風(fēng)機(jī)變頻器下自動(dòng)化控制系統(tǒng)淺析

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摘要：為有效解決電廠風(fēng)機(jī)存在風(fēng)量調(diào)節(jié)不準(zhǔn)確、節(jié)流損失大、低效率等缺點(diǎn)，本文在分析高壓變頻器構(gòu)成、特點(diǎn)、原理的基礎(chǔ)上，采用了Java高壓變頻器對(duì)火力發(fā)電廠鍋爐風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速與改造，設(shè)計(jì)Java鍋爐風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速電氣控制系統(tǒng)。運(yùn)用有關(guān)生產(chǎn)系統(tǒng)典型控制理論，構(gòu)成送、引風(fēng)機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)，并融入電廠分散控制系統(tǒng)(DCS)，實(shí)現(xiàn)鍋爐風(fēng)機(jī)送、引風(fēng)量的自動(dòng)調(diào)節(jié)。深入研究了系統(tǒng)中風(fēng)量調(diào)節(jié)、電機(jī)、變頻器、聯(lián)鎖、FSSS保護(hù)的控制邏輯，研究了PiD串級(jí)控制系統(tǒng)的組成、原理、參數(shù)整定方法，對(duì)變頻器的啟動(dòng)、運(yùn)行調(diào)試方法進(jìn)行研究，分析其工藝流程，使其工作在最優(yōu)狀態(tài)。研究結(jié)果表明，通過優(yōu)化變頻調(diào)速裝置對(duì)運(yùn)行情況進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)對(duì)電廠鍋爐風(fēng)機(jī)實(shí)施變頻調(diào)速優(yōu)化是切實(shí)可行的，不僅能實(shí)現(xiàn)寬范圍調(diào)速、風(fēng)量自動(dòng)調(diào)節(jié)，還能達(dá)到節(jié)能減耗的目的。

關(guān)鍵詞：Java；風(fēng)機(jī)變頻器；自動(dòng)化控制；設(shè)計(jì)

1引言

近年來，我國在十一五綱要中明確規(guī)定單位國內(nèi)生產(chǎn)總值能源消耗與十五期末相比，要降低20%，全面實(shí)行節(jié)約能源、合理利用能源，構(gòu)建節(jié)約型社會(huì)。隨著我國進(jìn)入信息化時(shí)代，給電力工業(yè)帶來巨大的發(fā)展空間，供給矛盾得到一定程度的緩解，但同時(shí)帶來了電網(wǎng)峰谷差的問題，導(dǎo)致機(jī)組調(diào)整任務(wù)變得越來越嚴(yán)重?，F(xiàn)階段，電廠使用電率高低是影響企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力和經(jīng)濟(jì)效益的重要因素。針對(duì)這一情況，我國政府需要合理運(yùn)用科技來深入挖掘內(nèi)在作用，降低廠用電率，積極執(zhí)行國家十一五規(guī)劃策略，構(gòu)建節(jié)約型社會(huì)，這也是企業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要因素。我國在《電動(dòng)機(jī)調(diào)速技術(shù)產(chǎn)業(yè)途徑與對(duì)策研究》中明確指出，中國發(fā)電總量有66%都消耗在電機(jī)方面，如引風(fēng)機(jī)、循環(huán)水泵、排粉風(fēng)機(jī)、一次風(fēng)機(jī)等。由于這些耗電設(shè)備存在運(yùn)行效率低、運(yùn)行方式滯后等缺點(diǎn)，導(dǎo)致我國發(fā)電廠出現(xiàn)大馬拉小車的現(xiàn)象，大量能源在終端使用中被消耗，給能源供給帶來嚴(yán)重負(fù)擔(dān)。在這種情況下，Java語言逐漸應(yīng)用于該領(lǐng)域。它具有良好的網(wǎng)絡(luò)性和平臺(tái)無關(guān)性等特點(diǎn)，能有效解決控制程序移植的問題，可編寫基于web網(wǎng)絡(luò)程序，讓其擁有面向?qū)ο笈c編程界面的特點(diǎn)，有效降低開發(fā)周期和開發(fā)難度，可實(shí)現(xiàn)微機(jī)對(duì)多臺(tái)變頻器的遠(yuǎn)程控制[1]。本文研究的電廠引風(fēng)機(jī)全部利用液力偶合器調(diào)速。這種方式屬于耗能型調(diào)速方式。隨著高壓變頻技術(shù)的逐漸成熟，高壓變頻器在引風(fēng)機(jī)領(lǐng)域逐漸普及，極大降低了發(fā)電廠用電量。但由于變頻調(diào)速和傳統(tǒng)液偶調(diào)速原理之間相差較遠(yuǎn)，其控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)存在很多方面的問題。本文結(jié)合電廠改造實(shí)際情況，設(shè)計(jì)了一種具有高效性的發(fā)電廠鍋爐送風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速熱力自動(dòng)控制系統(tǒng)。本文主要研究內(nèi)容有：（1）高壓變頻器的調(diào)速原理及其應(yīng)用情況。（2）鍋爐風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速控制改造方案及其關(guān)鍵技術(shù)分析。（3）變頻器及其控制系統(tǒng)的應(yīng)用設(shè)計(jì)、安裝與調(diào)試。（4）高壓風(fēng)機(jī)改變頻器控制后相關(guān)邏輯的設(shè)計(jì)、組態(tài)與調(diào)試。（5）系統(tǒng)改造后的節(jié)能評(píng)估。

2web對(duì)多變頻的遠(yuǎn)程控制

Web遠(yuǎn)程控制是指以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)、以Internet網(wǎng)絡(luò)為載體，來完成對(duì)遠(yuǎn)端生產(chǎn)過程的控制和監(jiān)督。它能利用Internet網(wǎng)絡(luò)來控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和生產(chǎn)系統(tǒng)的各種數(shù)據(jù)、運(yùn)行狀態(tài)等，不需要在現(xiàn)場(chǎng)就能通過Internet網(wǎng)絡(luò)來指揮被控對(duì)象，能有效節(jié)約大量的人力、物力、財(cái)力。由于合理使用了Internet網(wǎng)絡(luò)，因此它有助于構(gòu)建國家級(jí)、地區(qū)級(jí)、甚至世界級(jí)控制中心。將Internet網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)有效結(jié)合，能使人們同時(shí)控制多臺(tái)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息監(jiān)督和存取工作。經(jīng)過有關(guān)人員實(shí)踐證明，使用Web遠(yuǎn)程控制設(shè)備能夠有效解決傳統(tǒng)遠(yuǎn)程控制問題，完全不需要設(shè)置專用的軟件和通信網(wǎng)絡(luò)，只要構(gòu)建一個(gè)瀏覽器，就能夠進(jìn)行正常的操作。在一般情況下，Web遠(yuǎn)程控制網(wǎng)絡(luò)通常使用B/S網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。該種結(jié)構(gòu)有利于信息發(fā)布，能及時(shí)將現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)發(fā)送給Internet網(wǎng)絡(luò)，縮短了客戶端信息處理時(shí)間和程序，只需要在遠(yuǎn)程客戶端上安裝Internet網(wǎng)絡(luò)瀏覽軟件，就能及時(shí)查閱現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)。這種閱讀軟件具有操作簡(jiǎn)單、方便等特征[2]。在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)常使用RS—485通信方式。在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，只需要在一臺(tái)風(fēng)機(jī)上使用RS—485網(wǎng)絡(luò)，就能夠同時(shí)控制多臺(tái)變頻器。在一般微機(jī)上通常只有ES—232接口，因此需要安裝一個(gè)轉(zhuǎn)換器，能夠合理地在RS—232和RS—485之間進(jìn)行轉(zhuǎn)化。同時(shí)，每個(gè)變頻器具有獨(dú)有的地址碼，用來識(shí)別各自身份，這樣風(fēng)機(jī)才能通過RS—485通信網(wǎng)絡(luò)，有效控制多臺(tái)變頻器。本文使用了Java編寫applet程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)Web遠(yuǎn)程控制。Javaapplet源程序經(jīng)過翻譯后，會(huì)形成字節(jié)碼文件，并儲(chǔ)存在專業(yè)WWW服務(wù)器。當(dāng)其他瀏覽器向服務(wù)器發(fā)出下載指令時(shí)，該文件會(huì)直接從WWW服務(wù)器下載到客戶端，然后通過WWW瀏覽器來顯示HTML中的各種標(biāo)簽，再按照規(guī)定將文件信息數(shù)據(jù)用專業(yè)格式呈現(xiàn)在用戶屏幕中。當(dāng)瀏覽器遇到HTML文件中的特殊標(biāo)記時(shí)，則代表它納入了applet。瀏覽器applet的位置和名字，將字節(jié)碼從WWW服務(wù)器上下載到本地文檔中，并合理利用瀏覽器自身具有的Java解釋器，執(zhí)行該指令[3]。

3變頻器串行通信

3.1變頻器串行通信概述

在信息化時(shí)代背景下，模擬技術(shù)迎來了質(zhì)的突破，已逐漸向數(shù)字技術(shù)方向發(fā)展，串行接口普及范圍越來越廣泛。其主要運(yùn)用在變頻器服務(wù)、設(shè)備檢測(cè)、監(jiān)督、自動(dòng)操作等方面。在變頻器和PC之間傳輸信號(hào)分為狀態(tài)信號(hào)、警告信號(hào)、控制信號(hào)三種類型。變頻器從PC機(jī)上接受控制信號(hào)后，再控制電機(jī)變頻器將狀態(tài)信息發(fā)送給PC機(jī)，同時(shí)給予控制信號(hào)對(duì)電機(jī)所帶來的作用信息。如果遇到特殊情況，將導(dǎo)致變頻器最終停止工作，會(huì)將警告信號(hào)傳遞給PC機(jī)，再由PC機(jī)內(nèi)的RS-485來控制所有變頻器，從而合理地控制面板設(shè)備。為了使PC間和變頻器能夠通過串行接口來交換信息，需要簽訂一個(gè)有效協(xié)議。協(xié)議內(nèi)的信息和數(shù)據(jù)要處于信息鏈上。此外，協(xié)議還要提供以下性能：部件數(shù)據(jù)要求、所用部件選擇等[4]。

3.2通信協(xié)議

對(duì)于應(yīng)答電文形式而言，變頻器通常會(huì)使用選擇/查詢的通信方式。該變頻器一般位于查詢狀態(tài)和等待主機(jī)選擇狀態(tài)。在待機(jī)狀態(tài)時(shí)，要滿足編號(hào)站接收主機(jī)規(guī)定幀，當(dāng)判斷其屬于正常接收信號(hào)后，按照相關(guān)要求對(duì)其進(jìn)行處理，返回肯定應(yīng)答幀；如果測(cè)定為不正常接收信號(hào)，則要返回否定應(yīng)答幀。此外，在選擇所站廣播方式時(shí)，不需要返回應(yīng)答信號(hào)。在正常情況下，傳送幀格式有選用幀和標(biāo)準(zhǔn)幀兩種。標(biāo)準(zhǔn)幀通?？蓱?yīng)用于各種通信功能；選用幀只應(yīng)用于輸入變頻器監(jiān)督指令的高速通信，如表1所示。這兩種格式有個(gè)共同點(diǎn)，兩種幀的構(gòu)成符號(hào)統(tǒng)一采用ASCII碼表示[5]。在整個(gè)格式中，SOH代表電文開始符號(hào)；站號(hào)則是代表十進(jìn)制的變頻器站地址；當(dāng)方式采用ENQ時(shí)，則代表主機(jī)變頻器傳送要要求；當(dāng)作為ACK時(shí)，表示變頻器對(duì)主機(jī)有效方式問答標(biāo)志；當(dāng)其為NAK時(shí)，代表變頻器主機(jī)無效方式的無應(yīng)答標(biāo)志；當(dāng)命令為R時(shí)，其含義為查詢；為W時(shí)，代表選擇；為A時(shí)，代表高速應(yīng)答選擇；為E時(shí)，表示報(bào)警復(fù)位；為F時(shí)，表示基本功能。ETX作為電文結(jié)束標(biāo)識(shí)；BCC為標(biāo)識(shí)在整個(gè)選擇幀內(nèi)容中，當(dāng)命令為A時(shí)，代表對(duì)操作面板設(shè)置頻率；為E時(shí)，通信作為頻率；為F時(shí)，運(yùn)行操作指令；為M時(shí)，代表報(bào)警復(fù)位。其他指標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)幀意義相同。

4Java與變頻器間的通信

與底層硬件系統(tǒng)相關(guān)的軟件系統(tǒng)，單純使用傳統(tǒng)Java技術(shù)是無法滿足實(shí)際需求的。要想滿足底層硬件系統(tǒng)情況，則必須依靠Java語言的Javanativeinterface技術(shù)。Javanativeinterface技術(shù)提高了JDK功能，可將Java語言和其他編程語言結(jié)合運(yùn)用，主要可應(yīng)用于以下幾個(gè)方面：（1）標(biāo)準(zhǔn)Java類庫不支持與硬件相關(guān)的應(yīng)用程序所需功能。（2）已具有語言編寫庫，可以應(yīng)用Javanativeinterface技術(shù)使得Java代碼順暢地訪問語言編寫庫。（3）應(yīng)用于地基語言，實(shí)現(xiàn)小段實(shí)時(shí)代碼。在整個(gè)工業(yè)和科研應(yīng)用過程中，串口一般應(yīng)用于外部串行設(shè)備和計(jì)算機(jī)之間，實(shí)現(xiàn)兩者數(shù)據(jù)傳輸工作。串行通信具有使用簡(jiǎn)單、操作方便等特征，已被普遍應(yīng)用于很多行業(yè)[6]。Java語言本身并不具有控制串行通信的功能，但可以使用其他語言來控制硬件，再以Javanativeinterface技術(shù)來調(diào)整，從而達(dá)到控制串行通信的作用。由于Sun公司已經(jīng)成功研發(fā)了Javax.comm類庫，只要合理使用Javax.commAPI，就能提前完成Java串行通信程序的編輯工作，非常簡(jiǎn)單、快捷。Javax.comm類庫分為三個(gè)層次、六種類型，主要功能如下：（1）搜索系統(tǒng)中的可用端口，由上層類Commportldentifier的方法getportldentifiers返回一個(gè)這種類型的對(duì)象，其中蘊(yùn)含了系統(tǒng)中所有有效端口信息。該對(duì)象是Javax.comm類庫中最為關(guān)鍵的因素，所有對(duì)端口操作都是以它為中心。（2）由上層類commport通過commportldentific對(duì)象來打開端口，并確定對(duì)端口的所有權(quán)。（3）有效調(diào)整多個(gè)應(yīng)用程序之間對(duì)端口的所有權(quán)沖突。它主要是通過事情消息來告知相關(guān)應(yīng)用程序，并讓現(xiàn)階段占用端口的應(yīng)用程序放棄所有權(quán)。相關(guān)類驅(qū)動(dòng)層類是Para1lclportEvent和SerialPortEvent。（4）實(shí)現(xiàn)通信端口的異步與同步，底層類Para1lclportEvent和SerialPortEvent都能提供管理通信端口的有效方法。除此之外，還有三個(gè)處理異常類型：一旦驅(qū)動(dòng)器無法找到指定端口，找出NoSuchPortException異常；如果驅(qū)動(dòng)器不承認(rèn)制定端口，則拋出UnsupportedCommOperationException異常；如果指定端口正在處于使用狀態(tài)，則拋出PortInUseException異常。Javax.com類庫還具備接口，可裝載設(shè)備驅(qū)動(dòng)接口，可不進(jìn)行應(yīng)用級(jí)程序運(yùn)行[7]。

5總結(jié)

綜上所述，本文對(duì)Jave語言在風(fēng)機(jī)變頻器的應(yīng)用進(jìn)行了分析，使得變頻調(diào)節(jié)系統(tǒng)趨于自動(dòng)化管理，提高了風(fēng)機(jī)調(diào)速的效率和精準(zhǔn)性。它能對(duì)整個(gè)生產(chǎn)過程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化管理，能在提高工作效率的同時(shí)降低能源消耗，是未來電廠鍋爐風(fēng)機(jī)輔助機(jī)器速度調(diào)整的趨勢(shì)。但是，目前我國在實(shí)際運(yùn)用中仍然存在很多問題，如何將Java語言、系統(tǒng)、設(shè)備進(jìn)行有效結(jié)合，是現(xiàn)代研究人員最需要解決的問題。

作者:曹祿春 單位:福建華電電力工程有限公司