DCS系统结合变频调速应用实例

1、 论文题 目：DCS系统结合变频调速应用实例系 别： 专 业： 姓 名： 郭凯健 指导教师： 完成日期： 年 月毕业论文（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

2、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、进度安排序号各阶段完成的内容完成时间1课题设计草案的确定2011年9月29日2后期详细设计2011年10月10日3设备采购，变频器安装2011年10月26日4DCS组态及变频器参数设置2011年11月5日5设备整体调试2011年11月10日6论文修编完成及课题总结2011年11月19日四、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

3、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3XDPS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Abstract1 引言.42 DCS系统结合变频调速运行的原理.53 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 3.4 PID控制器6 3.5恒压控制理论分析.64 DCS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

4、自动控制DCS逻辑图.95 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.136 变频器安装具体注意事项.13 6.1 ACS 80004P00253+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.177 总结.17参考文献.18致谢.18DCS系统结合变频调速

5、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 Con

6、trol 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 alternatin

7、g 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, q

8、uick 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 autocontrol1 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

9、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

10、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。3 DCS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：灰库负压风机 C(t) M(t) pV(t) 压力变送器变频器 PID控制器 Dev模块

11、e(t) Epid模块设定值 Spn 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 80004P00253+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-1.51.5kpa,用于检测灰库压力，将压力信号变换成

12、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

13、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

14、，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

15、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

16、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）。灰库风机启停及控制系统I/O点目录表序号点名点类型点说明备注15D1P200B1SAI灰库风压实时值25D1P181B1

17、SAI灰库风机变频反馈值35A1P199B1SAO灰库风机变频给定值45HK_101KDI灰库风机变频运行信号55HK_101RDI灰库风机变频远方控制65HK_101FDI灰库风机变频故障信号75HK_101ODO灰库风机变频启动85HK_101CDO灰库风机变频停止95D1P181B1中间模拟量灰库风压设定值105D1P181B2中间模拟量灰库风压控制切手动首出115D1P181B3中间模拟量灰库风压控制切手动首出状态值125D1P181E1中间开关量灰库风压控制自动/手动状态135D1P181E2中间开关量灰库风压控制切手动报警145D1P95B1中间模拟量灰库风机变频设备上网点155D

18、1P95E1中间开关量灰库风机变频启动故障16HY5DQJC020中间开关量灰库风机变频禁操表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 图4-2 灰库风机启停软手器操作介面 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X

19、1、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/

20、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

21、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

22、。 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：整 流 器逆 变 器控 制 电 路M 3 中间直流环节 控制指令 控制指令 运行指令 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

23、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

24、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=4.44f1N1kN1m （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；KN1 基波绕组系数；m每极磁通量。由上式知道， N1为常数，m 由E1、 f1共同决定，对E1、 f1适当控制，可保持m为额定值不变。5.6、VVVF调速控制：由式（4-1

25、）得知，保持E1/f1=常数，可保持m不变，但实际中E1难于直接检测和控制。若电压不变磁通量m随频率变化，如果频率f1下降磁通量m 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 80004P00253+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 80004P00253+P9

26、01变频器控制原理如图6-1所示 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端子段端子号名称/值说明FbEqX211VREF模拟输入AI1 的值，给定值10VDC 1KL10 K2GND3AI 1+外部速度给定0（2）10VDC输入 Rin200K4AI 1-5AI 2+外部速度给定0（4）20mA输入 Rin=1006AI 2-7AI 3+外部速度给定0（4）20mA输入 Rin=1008AI 3-9AO 1+电机转速0（4）20mA输入 RL70010AO1-11AO 2+电机电流0（4）20mA输入 RL70012AO2-X221DI 1停止/启动2DI2正转

27、/反转3DI 3加速和减速选择4DI 4恒速选择5DI 5恒速选择6DI 6恒速选择7+24V+24VDC，最大值100mA8+24V9DGND1数字接地10DGND2数字接地11DI IL启动联锁（0=停止）X231+24V辅助电压输出，非隔离 +24VDC，最大值250mA2GNDX251RO11继电器输出 1Redby（备妥）2RO123RO13X261RO21继电器输出 2Running（运行）2RO223RO23X271RO31继电器输出 1Inverted fault(故障)2RO323RO33 表6-1 控制回路端子说明6.3、变频器主要参数设置见表6-2参数号设定值设定值范围注

28、解99.01English 1013选择English（默认）99.02FACTORY 119选择工厂宏FACTORY99.04SCALAR电机控制模式选择SCALAR99.05400V自定义电机额定电压400V99.0642.2A0.0100自定义电机额定电流42.2A99.0750Hz8300 Hz定义电机额定频率50Hz99.081480118000rpm额定转速 148099.0922KW09000额定功率22KW99.1OID NAMG选择辨识电机特征，自动优化电机控制10.01DI1 F DI2 R 定义外部启动、停止信号连接源选择DI1 F DI2 R10.03FORWARD 1

29、13选择FORWARD,固定为正转方向12.01DI5，6 10123选择DI5，614.01FAULT 4136故障输出FAULT14.02BRAKE CTRL 35136继电器RO2显示的传动状态，选择BRAKE CTRL16.04NOT SEL 1116通过键盘上按RESET才能使故障复位20.031.2010供给电机的最大电流（默认2*In）20.06ON解除DC欠压控制（默认ON）20.075Hz-30050 Hz最小频率 5Hz20.0850 Hz-50 300Hz最大频率 50 Hz21.03RAMP 212减速停车 RAMP22.0260S0.001800s加速时间（60S）2

30、2.0360S0.001800s减速时间（60S）27.01ONOFFON制动斩波器有效ON 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

31、/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