西门子5SL4420-8CC

5SL4420-8CC

火力发电厂的锅炉给水泵，需要根据机组负荷的改变来调节给水压力和给水量。在几种调节方式中，因改变给水泵转速来调节流量具有明显的节能效果而被广泛采用。对于大容量机组的锅炉给水泵，通常以异步电动机为动力，几乎都是通过安装液力偶合器进行机械调速，并且这种调速方法具有空载起动电动机的良好作用［1］。

液力偶合器属于电厂辅助设备，目前大多数都是采用分散仪表监控，有的甚至脱控运行，亟待运用测控新技术，对其运行状态参数进行自动监测和控制。西门子S7一200PLC是一个非常好的选择，它性价比高、系统组装和构建网络非常灵活、而且具有PID调节指令功能，编程和调试非常方便，因此，基于西门子PLC的控制系统将较大地提高整机运行的可靠性和经济性。

1 调速原理

液力偶合器安装于异步电动机和给水泵之间，它是一种利用液体通过泵轮和涡轮来传递功率的传动装置，主要由泵轮、涡轮、旋转外壳和勺管等部件组成，工作时，输入轴从电动机处获得能量，通过中间轴，泵轮将机械能转变为工作腔内的液体动能，推动涡轮转动，再变成机械能传给输出轴，带动锅炉给水泵工作。

为适应机组工况的变化要求，在电动机转速恒定的情况下，调节勺管的开度，可改变偶合器工作腔里的充液量，不同的充液量可以得到不同的输出特性，因此，通过连续改变充液量既可实现输出轴的无级调速。

调速机构中的勺管，由电动执行器通过简单的机械机构驱动。电动执行器接受标准电流信号，将其转换成相应的转输出，因此，调节转速实际上是调节控制系统的输出模拟量信号，西门子S7一200PLC满足这一主要功能要求。

2 测控对象

1）转速调节系统

该系统较主要的测控对象是液力偶合器输出轴的转速。利用液位变送器，将反应锅炉水位的模拟量信号送给控制系统，同时利用测速变送器，将输出轴转速也反馈给控制系统，依据设定的PID控制算法计算后输出电流信号，电动执行器将之转换成相应的输出转，通过调节机构驱动勺管移动，其开度对应锅炉水位要求的泵轮转速。

2）工作油系统

液力偶合器工作腔内介质油的较佳工作温度为60°～70°C，油温高虽然有利于能量的传递，但过高反而有害无益，因此要限制工作油温度范围为35～100°C，采用铂电阻温度传感器，当油温**110°C时报警，当油温**130°C时停止主电机运行。另外在工作油冷却器入口和出口分别设置温度传感器，将入口油温度控制在60～100°C，将出口油度温控制在35～75°C。

3）润滑油系统

高转速、大功率液力偶合器带有滑动轴承，其润滑油系统独立于工作油系统，因此在输入轴、中间轴、输出轴等处设置6个铂电阻温度传感器，测量滑动轴承温度，避免温度过高使润滑性能变差，烧坏轴瓦。限定润滑油温度范围在35～85°C，当油温**90°C时报警，当油温**95°C时停止主机运行。另外在润滑油冷却器入口和出口分别设置温度传感器，将入口油温度控制在45～65°C，将出口油温度控制在35～55°C。

为防止压力过低供油不足而造成润滑情况恶劣，限定润滑油压力范围在0.2～0.3Mpa，监测母管油压，当油压低于0.1Mpa时报警，并且启动辅助油泵，低于0.05Mpa则必须停止主电机运行。另外还要限定滤油器进出口压力差不**过0.6Mpa 。

3 硬件组成

反映系统状态的主要参数是水位、转速、油温、油压等物理量，选用各类变送器转换为4～20mA的标准电流信号，共计14路模拟量;各电机、阀门、报警指示灯等开关量输入输出共30点，因此系统的配置不甚复杂。采用西门子S7一200系列小型机控制，一旦发生故障影响面小、容易查找。

首先选用CPU226模块，具有24点输出/16点输入，可连接7个扩展模块，提供1000mA的总线电流，并且具有32位浮点运算功能和内置集成的PID调节运算指令，非常适合液力偶合器调速的锅炉供水系统。

其次扩展EM231模拟量输入模块（4路模拟量输入，消耗DC5V电流为10mA）3块;扩展EM235模拟量输入输出模块（4路模拟量输入/1路模拟量输出，消耗DC5V电流为10mA）1块，通过DIP开关进行设置，输入输出端口时能够自动完成A/D和D/A的转换，即标准电流信号与一个字长（16bit）的数字信号的自动转换。系统总扩展模块数为4，CPU226的电源能满足所有扩展模块消耗DC5V总线电流的能力。

另外，CPU226本机集成了两个通讯口，其中一个使用 MPI协议，使液力偶合器作为从站，完成其控制系统与主站的通讯;另一个用于TP070显示器接口，作为本机系统的显示界面［2］。

4 控制程序

控制程序采用主程序、子程序以及中断程序来编写。主程序完成电机、油泵启停等开关量逻辑控制以及温度、压力等主要模拟量监控和报警;子程序SBRO～SBR11传递工作油温控制参数、润滑油温度、压力、压差控制参数;主程序允许定时中断，进入中断服务程序执行含有PID指令的一段程序，对输出轴进行调速控制。

1）主程序

为了保证液力偶合器正常工作，控制系统必须满足严格的的启动、运行和停止条件。既开机顺序为先启动辅助润滑油泵、开冷却水闸，再启动主电机;停机顺序为先停主电机，再停润滑油泵、关闭冷却水闸;运行工作条件为勺管调速构控制功能正常、油温和油压监测系统正常等［3］。

2）数字PID控制程序

根据液力偶合器的结构特性可知，机械-液力传动系统惯性较大，输出轴速度调节响应有一定的滞后性。正可运用S7-200PLC中的PID控制子程序，与EM235模拟量输入输出模块一起，提高系统的速度调节响应，改善系统的动态特性［4］。

PID控制器的设计是以连续的PID控制规律为基础的，sp（t）是依据锅炉水位确定的输出轴给定速度值， pv（t）为输出轴速度反馈量，e（t）=sp（t）-pv（t）为误差信号， 

Mintal为输出的初始值，Kc为系统比例系数， Ti， Td为PID的积分、微分时间。

由于机械-液力传动系统惯性较大，本系统仅采用比例和积分控制，100毫秒中断一次，做PID计算，通过工程计算初步确定其增益和时间常数为Kc =2.5、Ti =60s、Td=0s、Ts=0.1s，进一步计算后可达到较优控制效果。

5 结论

基于西门子PLC的控制系统，实现了对液力偶合器主要运行参数的实时监控。通常，电厂锅炉配备两台以上的给水泵，结合蒸汽锅炉运行状态的自动监测，可以实现整个机组的在线监控、故障诊断和报警等，西门子PLC具有丰富的网络构建功能，因此液力偶合器控制系统尚有很大的可扩展性。

本文作者创新点在于：利用PLC的PID调节功能取代了原来电动执行器必需配备的勺管伺服放大器，加快了系统的响应速度

随着城市经济的快速发展，高层建筑越建越高，地下空间开发规模越来越大，火灾防控 日趋复杂，城市火灾也越发高发，导致造成国家财产及人员的巨大损失。2012年，厦门市一幢28层综合楼建筑发生火灾，该综合楼设有二路1OkV市电及一台800kw柴油发电机，火灾探测器报警后，二路市电均被切断，柴油发电机因长期闲置维护保养不到位，导致火灾发 生时消防设备电源不能正常工作，消防水泵无法启动，排烟风机及送风机无法正常运行，靠消防人员历时5h才扑灭火灾，直接经济损失上亿元，损失很惨重。2002年，北京某网吧发生特大火灾，由于网吧消防疏散指示标志和应急照明灯无法正常工作，火灾现场能见度很低 ，加上火灾产生的大量浓烟充满整个室内空间，给现场被困人员的逃生造成一定的难度， 
也给消防人员实施灭火救人增加难度，这起火灾造成25人死亡，12人受伤的严重后果。惨 痛的教训说明，在火灾发生时，消防设备电源的可靠性很重要，消防设备电源能正常工作就可以挽救很多人的生命和财产损失。 
       近几年来，发生火灾后各类消防设备不能正常运转的火灾案例屡见不鲜，尤其是机 关在平常的消防监督检查中发现，建筑消防设备存在隐患形同虚设的情况随处可见。事实证 明，消防设备能否发挥应有的作用，关系到初期火灾能否及时成功扑救 ，而消防电源的可靠与否关系到消防设备能否正常工作的一个根本性问题。为了保证消防设备电源长期处于完好无损的工作状态，有必要在建筑工程上设置消防设备电源监控系统。
1、消防设备电源的重要性和类型
       消防设备是**建筑物消防安全的重要消防设施，而消防设备能否正常工作又取决于供 电电源的可靠性。消防设施在火灾情况下能否正常发挥作用，一方面取决于消防设施日常的维护保养，另一方面取决于消防设备电源自身的可靠性。如果消防设备电源不工作，消防水 
402泵无法启动，致使火场缺水，火灾不能得到扑救；防火分隔设施如防火卷帘不能下降，常开防火门无法关闭，势必造成火灾蔓延；排烟风机无法排烟，送风机无法送风导致防烟楼梯间不能防烟，消防电梯不能运行，疏散指示标志灯和应急照明灯无法点亮造成人员疏散困难，从而导致严重的灾难性后果。一幢建筑消防设施的投入资金大概为总投入资金的30，比例相当大，如果建筑消防设施维护保养不到位，在火灾中不能发挥应有的作用，或者是消防设备电源出了问题没有及时发现，致使消防设备无法正常工作，会造成很大的浪费，后果不堪设想。 
1．1消防设备电源的类型 
       消防设备电源主要有3种类型：消防**供电线路、自备柴油发电机组、EPS备用电源，EPS备用电源可分为直流输出EPS和交流输出EPS两种。消防**供电线路由二路市电组成，由于二路市部分都是由同一个开闭所或者同一个变电站引过来，一旦区域发生停电或者断电的情况下，火灾时不能保证消防供电，所以不能作为可靠的备用电源来考虑。柴油发电机组作为应急备用电源，虽然存在占地比较大、启动时间比较长、易发生故障等缺陷，但维护比较简单，投资成本较低，应用历史比较长，不少单位都在使用。 
       直流EPS由于应急时只能输出直流电源，采购消防设备时需选用交直流两用设备，在使用时不方便。交流EPS由于内部具有直流逆变电路，可以把直流电转换为交流电，应急时可以输出交流电源，不用改变消防设备的供电形式，因此使用广泛。根据笔者的调研，目前消防设备的备用电源很大一部分采用EPS应急电源。当建筑发生火灾，市电断电或被切掉后，通过双电源末端切换箱切换到EPS应急电源，从而为建筑消防设备和设施的正常供电提供了重要**。EPS应急电源一般由主电源和应急电源两部分组成。主电源一般来自城市一路高压配电，正常状态时消防设备由主电源供电，当主电源因为故障或火灾而停电时，备用电源应及时投入运行，确保各种消防设备能够继续有效运行。
1．2 EPS备用电源的组成
       EPS备用电源由电池组、逆变器、控制电路、充电电路和主备电转换开关等组成，见图1所示。当主电电源交流220V正常供电时，控制电路使充电电路为电池组充电，主备电转换开关使交流220V直接输出，为消防设备提供电源；当发生火灾时，主电电源断开，此时没有交流220V输入，控制电路使逆变器工作，同时使主备电转换开关转到备电处，备电开始输出交流220V，为消防设备提供可靠的工作电源，其转换时间为毫秒级，实现了“无缝转换