分布式控制系统对设备搅拌器变频调速的应用

王恩娜

(北京美盛沃利工程技术有限公司上海分公司，上海 200001)

0 引言

随着科技的不断进步，各种变频技术在化工生产中得到了广泛应用，由此对相关控制技术也提出了新的要求。传统的单机生产控制，人工现场手动操作等传统的控制系统即将被先进的集散型计算机控制系统所取代。

在化工涂料的生产过程中，由于需要带搅拌器的设备较多，且在不同温度、压力和液位时要求的搅拌速度也不尽相同，如果采用传统的定速搅拌器，既达不到生产过程所要求的搅拌效果，又浪费能源。集散型控制系统(Distributed Control System，DCS)综合了计算机技术、控制技术、通信技术、CRT显示技术;集中了连续控制、批量控制、逻辑顺序控制、数据采集等功能;采用分散控制、集中操作、综合管理和分而自制的设计原则。该系统具有安全可靠、运用灵活、最优控制和综合管理等各种能力，是计算机工业过程控制的有效方法。

因此，将该方法应用于搅拌器变频调速控制中，采用DCS，输出4～20 mA DC控制信号到变频器，控制调节设备搅拌器的速度，按预定的搅拌要求进行搅拌，变频输出DC 0～10 V电压信号由电流转换模块转换成4～20 mA电流信号给DCS，达到监控运行数据，使搅拌器的自动化程度大大提高。

1 变频调速技术原理

三相异步电动机转速公式为

从式(1)可见，改变供电频率f、电动机的极对数p及转差率s均可达到改变转速的目的。从调速的本质来看，不同的调速方式无非是改变交流电动机的同步转速或不改变同步转速两种。在生产机械中广泛使用不改变同步转速的调速方法，如绕线式电动机的转子串电阻调速、斩波调速、串级调速以及应用电磁转差离合器、液力耦合器、油膜离合器等调速。改变同步转速的高速方法有改变定子极对数的变极高速及改变定子电压和频率的变频调速。从调速时的能耗观点来看，有高效调速方法与低效调速方法两种。高效调速一般为转差率不变，因此无转差损耗，如变极高速、变频变压调速以及能将转差损耗回收的调速方法(如串级调速等)。有转差损耗的调速方法属低效调速，如转子串电阻调速(能量就损耗在转子回路中)、电磁离合器调速(能量损耗在离合器线圈中)、液力耦合器调速(能量损耗在液力耦合器的油中)。一般来说转差损耗随调速范围扩大而增加，如果调速范围不大，能量损耗将很小。

变频调速是改变电动机定子电源的频率和电压，从而改变其同步转速的调速方法。变频调速系统主要设备是提供变频电源的变频器，变频器可分成交－直－交变频器和交－交变频器两大类，目前国内大都使用交－直－交变频器。其特点是效率高、调速范围大、特性硬、精度高、应用范围广，是一种节能产品，适用于要求精度高、调速性能较好的场合。

2 变频调速技术的特点

(1)调速范围广，可应用于交流电动机实现无级调速。

(2)调节精度高、效率高，没有附加损耗，在正常调速范围内，变频装置的总效率在93%以上，功率因数超过0.95。

(3)可实现真正的软起动，并且起动转矩大、起动电流小。

(4)设备发生故障时可随时切换以保持运转，适用于不允许停机的场合。

(5)容易实现生产过程的自动控制及远程控制。

(6)变频器预留有控制接口，能为机组实现计算机优化控制提供方便。

3 控制系统的基本方案

DCS控制搅拌器变频调速的系统框图如图1所示。

3.1 控制系统的主要功能

(1)DCS系统对变频器状态监测:该涂料搅拌工程使用微能矢量型变频器强大的通信功用，以及DSC系统自身的通信网络功能、显示功能来实现对现场变频器状态的监测，如:变频器运行状态、变频器故障报警、开/停状态、运行指示等监测。

图1 DCS控制搅拌器变频调速的系统框图

(2)DCS系统信息采集及控制:利用DCS系统自身的计算机功能、控制功能完成对整个搅拌过程的远程集中监测控制。测量仪表担负采集搅拌器转速、给/出料流量等模拟量、开关量等信号，并且将采集的信号反馈到工程师站计算机系统，与设定值比较处理，形成闭环控制。工程师站计算机系统通过采集值与整定值比较，自动控制变频器改变转速基准值的指令。

3.2 监测及控制信号

为了更精确地控制搅拌器的搅拌速度，需要采集对搅拌速度起确定性的信号参数:设备内物料的液位，此信号监测需要用液位变送器来实现;物料的温度，此信号的监测需要用温度变送器来实现;设备内的压力，此信号需要用压力变送器实现;物料进料流量，此信号需要用流量计实现，以及设备内各搅拌阶段所需时间的设定。

3.3 DCS系统在工程中应用优点

(1)灵活性。根据各阶段搅拌要求的不同，对DCS系统控制软件进行组态，即确定测量与控制信号及相互间连接关系。从控制组态模块库中，选择适用的控制模块，并将各阶段模块用时间计数器及各相关参数报警或联锁值触发。从图形库调用基本图形，组成所需的各种监控和报警画面，从而方便、快捷地构成所需的控制程序。

(2)高可靠性。由于DCS系统将控制功能分散在多台计算机及控制器上实现，系统结构采用冗余设计，因此某一台计算机或控制器出现故障时，其他计算机或控制器无扰动自动切换，并及时报警。不会导致系统无法运行或功能的丧失。此外，由于系统中采用了诊断及判断功能软件，在现场仪表发生故障和误报信息前，提前诊断出问题来源，及早发现，及早解决，能识别错误信息，保持正常信息输入并及时报警，从而使系统中各组成部件的可靠性得到提高。

(3)开放性。DCS采用开放式、标准化、模块化和系列化设计，系统中各台计算机及与控制器间采用局域网方式通信，实现信息实时传输。当需要改变或扩充设备搅拌系统功能时，可将新增计算机或控制器方便地链入系统通信网络或从网络中卸下，不影响系统其他计算机或控制器的正常工作。

(4)易于维护。系统的模块化设计、自动识别和自诊断功能，以及开放的系统组成，使其具有维护简单、方便使用、可靠性强等特点。当某一卡件或系统中任一节点出现故障时，可以在不影响整个系统运行的情况下在线更换和卸载，迅速排除故障。

(5)协调性。各工作站之间通过通信网络传送数据，整个系统实现信息共享，协调工作，以完成控制系统的总体功能和优化处理。

(6)控制功能齐全。控制算法丰富，集连续控制、顺序控制和批处理控制于一体，可实现串级、前馈、解耦、自适应和预测控制等先进控制，并可方便地加入所需的特殊控制算法。

DCS的构成方式十分灵活，可由专用的管理计算机站、操作员站、工程师站、记录站、现场控制站和数据采集站等组成，也可由通用的服务器、工业控制计算机和可编程控制器构成。处于底层的过程控制级一般由分散的现场控制站、数据采集站等就地实现数据采集和控制，并通过数据通信网络传送到生产监控级计算机。生产监控级对来自过程控制级的数据进行集中操作管理，如各种优化计算、统计报表、故障诊断、显示报警等，并输出控制及联锁要求。随着计算机技术的快速发展，DCS可以按照各种需要与更高级别的计算机设备通过网络连接来实现更高级的集中管理功能，如计划调度、仓储管理、能源管理等。

4 结语

带变频器的搅拌器应用领域很广泛，实用性强，这就决定着搅拌器电气控制的多样化。在提倡节能环保的当今时代，搅拌器的控制系统也在向节能环保的方向发展，DCS应用于搅拌器的控制中，正体现了这种先进的控制理念。在此DCS控制调频系统投入运行后，一台200 kW，380 V搅拌器在使用变频调速前，电机额定工作电流为260 A，额定转速为600 r/min。在使用DCS控制变频调速后，采用4～20 mA DC信号调节频率，使其输出电流减小，转速降低至200～400 r/min，平均节能达到20%～30%。DCS控制搅拌器变频调速，不仅使各种复杂控制要求得以实现，并且使生产成本大大降低，节约了能耗，为国家节能减排做出了贡献。

［1］翁维勤，孙洪程.过程控制系统及工程［M］.2版.北京:化学工业出版社，2002.

［2］黄元培，张学.变频器应用技术及电动机调速［M］.北京:人民邮电出版社，1998.

［3］单方平.造纸 DCS控制系统设计和实践的研究［D］.南京:南京林业大学，2005.