摘 要：針對火電廠的調速型液力偶合器，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計等。運用PID算法調節(jié)水泵轉速，控制系統(tǒng)提高了整機運行的可靠性和經(jīng)濟性。
關鍵詞：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節(jié)給水壓力和給水量。在幾種調節(jié)方式中，因改變給水泵轉速來調節(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速，并且這種調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，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)組裝和構建網(wǎng)絡非常靈活、而且具有PID調節(jié)指令功能，編程和調試非常方便，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，泵輪將機械能轉變?yōu)楣ぷ髑粌?nèi)的液體動能，推動渦輪轉動，再變成機械能傳給輸出軸，帶動鍋爐給水泵工作。

　　為適應機組工況的變化要求，在電動機轉速恒定的情況下，調節(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)輸出軸的無級調速。
　　調速機構中的勺管，由電動執(zhí)行器通過簡單的機械機構驅動。電動執(zhí)行器接受標準電流信號，將其轉換成相應的轉角輸出，因此，調節(jié)轉速實際上是調節(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）轉速調節(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速。調速原理如圖2.1所示，利用液位變送器，將反應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，將輸出軸轉速也反饋給控制系統(tǒng)，依據(jù)設定的PID控制算法計算后輸出電流信號，電動執(zhí)行器將之轉換成相應的輸出轉角，通過調節(jié)機構驅動勺管移動，其開度對應鍋爐水位要求的泵輪轉速。

　　2）工作油系統(tǒng)
　　液力偶合器工作腔內(nèi)介質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、轉速、油溫、油壓等物理量，選用各類變送器轉換為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調節(jié)運算指令，非常適合液力偶合器調速的鍋爐供水系統(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開關進行設置，輸入輸出端口時能夠自動完成A/D和D/A的轉換，即標準電流信號與一個字長（16bit）的數(shù)字信號的自動轉換。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，進入中斷服務程序執(zhí)行含有PID指令的一段程序，對輸出軸進行調速控制。
　　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、關閉冷卻水閘;運行工作條件為勺管調速構控制功能正常、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)液力偶合器的結構特性可知，機械-液力傳動系統(tǒng)慣性較大，輸出軸速度調節(jié)響應有一定的滯后性。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)的速度調節(jié)響應，改善系統(tǒng)的動態(tài)特性[4]。
　　PID控制器的設計是以連續(xù)的PID控制規(guī)律為基礎的，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。在應用于PID指令之前，需要將參數(shù)轉換為標準化的浮點數(shù)表示形式，轉換的第一步是把實際值從16位整數(shù)數(shù)值轉換為浮點數(shù)數(shù)值，第二步是將轉換后的浮點數(shù)再轉換成位于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)絡構建功能，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)的響應速度。
參考文獻:
　　[1]楊乃喬,姜麗英編著,液力調速與節(jié)能[M],北京:國防工業(yè)出版社,2000.5:2-5
　　[2]殷洪義,可編程序控制器選擇設計與維護[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