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" title="PLC">PLC的控制系統(tǒng)" title="控制系統(tǒng)">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)計等,。運用PID算法調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速，控制系統(tǒng)提高了整機運行的可靠性和經(jīng)濟性,。
關(guān)鍵詞：液力偶合器;PLC;電動執(zhí)行器" title="電動執(zhí)行器">電動執(zhí)行器;PID
　　火力發(fā)電廠的鍋爐給水泵,，需要根據(jù)機組負荷的改變來調(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,。對于大容量機組的鍋爐給水泵，通常以異步電動機為動力,，幾乎都是通過安裝液力偶合器進行機械調(diào)速,，并且這種調(diào)速方法具有空載起動電動機的良好作用[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，有的甚至脫控運行,，亟待運用測控新技術(shù),，對其運行狀態(tài)參數(shù)進行自動監(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)將極大地提高整機運行的可靠性和經(jīng)濟性。
1 調(diào)速原理
　　液力偶合器安裝于異步電動機和給水泵之間,，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,，輸入軸從電動機處獲得能量,，通過中間軸，泵輪將機械能轉(zhuǎn)變?yōu)楣ぷ髑粌?nèi)的液體動能,，推動渦輪轉(zhuǎn)動,，再變成機械能傳給輸出軸，帶動鍋爐給水泵工作,。

　　為適應(yīng)機組工況的變化要求,，在電動機轉(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)改變充液量既可實現(xiàn)輸出軸的無級調(diào)速,。
　　調(diào)速機構(gòu)中的勺管，由電動執(zhí)行器通過簡單的機械機構(gòu)驅(qū)動,。電動執(zhí)行器接受標準電流信號,，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,，當油溫高于110°C時報警，當油溫高于130°C時停止主電機運行,。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" title="溫度控制">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,，當油溫高于90°C時報警，當油溫高于95°C時停止主機運行,。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,，當油壓低于0.1Mpa時報警,，并且啟動輔助油泵，低于0.05Mpa則必須停止主電機運行,。另外還要限定濾油器進出口壓力差不超過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的標準電流信號,，共計14路模擬量;各電機,、閥門、報警指示燈等開關(guān)量輸入輸出共30點,，因此系統(tǒng)的配置不甚復雜,。采用西門子S7一200系列小型機控制，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點輸出/16點輸入,，可連接7個擴展模塊,，提供1000mA的總線電流，并且具有32位浮點運算功能和內(nèi)置集成的PID調(diào)節(jié)運算指令,，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,，即標準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)總擴展模塊數(shù)為4，CPU226的電源能滿足所有擴展模塊消耗DC5V總線電流的能力,。
　　另外,，CPU226本機集成了兩個通訊口，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,、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)必須滿足嚴格的的啟動,、運行和停止條件,。既開機順序為先啟動輔助潤滑油泵,、開冷卻水閘，再啟動主電機;停機順序為先停主電機,，再停潤滑油泵,、關(guān)閉冷卻水閘;運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)換為標準化的浮點數(shù)表示形式,，轉(zhuǎn)換的第一步是把實際值從16位整數(shù)數(shù)值轉(zhuǎn)換為浮點數(shù)數(shù)值,，第二步是將轉(zhuǎn)換后的浮點數(shù)再轉(zhuǎn)換成位于0.0～1.0之間的標準化數(shù)值。
　　表4.1 PID回路參數(shù)表


　　由于機械-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計算,，通過工程計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,進一步計算后可達到最優(yōu)控制效果,。
5 結(jié)論
　　基于西門子PLC的控制系統(tǒng),，實現(xiàn)了對液力偶合器主要運行參數(shù)的實時監(jiān)控。通常,，電廠鍋爐配備兩臺以上的給水泵，結(jié)合蒸汽鍋爐運行狀態(tài)的自動監(jiān)測,，可以實現(xiàn)整個機組的在線監(jiān)控,、故障診斷和報警等,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)尚有很大的可擴展性,。
　　本文作者創(chuàng)新點在于：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:
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　　[2]殷洪義,可編程序控制器選擇設(shè)計與維護[M],北京:機械工業(yè)出版社,2004.3:143-147
　　[3]張雪平,PLC在鍋爐風機控制中的應(yīng)用[J],微計算機信息,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