自動加藥控制系統(tǒng)

實用文檔前言第一章軟水系統(tǒng)加藥控制系統(tǒng)1.1工藝簡介煉鋼連鑄濁環(huán)水系統(tǒng)主要由旋流井、化學(xué)除油器、熱水池以及二次冷卻系統(tǒng)構(gòu)成。連鑄濁環(huán)水來自二冷噴淋系統(tǒng)，用于對鑄坯、切割輥道和出坯跨等的直接冷卻。在生產(chǎn)運(yùn)行過程中，連鑄濁環(huán)水與被冷卻對象直接接觸，被大量的氧化鐵皮、金屬粉塵、油污等雜質(zhì)污染。因此連鑄濁環(huán)水水的濁度、懸浮物含量、pH、總堿度均高.為了達(dá)到水質(zhì)穩(wěn)定，除需設(shè)置化學(xué)除油器等設(shè)施設(shè)備外，還需要投加PAM（聚丙烯酰胺）以及PAC（聚合氯化鋁）。投加該復(fù)配藥劑需滿足濁環(huán)水系統(tǒng)水質(zhì)穩(wěn)定的要求，投加方式既要簡單，又要經(jīng)濟(jì)實用。圖1連鑄濁環(huán)水系統(tǒng)工藝流程圖1.2設(shè)計要求<1>根據(jù)實際工藝要求設(shè)定濁度值：≤40NTU<2>選擇主控制方案。<3>用一臺西門子MM430變頻器控制加藥泵能起動、自動、停止控制。<4>必要的電氣連鎖、保護(hù)、報警功能。1.3被控參數(shù)根據(jù)設(shè)計要求選擇被控參數(shù)，是系統(tǒng)設(shè)計中的十分重要的內(nèi)容。它對于水質(zhì)質(zhì)量的提高，以及改善勞動條件等方面都有重要意義。若被控參數(shù)選擇不當(dāng)，則無論組成什么樣的控制系統(tǒng)，選用多么先進(jìn)的過程檢測控制儀器，均不能達(dá)到預(yù)期的效果。對于一個水質(zhì)控制來說，影響正常操作的因素是很多的，但是，并非對所有的影響因素均加以控制。所以必須根據(jù)工藝要求，深入分析工藝過程所以我們選擇水的濁度進(jìn)行控制。1.4控制參數(shù)選擇控制參數(shù)的一般原則為：選擇控制通道的靜態(tài)放大系數(shù)KT應(yīng)盡可能小，時間常數(shù)TF盡可能大，當(dāng)廣義對象的控制通道由幾個一階慣性環(huán)節(jié)組成時，應(yīng)注意工藝上的合理性。1.5控制方案圖2控制方案1.6控制原理濁度變化是通過加藥泵單位時間內(nèi)加藥量來進(jìn)行控制。濁度變化采用在線檢測濁度儀與給定濁度值進(jìn)行比較，輸出變化的40-20mA模擬信號，通過MM430變頻器PID進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而改變變頻器的輸出頻率，改變加藥泵的轉(zhuǎn)速從而改變單位時間的加藥量保持濁度在給定范圍內(nèi)。1.7選擇調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律圖3控制方案圖1.8變頻調(diào)速技術(shù)的原理變頻調(diào)速技術(shù)是一項綜合現(xiàn)代電氣技術(shù)和計算機(jī)這的先進(jìn)技術(shù),廣泛應(yīng)用于節(jié)能減排等領(lǐng)域。變頻調(diào)速的基本原理是根據(jù)交流電動機(jī)工作原理中的同步轉(zhuǎn)速。電動機(jī)轉(zhuǎn)速變慢,軸功率就相應(yīng)減少,電動機(jī)輸入功率也隨之減少。這就是電機(jī)變頻調(diào)速的節(jié)能作用。眾所周知,電機(jī)消耗功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比。即P=Kn3。其中P為電機(jī)消耗功率；n為電機(jī)運(yùn)行時的轉(zhuǎn)速；K為比例系數(shù)。變頻調(diào)速和智能控制技術(shù),可以使電機(jī)運(yùn)行的轉(zhuǎn)速隨流量的變化而變化,最終達(dá)到節(jié)能的目的。實踐證明,使用變頻設(shè)備可使電機(jī)運(yùn)行平均轉(zhuǎn)速比工頻轉(zhuǎn)速降低20%,從而大大降低能耗。第二章變頻調(diào)速技術(shù)用于連鑄濁環(huán)水系統(tǒng)加藥的控制方式2.1變頻器的控制方式低壓通用變頻輸出電壓為110～660V，輸出功率為0.75～400kW，工作頻率為0～400Hz，它的主電路都采用交—直—交電路。其控制方式經(jīng)歷了以下四代。2.1.1U/f=C的正弦脈寬調(diào)制(SPWM)控制方式其特點是控制電路結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，機(jī)械特性硬度也較好，能夠滿足一般傳動的平滑調(diào)速要求，已在產(chǎn)業(yè)的各個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但是，這種控制方式在低頻時，由于輸出電壓較低，轉(zhuǎn)矩受定子電阻壓降的影響比較顯著，使輸出最大轉(zhuǎn)矩減小。另外，其機(jī)械特性終究沒有直流電動機(jī)硬，動態(tài)轉(zhuǎn)矩能力和靜態(tài)調(diào)速性能都還不盡如人意，且系統(tǒng)性能不高、控制曲線會隨負(fù)載的變化而變化，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)慢、電機(jī)轉(zhuǎn)矩利用率不高，低速時因定子電阻和逆變器死區(qū)效應(yīng)的存在而性能下降，穩(wěn)定性變差等。因此人們又研究出矢量控制變頻調(diào)速。2.1.2電壓空間矢量(SVPWM)控制方式它是以三相波形整體生成效果為前提，以逼近電機(jī)氣隙的理想圓形旋轉(zhuǎn)磁場軌跡為目的，一次生成三相調(diào)制波形，以內(nèi)切多邊形逼近圓的方式進(jìn)行控制的。經(jīng)實踐使用后又有所改進(jìn)，即引入頻率補(bǔ)償，能消除速度控制的誤差；通過反饋估算磁鏈幅值，消除低速時定子電阻的影響；將輸出電壓、電流閉環(huán)，以提高動態(tài)的精度和穩(wěn)定度。但控制電路環(huán)節(jié)較多，且沒有引入轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)，所以系統(tǒng)性能沒有得到根本改善。2.1.3矢量控制(VC)方式矢量控制變頻調(diào)速的做法是將異步電動機(jī)在三相坐標(biāo)系下的定子電流Ia、Ib、Ic、通過三相－二相變換，等效成兩相靜止坐標(biāo)系下的交流電流Ia1Ib1，再通過按轉(zhuǎn)子磁場定向旋轉(zhuǎn)變換，等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直流電流Im1、It1(Im1相當(dāng)于直流電動機(jī)的勵磁電流；It1相當(dāng)于與轉(zhuǎn)矩成正比的電樞電流)，然后模仿直流電動機(jī)的控制方法，求得直流電動機(jī)的控制量，經(jīng)過相應(yīng)的坐標(biāo)反變換，實現(xiàn)對異步電動機(jī)的控制。其實質(zhì)是將交流電動機(jī)等效為直流電動機(jī)，分別對速度，磁場兩個分量進(jìn)行獨立控制。通過控制轉(zhuǎn)子磁鏈，然后分解定子電流而獲得轉(zhuǎn)矩和磁場兩個分量，經(jīng)坐標(biāo)變換，實現(xiàn)正交或解耦控制。矢量控制方法的提出具有劃時代的意義。然而在實際應(yīng)用中，由于轉(zhuǎn)子磁鏈難以準(zhǔn)確觀測，系統(tǒng)特性受電動機(jī)參數(shù)的影響較大，且在等效直流電動機(jī)控制過程中所用矢量旋轉(zhuǎn)變換較復(fù)雜，使得實際的控制效果難以達(dá)到理想分析的結(jié)果。2.1.4直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)方式1985年，德國魯爾大學(xué)的DePenbrock教授首次提出了直接轉(zhuǎn)矩控制變頻技術(shù)。該技術(shù)在很大程度上解決了上述矢量控制的不足，并以新穎的控制思想、簡潔明了的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、優(yōu)良的動靜態(tài)性能得到了迅速發(fā)展。目前，該技術(shù)已成功地應(yīng)用在電力機(jī)車牽引的大功率交流傳動上。直接轉(zhuǎn)矩控制直接在定子坐標(biāo)系下分析交流電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型，控制電動機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩。它不需要將交流電動機(jī)等效為直流電動機(jī)，因而省去了矢量旋轉(zhuǎn)變換中的許多復(fù)雜計算；它不需要模仿直流電動機(jī)的控制，也不需要為解耦而簡化交流電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型。2.1.5矩陣式交—交控制方式VVVF變頻、矢量控制變頻、直接轉(zhuǎn)矩控制變頻都是交—直—交變頻中的一種。其共同缺點是輸入功率因數(shù)低，諧波電流大，直流電路需要大的儲能電容，再生能量又不能反饋回電網(wǎng)，即不能進(jìn)行四象限運(yùn)行。為此，矩陣式交—交變頻應(yīng)運(yùn)而生。由于矩陣式交—交變頻省去了中間直流環(huán)節(jié)，從而省去了體積大、價格貴的電解電容。它能實現(xiàn)功率因數(shù)為l，輸入電流為正弦且能四象限運(yùn)行，系統(tǒng)的功率密度大。該技術(shù)目前雖尚未成熟，但仍吸引著眾多的學(xué)者深入研究。其實質(zhì)不是間接的控制電流、磁鏈等量，而是把轉(zhuǎn)矩直接作為被控制量來實現(xiàn)的。具體方法是：控制定子磁鏈引入定子磁鏈觀測器，實現(xiàn)無速度傳感器方式；自動識別(ID)依靠精確的電機(jī)數(shù)學(xué)模型，對電機(jī)參數(shù)自動識別；算出實際值對應(yīng)定子阻抗、互感、磁飽和因素、慣量等算出實際的轉(zhuǎn)矩、定子磁鏈、轉(zhuǎn)子速度進(jìn)行實時控制；實現(xiàn)Band—Band控制按磁鏈和轉(zhuǎn)矩的Band—Band控制產(chǎn)生PWM信號，對逆變器開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行控制。矩陣式交—交變頻具有快速的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)(<2ms)，很高的速度精度(±2％，無PG反饋)，高轉(zhuǎn)矩精度(<＋3％)；同時還具有較高的起動轉(zhuǎn)矩及高轉(zhuǎn)矩精度，尤其在低速時(包括0速度時)，可輸出150％～200％轉(zhuǎn)矩。2.2調(diào)速系統(tǒng)變頻器的選擇2.2.1風(fēng)機(jī)和泵類負(fù)載

在過載能力方面要求較低，由于負(fù)載轉(zhuǎn)矩與速度的平方成反比，所以低速運(yùn)行時負(fù)載較輕(羅茨風(fēng)機(jī)除外)，又因為這類負(fù)載對轉(zhuǎn)速精度沒有什么要求，故選型時通常以價廉為主要原則，選擇普通功能型變頻器。

2.2.2恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載

多數(shù)負(fù)載具有恒轉(zhuǎn)矩特性，但在轉(zhuǎn)速精度及動態(tài)性能等方面要求一般不高，例如擠壓機(jī)，攪拌機(jī)，傳送帶，廠內(nèi)運(yùn)輸電車，吊車的平移機(jī)構(gòu)，吊車的提升機(jī)構(gòu)和提升機(jī)等。選型時可選V/f控制方式的變頻器，但是最好采用具有恒轉(zhuǎn)矩控制功能的變頻器。

2.2.3要求響應(yīng)快的系統(tǒng)所謂響應(yīng)快是指實際轉(zhuǎn)速對于轉(zhuǎn)速指令的變化跟蹤得快，從負(fù)載變動等急劇外界干擾引起的過渡性速度變化中恢復(fù)得快。要求響應(yīng)快的典型負(fù)載有軋鋼機(jī)、生產(chǎn)線設(shè)備、機(jī)床主軸、六角孔沖床等。要使變頻器主電路能力充分發(fā)揮加減速特性，最好選用轉(zhuǎn)差頻率控制的變頻器。

2.2.4被控對象具有一定的動態(tài)，靜態(tài)指標(biāo)要求。

這類負(fù)載一般要求低速時有較硬的機(jī)械特性，才能滿足生產(chǎn)工藝對控制系統(tǒng)的動態(tài)、靜態(tài)指標(biāo)要求，如果控制系統(tǒng)采用開環(huán)控制，可選用具有無速度反饋的矢量控制功能的變頻器。

2.2.5被控對象具有較高的動態(tài),

靜態(tài)指標(biāo)要求。

對于調(diào)速精度和動態(tài)性能指標(biāo)都有較高要求，以及要求高精度同步運(yùn)行等場合，可選用帶速度反饋的矢量控制方式的變頻器。如果控制系統(tǒng)采用閉環(huán)控制，可選用能夠四象限運(yùn)行，U/f控制方式，具有恒轉(zhuǎn)矩功能型變頻器。例如軋鋼，造紙，塑料薄膜加工生產(chǎn)線。這一類對動態(tài)性能要求較高的生產(chǎn)機(jī)械，采用矢量控制的高性能變頻器。

2.2.6要求控制系統(tǒng)具有良好的動態(tài)，靜態(tài)性能。

例如電力機(jī)車，交流伺服系統(tǒng)，電梯，起重機(jī)等領(lǐng)域，可選用具有直接轉(zhuǎn)矩控制功能的專用變頻器。2．3變頻器的基本原理變頻器是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。我們公司現(xiàn)在使用的變頻器主要采用交—直—交方式（VVVF變頻），先把工頻交流電源通過整流器轉(zhuǎn)換成直流電源，然后再把直流電源轉(zhuǎn)換成頻率、電壓均可控制的交流電源以供給電動機(jī)。變頻器的電路一般由整流環(huán)節(jié)、中間直流環(huán)節(jié)、逆變環(huán)節(jié)和控制環(huán)節(jié)4個部分組成。整流部分為三相橋式不可控整流器，逆變部分為IGBT三相橋式逆變器，且輸出為PWM波形，中間直流環(huán)節(jié)為濾波、直流儲能和緩沖無功功率。從理論上可知電機(jī)的轉(zhuǎn)速N與供電頻率f有以下關(guān)系：（2-1）已知：q：電機(jī)極數(shù)S：轉(zhuǎn)差率由上式可知，轉(zhuǎn)速n與頻率f成正比，如果不改變電動機(jī)的級數(shù)，只要改變頻率f即可改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，當(dāng)頻率f在0～50Hz的范圍內(nèi)變化時，電動機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍非常寬。變頻器就是通過改變電動機(jī)電源頻率實現(xiàn)速度調(diào)節(jié)的，是一種理想的高效率、高性能的調(diào)速手段。變頻器在工頻以下和工頻以上工作時的情況：（1）變頻器小于50Hz時，由于I×R很小，所以U/F=E/F不變時，磁通為常數(shù)，轉(zhuǎn)矩和電流成正比，這也就是為什么通常用變頻器的過流能力來描述其過載（轉(zhuǎn)矩）能力，并成為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。（2）變頻器50Hz以上時，通常的電機(jī)是按50Hz電壓設(shè)計制造的，其額定轉(zhuǎn)矩也是在這個電壓范圍內(nèi)給出的。因此在額定頻率之下的調(diào)速稱為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。(T=Te,P<=Pe)變頻器輸出頻率大于50Hz頻率時，電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩要以和頻率成反比的線性關(guān)系下降。當(dāng)電機(jī)以大于50Hz頻率速度運(yùn)行時，電機(jī)負(fù)載的大小必須要給予考慮，以防止電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的不足。舉例，電機(jī)在100Hz時產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩大約要降低到50Hz時產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的1/2。因此在額定頻率之上的調(diào)速稱為恒功率調(diào)速。下面用公式來定性的分析一下頻率在50Hz時的情況。眾所周知，對一個特定的電機(jī)來說,其額定電壓和額定電流是不變的。如變頻器和電機(jī)額定值都是:15kW/380V/30A,電機(jī)可以工作在50Hz以上。

當(dāng)轉(zhuǎn)速為50Hz時，變頻器的輸出電壓為380V，電流為30A。這時如果增大輸出頻率到60Hz，變頻器的最大輸出電壓電流還只能為380V/30A。很顯然輸出功率不變。所以我們稱之為恒功率調(diào)速。

這時的轉(zhuǎn)矩情況怎樣呢？由于功率是角速度與轉(zhuǎn)矩的乘積。因為功率不變，角速度增加了，所以轉(zhuǎn)矩會相應(yīng)減小。[7]我們還可以再換一個角度來看：從電機(jī)的定子電壓（2-2）已知：I：電流R：電子電阻E：感應(yīng)電勢可以看出，U、I不變時，E也不變。而（2-3）已知：k：常數(shù)F：頻率X：磁通所以當(dāng)f由50Hz>60Hz時，X會相應(yīng)減小。對于電機(jī)來說，（2-4）已知：K：常數(shù)I：電流X：磁通因此轉(zhuǎn)矩T會跟著磁通X減小而減小。結(jié)論：當(dāng)變頻器輸出頻率從50Hz以上增加時，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩會減小。2.4變頻器結(jié)構(gòu)電路圖主回路主要由整流電路、限流電路