 兰州理工大学工程学位论文第一章绪论 1 1 3 稳流控制系统国内研究现状 目前在铝电解生产中，供电稳流控制系统大多是采用模拟电路实现控制饱和 电抗器的电流自动调节，以达到稳流效果。由于模拟电路具有分离元件多，调试 复杂，控制精度低、抗干扰能力差、故障率高等缺陷，基本上不能满足大规模工 业控制及电解恒流生产。随着电力电子技术的发展，电化学整流装置的稳流控制 技术也在不断进步，特别是在铝电解供电系统中，大电流的调节水平将直接影响 着铝电解的生产，产品质量的好坏及电流效率的提高，电流的稳定性对控制系统 的要求也越来越高。因此，国内的稳流控制系统分为两种，一种是控制绕组电源 采用晶闸管模块组成的三相桥式全控电路，其控制和调节采用专用的三相全桥控 制板( 大规模集成电路) 与p l c 配合，电流调节器是无差的p i 调节器，电流反 馈通过直流互感器检测，经变换后进入电流调节器。采用这种控制方式优点是脉 冲对称度好，分辨率高，计算速度快，调节精度高。缺点是需在控制电源输出端 串接平波电抗器，因回路电感较大，快速性受到限制，故需串联电阻来提高快速 性。另一种就是我们提出开发研制基于p l c 控制技术的自动稳流控制系统，与传 统的模拟电路控制系统相比，p l c 自动稳流控制系统具有显著特点： 1 可靠性高。由于采用p l c 代替原来的模拟电路，没有一个调节元件，系统 中由软件来实现信号的检测和调节、p l c 控制、高频p w m 斩波控制、i ( b t 功率器 件、故障诊断等功能，因而减少元件数目，简化了硬件结构，提高了系统的可靠 性。 2 接线简单，易于调试。由于p i 调节，高频p w m 斩波控制由p l c 程序控制， 没有专用硬件电路，只需修改程序参数即可调试系统，实现系统要求的控锎性能， 且控制的准确度极高，有效地改善了系统动态性能。 3 稳流精度高，速度快。由于该系统的速度与p l c 微处理器的字长位数成正 比，响应速度与p l c 运算速度有关，因而使系统具有稳流精度高、响应速度快的 优点。 4 投资少，收效高。p l c 稳流控制系统实现了整流变压器有载开关自动升档 降档调节电压，不仅提高了直流电流的稳定性，而且降低了人工劳动强度，提高 兰型墨三查堂三堡兰垡堕兰 一! 兰! l 丝 了系列电流的自动化控制水平；同时可以代替其他计算机系统完成所要求的功 能，因此大大降低了投资。 5 由于p l c 具有标准的串行通讯口，因而可方便的与计算机通讯。 1 1 4 选题的意义 利用电子技术改造传统产业是近二十年来中国经济发展的重要成果，大大促 进了企业竞争实力和综合国力的增强。而在电子技术改遥传统行业中，工业自动 化技术又是其中的重要组成部分。对传统过程工业而言，利用先进的自动化硬件 及软件组成工业过程自动化系统，大大提高了生产过程的安全性、可靠性、稳定 性。提高了产品产量和质量、提高了劳动生产率、提高了企业的综合效益。因此， 工业过程自动技术是一门确保增产、高质、降耗，确保安全生产的高新技术。 特别是7 0 年代以来，由于世界范围内出现的能源危机和市场激烈竞争，工 业生产规模更趋庞大，设备更新换代日新月异。工业生产要进一步提高产量，降 低成本，节约原材料和减少能源浪费，就要求自动化技术能充分发挥设备的生产 力，最终达到优质高产低耗的控制目标。对于铝电解行业，直流电流的平稳度既 是影响铝电解产量的重要因素，也是提高电流效率、降低吨铝电耗的有效方式。 目前在预焙工艺铝电解槽生产中，平均1 盹铝锭要消耗电能1 4 5 0 0 k w h 左右，电 费占吨铝成本的3 6 以上，严重威胁和制约着企业的发展，影响企业经济效益的 提高和竞争生存能力的提升。为提高供电质量，降低电戆消耗，开发应用稳流控 制系统是企业面临的重要课题。 “铝电解生产中p l c 稳流控制技术的开发与应用”是兰州铝业股份有限公司 重大技改项目。兰州铝业股份有限公司现有一个系列2 0 0 k a 预焙工艺电解铝生产 线，年产电解铝1 2 万吨，年需用电量约1 8 亿度电。此系列铝电解生产采用2 2 0 k v 二极管整流机组供电，即采用4 台2 2 0 k v 整流变压器并联运行，通过大功率二极 管整流，向电解生产提供2 0 0 k a 直流电流。每当电解槽发生阳极效应时电解电流 将降低5 0 0 0 a 左右，以2 2 8 台电解槽组成的一个系列为例，则每2 4 小时将因阳 极效应而减少电解电流的时间累计值将达到10 - 1 2 小时，则每年减少铝锭4 0 0 0 吨左右；同时频繁的阳极效应和长期的电流波动将破坏电解槽的熟平衡，降低电 4 兰州理工大学工程学位论文第一章绪论 流效率，造成生产不正常和电能损耗增大。 为维持系列直流电流的稳定，19 9 4 年以来，经沈阳铝镁设计院、江西变压器 厂、西安整流器厂、兰州铝业共同研讨，提出采用“整流变压器有载开关整 流二极管自饱和电抗器”进行电压调节，以实现电解生产供电电流平稳。老 系统采用了初级电子技术分立元件模拟控制电路，装置投运后，调试困难， 一直存在工作性能不稳定、抗干扰能力差、控制电流工作点漂移、系统故障率高 等诸多问题，至1 9 9 8 年底3 个系列的稳流系统皆处于停用状态。降低交流电耗 及运行费用，提高稳流精度及电流效率，延长电解槽寿命，减少运行成本，仍然 是铝行业供电系统值得研究的重要课题。 随着p l c 大量进入工业控制设备市场，结合铝行业的特点，在消化和吸收长 城铝业、包头铝厂引进法国c e g e l e c 公司、美国a b b 公司稳流控制方案的基础上， 兰州铝业和包头铝厂共同开发了基于西门子p l c 的数字化自动稳流控制系统。 1 2 本人完成的主要工作 通过比较论证，结合企业具体情况，设计了p l c 稳流控制系统的总体方案， 实现了降低交流电耗，提高稳流精度及电流效率的预期目标； 对兰州铝业电解供电稳流系统作了全面的了解，熟悉了整个供电工艺过程， 参与完成了稳流系统的软件设计和硬件配置，完成了系统安装和调试； 采用西门子s 7 2 0 0 和8 7 3 0 0 系列的p l c 完成硬件构建及系统组态和软件编 程： 进行了系统结构的构架，完成了双闭环串级p i d 控制回路的算法和相应的应 用设置： 参与组织进行了测试，测试后经过修改、完善，现已正常投入运行，符合设 计要求；达到了节能的目的。 编制了稳流控制系统操作说明书和运行规程。 兰卅理工大学工程学位论文 第二章稳流控制系统系统原理 第二章稳流控制系统原理 2 1 稳流控制系统概念 2 1 1 传统稳流控制系统原理 铝电解用二极管整流装置中，采用饱和电抗器与有载调压分接开关联合的调 压方案，可实现电压的平稳调节。此时饱和电抗器必须实现下列职能： 在有载分接开关的直流级差电压范围内起组调作用； 减少有载分接开关的动作次数，以延长其寿命和检修周期。为此，饱和电抗 器的调压范围应大于有载分接开关的直流级差电压，通常不少于两级，对于本系 统，还应大于一个阳极效应电压； 校正由于交流电源电压的短时波动所引起的直流电流波动； 校正机组间或同机组各整流柜闻的负载分配不均。 二极管整流装嚣调压用饱和电抗器有两种类型，即：与整流臂串联的自饱和 电抗器和相接式饱和电抗器。 a l cb 3 土。【j _；屿t 惯 i _ 、 2 乳 i黑r 黑 弋y 堂 ；噬 t u 8 2b 4c 6 - l 图2 1 三相桥接自饱和电抗器援线系统图 2 1 1 1 自饱和电抗器的谓压原理 自饱和电抗器接线系统图2 1 和饱和电抗器铁芯磁化曲线如图2 2 、2 3 所示。 6 兰州理工大学工程学位论文 第二章稳流控制系统系统原理 当整流臂a 1 流过电流i d 时，饱和电抗器b k l 的工作绕组电流为l d ，其铁芯处 于饱和状态，阻抗很小可以忽略不计。但在换相过程中，饱和电抗器的电抗要发 生影响。正常情况下，在e a = 1 b 自然换相点时刻( t = 0 ) ，如不考虑整流变压器 漏抗的作用，则电流i d 应瞬时由a l 相转换到b 3 相，可是由于饱和电抗器b k 3 的阻止作用，换相被推迟。因在t = 0 之前，饱和电抗器b k 3 铁芯，在控制绕组 某一给定电流作用下，铁芯的磁密及磁场强度分别为b 0 和h 0 ，处于磁化特性 的非饱和段；而在u t = 0 以后，e b e a ，在( e b e a ) 电压作用下，工作绕组通 过很小的激磁电流使铁芯逐渐增磁，经过一定时间后，铁芯达到饱和；从铁芯开 始增磁( b 0 ) 到达饱和磁密( b b ) 的角度a 称为饱和角( 亦称控制角) 。由于在 经过a 角度后，b k 3 铁芯饱和，阻抗很小，整流臂b 3 完全导通，负载电流i d 几乎完全流经b i s l 3 ，与此同时，流经a l 和b k l 的电流立即大大减小，几乎接近 于零。在a 角以后的a t 这段时间，b k l 的铁芯在反电压( e a - e b 为负) 作用下， 逐渐祛磁，当磁密回复到起始值b o 时，流过a l 的电流为零，从而结束了换相 的全过程。 jl 廿 b b 和! 曲 1。 h 0 i 口l 。 e b 。 l b |盯 一 i p | p l i k v k ? 么夕 一 - e b 图2 2 饱和电抗器铁芯理想磁化曲线 圈2 3 自饱和电抗器各绕组相互关系 综上分析，自饱和电抗器的调压原理为：通过调节控制绕组电流i k 改变铁 芯的起始磁密b o ，束调整饱和角a ；在不同的a 角下，整流装置的直流输出电 压值不同，从而达到调压的目的。 兰州理工大学工程学位论文 第二章稳流控制系统系统原理 2 1 1 。2 工作绕组、控制绕组和偏移绕组的作用 工作绕组是饱和电抗器的主绕组，其作用相当于非线性可控电抗器。但又仅 有工作绕组而无控制绕组，则初始磁密b 0 = 0 ，磁密变化量等于饱和磁密( a b = b b ) ，因而饱和角为一定值而不可调，电抗也不可控。 控制绕组的作用：当调节控制电流时，能调节铁芯初始磁密b 0 值，从而磁 密变化量ab = b b ，b 0 ，饱和角和工作绕组电抗均可控。但控制电流只能做单向数 值上的调节，i k = o 时，b 0 = 0 ，b = b b b o = b b ，控制角a 调节范围有限，不能 大范围调压。 偏移绕组的作用：充分利用铁芯激磁性能，使单方向调节控制绕组电流能得 到最大控制角。 最大控制角：为充分利用铁芯磁化曲线，进行大范围调压，使b = b b 一( b b ) = 2 b b ，则必须使磁场强度h 从+ i i i l 变到一h m 。通常在自饱和电抗器上增设偏移 绕组，在其直流磁势作用下，使铁芯预先达到饱和状态。 控制绕组的安匝i l ( w k 与i g w g 极性相同，是增磁作用。控制绕组的电流可 由0 到一2 l k m 进行调整，而偏移绕组的电流值i p = + i k m 是不变的。所以当l k = 0 时，由于偏移绕组的安匝使铁芯已在饱和点( 此时b 0 = b b ) ，而当w g 开始导电 时，其安匝极性与w p 同方向，结果使铁芯完全饱和，于是控制角a - - 0 ，调压 深度u d = 0 ，当i k 从0 向一2 i k m 方向增大时，饱和电抗器的初始磁密b o 从+ b b 到一b b 间变动，控制角。从0 到qm a x 之闻变动；当i k = - 2 k m 时，控制角。晟 大，调压深度也最大，此时a u d = u d m ，= o m a x 。 2 1 2 p l c 稳流控制系统组成 p l c 稳流控制系统对饱和电抗器电流控制采用功率器件i g b t ，高频p w m 斩波控制技术，通过控制i g b t 占空比以改变电抗器的控制电流和偏移电流， i g b t 的驱动电路、移相电路采用三菱集成电路，电流闭环的p i d 调节采用p l c 的软指令控制。 稳流控制系统的控制器是饱和电抗器，按控制方式划分有两种，一种是负控 制方式，即饱和电抗器控制电流增加，整流器输出电流减少：另种是正控制方 式，即饱和电抗器控制电流增加，整流器输出电流也增大。按回路控制方式划分 兰州理t 大学工程学位论文第二章稳流控制系统系统原理 也有两种，一种是采用a 、b 两台饱和电抗器独立控制，即a 台电抗器控制回 路；a 台电抗器偏移回路；b 台电抗器控制回路；b 台电抗器偏移回路。另一种 是将a 、b 两台电抗器的控制绕组串联控制，即a 、b 电抗器控制凰路：a 台电 抗器偏移回路；b 台电抗器偏移回路。 2 2 生产系统简介 兰州铝业股份有限公司连海整流所2 2 0 k v 整流所为4 台6 9 1 0 0 k v a 整流变压 器与同相逆并联硅柜组成的整流机组向电解厂提供2 0 0 k a 的系列直流电流。每 组整流机组带a 、b 两台三相桥同相逆并联整流柜，其额定输出为2 * 3 7 ，5 k a 直 流电流。整流供电系统结构图如图2 4 所示。 机 组 机 组 机机 组组 图2 4 整流供电系统图 9 兰型翌三查芏三里兰丝笙塞 一苎三兰望塑墼型墨堕墨! ! 竖翌 其稳流装置采用饱和电抗器与变压器有载分接开关联合调压方式a 相接形式 为饱和电抗器接在整流变压器二次侧的每一相上，饱电抗器工作绕组流过的电流 是整流变压器二次相电流。 2 3 稳流控制系统简介 p l c 自动化稳流控制系统主要为铝电解供电整流装置大电流稳流控制而设 计，适用于电流调节方式采用有载调压开关耜调，饱和电抗器纲调的铝电解大电 流自动稳流控制系统。 p l c 自动稳流控制系统采用4 + 1 结构形式，即4 台整流机组各配置l 套分调 p l c 控制器稳流装置实现单机组的小闭环稳流控制；总调控制由1 台总调p l c 控制器完成，安装于中央控制室，实现系列直流电流的大闭环稳流控制。 p l c 自动稳流控制系统由硬件和软件两部分组成，硬件部分包括单机组p l c 稳流控制器、系列总调p l c 稳流控制器、三相桥式整流桥( i g b t 模块) 组件、 i g b t 驱动电路以及电源模块、附件等组成。软件部分包括p l c 系统软件、p w m 控制软件、p i d 控制软件以及有关自动控制软件组成。 2 4 系统控制的方法和难点 2 4 1 系统控制的方法 基于硅整流装置调压方式仍采用有载分接开关与饱和电抗器相结合，因此 p l c 稳流控制核心目标是单机组饱和电抗器对硅整流装置的输出电流的细调控 制。饱和电抗器是一种利用铁磁材料的饱和特性，以较小的直流功率来控制较大 的交流负载的一种电器。它的运行特性是在某一范围内输入直流控制电流i l 【， 其输出电压跟着线性变化。而在这个范围之外，尽管输入直流电流有大的变化， 但输出电压基本不变。利用它的这一特性，把它与整流器件串联于糇流臂中，用 于平滑地小范围内调节直流输出电流。为了改瞢控制特性和减少最小电压，设置 偏移绕组l p 的磁势方向与交流绕组相同，与控制绕组b c 相反。通过改变偏移绕 组l p 或控制绕组i k 的电流来改变电抗器中的磁势( 电抗值) ，从两使整流元件 ，o 兰州理工大学工程学位论文第二章稳流控制系统系统岖理 自然换相角延迟，达到调整直流电流的目的。 控制输入饱和电抗器的控制电流有两种方法：模拟式和数字式。采用p l c 实现稳流控制就属于数字式方法的一种。总电流和机组电流均采用p i ：, c 实现闭 环控制，因此均属于数字式控制方法。 饱和电抗器电流控制采用负控制方式，即饱和电抗器控制电流增加，整流器 输出电流减少。接线方式采用a 、b 两台饱和电抗器的控制绕组i k a 、i k b 串联控 制，即形成a 、b 电抗器控制回路，a 台电抗器偏移绕组i p a ，b 台电抗器偏移 绕组i v b 。相接式饱和电抗器接线系统图如图2 5 所示。 圈25 稳流拧制系统图 兰州理1 二大学工程学位论文 第二章稳流控制系统系统原理 2 4 2 系统控制的难点 系统控制的难点在于调平单机组a 、b 两台整流柜之间输出电流有较大的差 别。由于饱和电抗器的特性不一致，经常造成同一台机组a 、b 两台整流柜之间 输出电流有较大的差别，使单台整流机组达不到额定出力。因此，在单机组稳流 控制器s 7 2 0 0 的软件编程中己考虑到单机组两台柜子输出直流电流的平衡问 题，即软件中通过调两台整流柜反馈信号的反馈系数实现机组两台柜子输出电流 的平衡。 2 5 稳流控制系统的总体方案 2 5 1 单机组稳流控制 该系统的控制原理是将机组直流输出电流i f ( 1 d ) 反馈到p l c ，与给定信号 l d g 比较，然后进行p i d 程序控制，由p l c 脉冲宽度调制功能提供连续、变占 空比输出信号，控制i g b t 导通，从而改变饱和电抗器的控制绕组电流珏【，调节 机组直流输出电流i d 从而达到机组电流稳定的目的。其调节过程如下： 当由于电网扰动或电解负载变化造成单机组直流输出i f ( i d ) 降低，因给定 电流i d g 不变，uf ai i ki i d ，从而机组输出电流不变。当输出电 流上升时，与上述的调节过程相反。单机组稳流控制原理如图2 6 所示。 总 整流变 饱和电抗器 硅柜 直流互感器 】2 兰州理工大学工程学位论文 第二章稳流控制系统系统原理 2 5 2 系列电流控制 一般大型整流系统由几个单机组并联组成，系列电流等于几个单机组输出电 流之和。单机组稳流控制器可实现单机组输出电流稳定。为了使系列电流更加精 确稳定，特设计系列电流稳流控制。系列直流电流经总直流互感器及变送器反馈 至总调p l c 与系列电流设定( 数字给定) 进行比较，经p i d 计算调节，输出一 电压值并平均分配给各整流机组，作为各整流机组的分调给定，并同时判断各单 机组饱和电抗器的工作状态，自动控制有载开关的升降，使饱和电抗器始终工作 在线性区，从丽进一步提高系列电流的稳定性。系列电流控制原理图如图2 7 所 示。其调节过程如下： 图2 7 系列电流控制原理 当电解负载增大时，系列电压上升，系列电流l d 降低。因设定电流i g 不变， 所以u f i 一uf u 酊f ，使机组控制电流i k 降低。如果效应大于控制电压， 因饱和电抗器已经饱和，总自动调节变压器有载开关升级，使系列电流始终保持 在设定值。当饱和电抗器截止时，控制电流最大，总调自动调节变压器有载开关 降级。 其自动升降范围根据经验设定为升二级降五级。 兰州理工大学工程学位论文 第二章稳流控制系统系统原理 总调p l c 还增加了电解系列的信息采集和数据处理功能和直流计量功能， 即系列电压、系列电流小时、系列电压小时、直流电度等综自的内容。根据生产 现场实际情况，按照最大需量、恒安时、瞬时直流电流及峰谷平电价的综合情况， 给出控制信号参与饱和电抗器控制，并自动调节有载开关，参加系统总调，从而 实现最大需量控制、恒安时控制和峰谷平控制的综合控制。 安时偏差控制又称恒安时控制，控制的目标是保持每小时的平均电流恒定。 控制原理将每小时每分钟的实际电解系列电流累计值与设定标准电流累计值进 行比较，根据所求得安时差及本小时剩余时间自动调整设定电流，以达到安时偏 差自动控制。 峰、谷、平控制：峰谷平控制是根据蜂谷平电价计费方式，在满足电解生产 工艺的前提下，峰谷平时段自动改变设定电流，达到节约电费的目的。 最大需量是供电系统被考核的重要指标之一。在生产实际中，为了最求电流 的平稳度，往往会出现最大需量超标的情况，为了避免最大需量超标，只能以牺 牲电流为代价，最大需量控制的原理也在于此，即在任意1 5 分钟内，根据前9 1 0 分钟的需量情况，对最大需量的趋势进行智能判断，当需量有超限趋势时，及时 降低设定电流值，并发出报警，保证需量值不超限，之后，继续判断需量，当需 量不再有超限趋势时，则恢复原有的设定电流值。 利用整流所综合自动化系统的两条进线的a 2 0 0 0 多功能电度表，进行电度量 的采集，总调p l c 可以通过以下两种方式采集有功电度信号来实现最大需量控 制：通过a 2 0 0 0 串口提供给稳流系统监控p c 机两条进线的有功电度，有功电度 信号再通过电解系列监控p c 机与总调p l c 进行通讯，由总调p l c 实现最大需 量控制；通过a 2 0 0 0 的脉冲输出口，将两条进线的有功电度信号采集到总调p l c ， 实现最大需量控制。 2 5 3 稳流超调控制原理 对于超出饱和电抗器调节范围的情况，则稳流系统将采取以下响应： 总系列电流正超出或负欠流时，总调p l c 将自动执行各整流机组的有载分 接开关降档、升档操作，使系列电流进入控制目标范围内。 单机组电流正超出或负欠流时，本机组稳流装鹭将自动调节本整流机组的饱 1 4 兰州理t 大学工程学位论文 第二章稳流控制系统系统原理 和电抗器的控制电流，直至本整流机组的输出电流进入正常调节范围内。 正常运行中4 台整流机组中的任意l 台因故退出运行时，总调p l c 自动跟 踪电流变化，即从4 机组运行方式切换到3 机组运行方式时保持恒流。同时，自 动调整3 台整流机组的有载分接开关的升档操作，使3 台整流机组的总输出电流 达到系列电流运行控制目标值水平。 稳流系统除具备上述自动控制外，还具有各机组的手动控制。这时，操作人 员直接进行手动操作和现场调节，在这种方式下，总调p l c 解除了整流装要系 列电流闭环控制功能。 2 6 稳流控制系统控制策略 2 6 1 系统控制算法 可编程控制器p i d 调节器的设计是以连续系统的p i d 控制规律为基础，然后 再将其数字化，写成离散形式的p i d 控制方程，根据离散方程再进行控制程序 设计。用p l c 实现p i d 算法时，由于p l c 周期扫描机制的限制，每个扫描周期 的时间不尽相同，并且在一个周期内各回路的处理时闯也不是每个周期相同，因 而机器每次的实际采样间隔时间t ( n ) 就或多或少的有所不同，所以就不能用 固定的采样周期进行运算，每次的控制输出调节量y ( n ) 必须考虑采样时间的 影响。其位置式控制算法应写为： n y ( n ) = k p e ( n ) + k i e e ( j ) + k d e ( n ) 一e ( n - 1 ) 】+ b s j = 0 其中：e ( n 卜_ 偏差值e ( n ) = v s v p k p 比例系数( k p = k gk g 为系统增益) k i 积分系数k i = k g t ( n ) t i k d 微分系数k d = k g t d t ( n ) t ( n ) 每次采样时间 v s 设定值 v p 过程量反馈值 b s 积分和或偏移量 兰州理工大学工程学位论文 第二章稳流控制系统系统原理 t i 积分时间 t d 微分时间 系统的实际控制效果主要取决于k p 、k i 、k d 三个系数的选择合适与否；比 例、积分、微分三项中哪一项选择不合适都可能影响实际控制效果。绝大多数 p l c 把p i d 控制器做成系统功能提供给用户。 上述控制算法来自于西门子s 7 2 0 0 控制器系统资源，详见s 7 2 0 0 系统手册。 2 6 2 系统优化控制方法 p i d 调节器在工业控制中应用广泛，适应性强，可根据不同的控制要求组成 比例、积分、微分控制系统。它具有三个方面的特点：系统设计简单、参数调整 方便、程序设计简单易实现。在工程上，为了控制多个参数，可以将闭环p i d 系统嵌套使用，组成串级控制系统。由于自饱和电抗器的动态响应速度能够满足 系统要求，且需要获得较好的动态品质和稳定精度，所以选择p i 调节。电解系 列总电流和单机组稳流结合起来，可以构成大闭环、小闭环嵌套的基于p l 调节 的串级控制系统。 图2 8 为串级控制原理图。它由1 个主回路和4 个副回路组成。每个副凰路 为一个p i 闭环控制回路，它能保证单机组输出电流的平稳。4 个副回路的输出 量叠加形成主回路的输出量，并保证电解总电流的恒定。 总 兰州理工大学t 程学位论文 第三章稳流控制系统韵硬件设计 第三章稳流控制系统的硬件设计 3 1 稳流控制系统硬件设计方案 兰州铝业股份有限公司连海厂区2 2 0 k v 整流所p l c 稳流控制系统采用主从 分布结构。系统总体为( 4 + 1 ) 结构形式，即4 台整流机组各配置l 台p l c ，实 现单机组的小闭环稳流控制。稳流大闭环控制由一台总调p l c 实现，总调p l c 对4 台或3 台变流机组共同输出合成电流进行恒流、安时偏差控制，对4 台或3 台变流机组之间的电流进行均衡控制。总调p l c 与单机组p l c 通过现场总线 p r o f i b u s 实现数据传输和交换，监控计算机与总调p l c 采用m p i 网络通讯， 控制方式的选择及系统信息的显示均由上位机实现。功率单元选用流行器件 i g b t ，高频p w m 斩波控制，配以完善的保护，体现了系统的先进性和免维护 性，同时可完成各种高级控制。系统硬件结构如图3 1 ： 主站 从站l 从站2从站3从站4 图3 1 系统硬件结构示意图 该控制系统采用主从控制结构：主站选用西门子$ 7 - 3 0 0 控制器，从站选用 s 7 2 0 0 控制器，主站与从站之间的通讯采用p r o f i b u s 通讯协议。 3 1 1 s i e m e n s 公司s 7 2 0 0 p l c 控制器 s 7 2 0 0 系列p l c 适用于各行各业，各种场合的检测、监测及控制的自动化。 兰州理工大学丁程学位论文第三章稳流控制系统的硬件设计 s 7 2 0 0 系列的强大功能使其无论在独立运行中或相连成网络皆能实现复杂控制 功能，因此，s 7 2 0 0 系列的出色表现在以下几个方面体现： 极高的可靠性； 极丰富的指令集； 易于掌握； 便捷的操作； 丰富的内置集成功能： 实时特性； 强劲的通讯能力； 丰富的扩展模块； 3 1 2s i e m e n s 公司s 7 3 0 0 p l c 控制器 s 7 3 0 0 是模块化中小型p l c 系统，它能满足中等性能要求的应用，多种的 性能递增的c p u 和丰富的i o 扩展模块，使用户可以完全根据实际应用需要选 择合适的模块。s 7 - 3 0 0 可编程控制器是模块化设计结构，各种单独的模块之间 可进行广泛的组合以用于扩展。其功能特点如下： 高速的指令处理； 浮点数运算： 方便用户的参数赋值； 自诊断功能： 灵活地操作方式选择开关； 多种通讯处理器用来连接a s i 接口、p r o f i b u s 和工业以太网总线系统， 多点接口集成在c p u 中，用于同时连接编程器、p c 机、人机界面系统。 3 1 3p r o f i b u s d p 网络 p r o f i b u s 是按照d i n l 9 2 4 5 来进行标准化的，它在世界范围内应用很广， 具有通讯速度高的特点，数据传输速率高达1 2 m b p s 。p r o f i b u s d p 上可连接 高达1 2 5 个站。本次稳流系统网络结构中全部采用p r o f i b u s d p ，从根本上保 证了稳流相关数据传输的快速性和稳流糖度。 兰州理工大学工程学位论文 第三章稳流控制系统的硬件设计 3 1 4 m p i 网络 m p i ( 多点接口) 网络集成在s 7 系p l c 中，可以同时连接几个西门子m p i 系统，如s 7 3 0 0 、m 7 3 0 0 、$ 7 - 4 0 0 ，最多可连接3 2 个m p i 站，波特率为1 8 7 5 千位秒，两个结点之间的通讯距离5 0 米( 不带中继器) ，本次设计需增加1 个 中继器来满足通讯距离。 3 1 5t p 2 7 0 系列工业级人机界面触摸屏 提供了一个高性能的小型平面型设计的操作员接口界面。宅采用最新的操作 员接口技术，是专用于西门子p l c 的终端人机操作设备。 利用组态符号、动态目标、图表和输入的位图，使屏幕组态变得更容易，其 他方便的特性还包括可以拷贝在p r o f i b u s d p 网络、m p i 网络和远程i o 之间 的画面和对象。 键盘终端和触摸屏的终端为远方操作提供了方便、灵活的数据输入或简单地 点击触摸屏上的图标来实现。 计算机与终端之问的应用程序及控制数据，可通过串行连接、p r o f i b u s d p 网络及m p i 网络连接进行通讯传送。 3 2 输入通道设计 3 2 1 电流变送器设计 直流大电流传感器采用珠海汉彩强电测控设备有限公司的z d y - n 型。它是 一种新型霍尔检测式电流传感器，测量准确，线性度好，响应速度快。z d y - n 型采用了科学的温度自动补偿技术，使传感器在不同的温度下性能稳定，温漂极 小。它从原理及结构上解决了杂散磁场干扰问题，保证了现场测量的准确度。其 信号通道如图3 2 ： 兰州理工人学工程学位论文 第三章稳流控制系统的硬件设计 通道的信号变换过程为：直流母线的大电流经直流传感器转换为o i v 和 0 5 v 电压信号，通过温度补