基于PCS7控制的调功器在铂金通道加热系统上的应用

2018-07-31陈华侯振

电气自动化 2018年2期

陈华,侯振

(1.科立视材料科技有限公司，福建福州 350015; 2.北京科技大学自动化学院，北京 100083)

0 引言

铂金通道作为TFT玻璃或者盖板玻璃生产过程中重要的工艺环节，承载着玻璃澄清、均化和料位控制的重要功能。在铂金通道中，铂金作为与玻璃接触的加热载体，通过对铂金通道施加大电流使铂金通道本体产生大量的热能，完成玻璃液在不同的工艺条件下的加工过程。本文针对铂金通道电加热系统进行设计与控制分析，上位系统使用西门子的PCS7 DCS(Distributed Control System)系统，功率器件使用德国AE公司的Thyro-P带VSC(Voltage Sequence Control)调节功能的调功器，通过对回路的调试，使系统满足工艺控制的要求。

1 系统硬件组成

图1 系统硬件组成图

如图1所示，在主回路上：铂金通道作为加热体，通过两端的法兰受电，法兰通过铜排与变压器连接共同作为调功器的负载，为便于对铂金通道进行加热控制和负荷分配，一般取单相电源作为调功器控制调节电源；控制回路上，在铂金通道上焊接铂金热电偶作为温度传感器实现温度闭环控制，热电偶信号通过温度变送器变送成4 mA～20 mA信号进入DCS系统，功率、电流、温度等设定通过Profibus DP总线进行设定。在本地控制可以通过电位器给定实现，这样增加了系统操作的便利性和安全性[1]。

2 电加热参数选型

针对每一段的铂金通道，直接加热所需要的电压与电流决定了系统的加热能力，根据能量守恒，电加热功率需要考虑到系统散热热量损失、法兰冷却带走的热量以及玻璃液按设定温度吸收或带走的热量。在理想状态下，玻璃液升温和运行时所需要的功率按以下公式计算：

(1)

(2)

式(1)、式(2)中:P1为升温期间所需要的功率,kW；P2为运行期间所需要的功率, kW；c1为铂金通道的比热，J/(kg·K)；m1为铂金通道的质量，kg；α为保温材料占通道比重，为常数；c2为保温材料的比热，J/(kg·K)；m2为保温材料的质量，kg；c3为玻璃液的比热，J/(kg·K)；m3为每小时玻璃液的流量，kg/h；ΔT为每小时上升的温度，℃；Q散热为运行时每小时的散热量，kW/h。

对于铂金通道的散热可以从通道表面散热Qs和法兰冷却水散热Qw两方面来考虑，铂金通道表热散，可以依式(3)、式(4)计算:

Qs=[ΔT×λ÷δ×S]×1 000

(3)

(4)

式中:λ为保温材料的导热系数，W/(m·K)；δ为保温材料的厚度，m；S为系统的散热面积，m2;c4为冷却水的比热，J/(kg·K)；m4为每小时冷却水的流量，kg/h；ΔT为冷却水的进出水温差。

3 调功器的控制分析

3.1 调功器的触发方式选择

铂金通道温度控制精度直接影响玻璃的质量，而玻璃的流动对温度响应的快慢又提出了更高的要求，对于这种温度迟滞而系统响应又要快的系统，调功器的控制方式选择至关重要。对于变压器负载，首先要保证调功器的输出要有快速响应性能，其次不能频繁对变压器形成冲击，因此移相角的触发控制方式是铂金通道调功器电加热控制的首选方式[2]。

如图2所示，在移相角触发方式下，通过对触发角的改变，能够精确控制给定电流，动态响应快，不像周波方式那样对变压器构成冲击。

图2 移相角触发输出电压波形图

3.2 谐波和功率因素的改善

由于移相角的触发方式，不可避免地会使基波电流发生畸变形成谐波，根据傅里叶级数展开，谐波中的直流成分又会对玻璃质量产生不良影响，因此对谐波的消除和治理提出了新的要求；同时在额定功率未完全使用的情况下，普遍存在功率因素低的情况。综合以上两种情况，调功器控制的电加热铂金通道回路必须从根本上解决谐波和功率因数低的问题，才能真正满足质量要求和能耗要求。

如图3所示,使用带有VSC功能的调功器可以解决以上问题，使用多绕组变压器，V1为低压输出绕组，V2为高压输出绕组，使用两组相模块分别对这两个绕组进行控制。通过建立数学模型计算分析(如图4所示)：以低压侧输出10.4 V电压为例，当负载需求为10.4 V电压时，不使用VSC功能的调功器输出开度为47.48%，输出波形断续，谐波高达67.13%，功率因素只有0.691；

图3 VSC功能示意图

图4 输出波形对比图

使用VSC控制的变压器为两段输出变压器，原边调压，低压绕组额定输出为10 V，高压绕组额定输出为15 V，使用VSC控制时，SCR1控制V1绕组额定输出，功率因素接近1，SCR2控制V2绕组小开度叠加输出，调功器综合输出开度为48.08%，输出波形接近正弦波，谐波只有10.12%，功率因素高达0.961。使用VSC控制功能时，虽然初期硬件成本较高，但是长期使用中带来功率因素和谐波的改善，对玻璃质量和节能降耗有着积极的作用。

4 PCS7控制下的调功器联调

4.1 建立调功器PROFIBUS通信

调功器通过PROFIBUS DPV1 通信接口卡与西门子PLC建立通信，通过PROFIBUS DP网络的连接，所有的调功器均可与PLC进行双向通信，前提是每个调功器必须设置一个不可重复的通信地址。PROFIBUS DPV1卡能够与西门子PLC进行周期和非周期的数据通信，组态周期通信进行标准输入输出数据的交换，组态非周期通信可以进行调功器的参数化，对调功器进行模式和参数等选项内容的设置[3]。

如图5所示，把需要进行通信和设置的参数进行GSD化后，通过首地址的组态识别，PLC就可以与调功器进行通信连接。THYRO-P通信功能块HW管脚连接调功器硬件首地址IW1280，DIAG管脚连接调功器硬件诊断缓冲区，通过对管脚SP_Ext 的设定可以对调功器进行功率/电压/电流等参数的给定[4]。

图5 调功器CFC连接图

4.2 通过PCS7进行模式切换和给定

在温度PID自动调节模式下，对于铂金通道温度的控制，最终体现在调功器电流的控制精度上，因此调功器控制模式优选电流模式，但在某些情况下，需要功率维持恒定来保持工艺调整需求，电流或功率模式会频繁应用于铂金通道的温度控制当中，PCS7程序设计时根据控制条件的不同进行模式手自动切换，控制流程如图6所示，在温度闭环控制的前提下，模式可以通过PCS7画面进行选择，模式确定后，温度PID自动选择控制范围进行调节，通过对PID参数的整定，可以实现精确控制铂金通道温度的目的[5]；如果系统在闭环控制下，温度突变或者有故障信号时，通过对系统的诊断和故障捕捉，PCS7可以实现维持调功器在温度跳变或者故障信号之前的最后的合理给定；当选择本地控制或者温度开环控制情况，调功器按照预设模式进行调整，例如在功率模式下，通过面板给定或者PCS7画面给定开度，可以实现精确调节功率的目的。

图6 控制流程图

通过PCS7对铂金通道回路进行温度给定，需要进行PID参数的不断优化，以寻求最适合铂金通道温度控制特性的参数，对于PLC程序控制型的PID，在整定中还是遵循临界比例的方法，观察到曲线震荡很频繁，需把比例带增大以减少震荡；当曲线最大偏差大且趋于非周期过程时，需把比例带减少；当曲线波动较大时，应增大积分时间；曲线偏离给定值后，长时间回不来，则需减小积分时间，以加快消除误差。比例带过小，积分时间过小或微分时间过大，都会产生周期性的激烈震荡[6]。优化参数后，可以达到较好的控制效果。