材料浓缩技术温度测控方法的研究

吴和保,柯 超,竺东杰

武汉工程大学机电工程学院,湖北 武汉 430205

0 引 言

机械蒸汽再压缩蒸发技术是可以循环利用自身产生二次蒸汽能量的蒸发工艺，这种工艺可以节约能源和降低劳动力，在各个行业得到了广泛运用.但目前MVR系统对二次蒸汽进行压缩加热时会浪费大量电能，且对蒸汽温度控制精度低，人机信息无法实时交换， MVR系统的自动化运行难以实现.

温度控制系统运用PID闭环反馈调节系统与变频器对蒸汽温度进行实时调控.通过对控制要求的分析，采用组态软件和PLC控制器搭建一个可以进行人机信息交换的温度控制系统，由温度采集装置采集温度值传送至控制系统进行分析比较运算实现了对蒸汽温度的精确控制，且系统运行状态可以在温度控制面板上进行实时监控，能够让操作人员对系统实时运转状况了解更加准确.

1 系统方案

系统主要包括西门子PLC S7-200控制器、变频器、罗茨风机、电机、温度传感器等部分[1].由温度传感器Pt100检测管道内蒸汽的温度，温度值经EM235模块传送至PLC,再由PLC内部的PID指令模块对温度值进行比对运算并输出电压信号对变频器进行控制，完成对罗茨风机的控制.控制系统结构图如图1所示.

由于换热器内料液温度需要达到60 ℃才能进行浓缩，所以需要蒸汽对料液进行加热.通过压缩机对二次蒸汽进行压缩加热到60 ℃才能达到换热的效果.当管道内温度低于60 ℃时，通过PLC内部PID指令进行比对运算，把运算结果传输到变频器内，变频器根据输入的模拟量，增大交流电频率，从而提高电动机的转速.如果管道内温度高于60 ℃，则变频器根据PID的输出结果降低交流电的频率从而降低电动机的转速.在PID指令模块中，将交流电频率50 Hz对应到数字量32 000，当变频器输出频率为50 Hz时，说明电动机进入工频运转.通过PLC对变频器的控制，可以实现电动机的无级调速，并能对现场进行远程操控.

图1 控制系统结构图

2 闭环反馈调节控制系统

在本次MVR二次蒸汽控制系统中主要运用PID闭环反馈调节控制系统进行控制，如图2所示.

图2 温度控制系统结构图

控制部分选取西门子S7-200CPU224XP 作为控制器，扩展一块西门子EM235模块用作数模转换.在换热器的进气口处安装一个Pt100铂热电阻传感器，传感器检测到温度信号后传送至EM235模块进行数模转换.在PLC程序中编写了子程序读取寄存器里的温度值，按照标准转换公式转换成标准数字量[2]，送至PID指令模块进行偏差运算，反馈输出.

本系统的偏差由温度设定值和温度采集值的差值构成.

e(t)=r(t)-c(t)

(1)

系统偏差通过PID反馈调节进行调控，其控制规律为

(2)

根据一般经验公式可以建立PID闭环反馈调节传递函数为

(3)

并用MATLAB进行调试仿真，建立温度控制仿真系统框图，如图3所示.

图3 温度控制仿真系统框图

在仿真系统中，先给一个阶跃信号并设置参数，添加一个PID Controller 模块，并设置比例、积分、微分各个参数大小，在PID指令模块中设置比例系数为60，积分系数为10，微分系数为0.得出经PID整定后的波形图，如图4所示.

图4 PID整定波形图

在仿真波形图中可以看出，当曲线在纵坐标数值较小时一直处于上升状态，当上升到顶峰时开始下降，在中间某一值时处于平衡状态，说明PID闭环反馈调节系统可以将输出值稳定在设定值附近.得出结论：本次温度控制仿真系统非常符合MVR温度自动调节控制系统的要求，能够实现对二次蒸汽温度的实时调控.

3 系统程序设计

控制程序主要分为温度控制主程序、子程序和中断子程序.在主程序中对控制点进行初始化，如图5所示，在主程序中设置一个温度节点，本系统以60 ℃为温度节点，并运用PID模块对温度进行调节；管道内蒸汽温度高于60 ℃时，M2.0线圈闭合启动PID指令模块进行温度调控，如图6所示.子程序用来对温度值与模拟信号进行标度转换，如图7所示.实际温度T和输入的数字量D通过数值运算进行转换，转换公式为

(4)

图5 程序初始化

图6 控温程序

图7 子程序

4 变频器设计

变频器在整个温度控制系统中用来改变电机的转速从而改变蒸汽的温度值，电机的调速采用交流异步电动机拖动，其转速为

(5)

式(5)中，n为转速；p为电动机的磁极对数；f为电源频率；s为转差率.在现实中一般是将电网中的交流电通过变频器转换为电压和频率均为可变的交流电之后，供给电动机，使电机的转速可调[3].

变频器型号的选择主要考虑变频器的电压、电流以及容量的大小，在电动机的运行过程中，变频器的额定电流必须大于电动机可能出现的最大电流[4]，即

IN≥IMMax

(6)

变频器的容量要与电动机的容量匹配，变频器在连续恒定负载下所要达到的容量计算公式如下：

(7)

(8)

变频器的容量在工作时必须满足以上两公式.在本温度调控系统中选用的是Y200M-4电机，电机的额定功率是55 kW，额定电压是380 V，额定电流是110 A,电流波形的修正整形系数k取1.1，电动机的效率η取0.85，电动机的功率因数cosφ取0.75.通过计算可得，PCN≥95 kW，IN≥120 A，根据变频器额定功率的取值范围和额定电流的取值范围，选取西门子MM440 F型系列，型号为 6SE6440-2UD41-1FB1的变频器作为控制元件[5].

5 控制界面的设计及系统调试

温度控制系统的界面采用北京昆仑通态的MCGS嵌入版组态软件进行设计.在组态软件的用户窗口添加控制面板所需的控件，对各控件的属性进行设置.界面图形绘制完成后，对控制系统进行调试，用通讯电缆连接PC机和PLC控制器，在STEP7-Micro/WIN中的通信设置栏设置PLC的各个通讯参数并将组态软件中的控件与PLC程序进行通道连接.下载工程并进入运行环境，启动MVR温度控制系统，在控制面板中设置温度值，点击启动加热键，进行在线调试[6],如图8所示.

图8 温度控制面板

6 结 语

MVR温度控制系统主要运用了PID指令模块对变频器的控制来实现管道内温度的调控[7]，用MATLAB软件对PID闭环反馈调节系统进行模拟，从曲线可以看出本系统是可以实现温度的实时调控.通过组态软件设计MVR温度控制面板，通过温度控制面板对管道内的蒸汽温度进行实时监控，对解决人机信息交换困难和能源浪费的难题进行了有益的探索.

致 谢

在系统开发的过程中,对于武汉纽威制药机械有限公司提供的实验和现场测试工作的帮助,在此表示衷心的感谢！

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