无锡西门子授权一级代理商通讯电缆供应商

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   1 引言

    DCS（DistributedControlSystem）系统在火电厂发电机组过程控制中的应用已有十多年的历史了，而且正在越来越多地得到应用。当今流行的DCS系统有C＆E的MOD－300，HONEYWELL的TDC－3000，FOXBORO的I／AS，日本横河的CENTUMXL，WESTINGHOUSE的WDPF，BAILEY的INFI－90，SIEMANS的bbbEPERMME／XP。就目前这几家主要DCS厂商所提供的系统来看，在应用上均不同程度地存在一些问题，例如系统性，实时性，系统组态的灵活便捷性等都有待进一步突破。本文对DCS系统在实际应用中存在的一些问题加以分析探讨。

    2 DCS系统推出的初衷

    DCS系统的推出并逐步发展成为过程控制领域的主角是由于以下一些原因：

    （1）现代化的生产工艺系统日趋大型化，复杂化，需要检测和控制的参数大量增加，使得传统的仪表控制系统显得难以胜任，势必得另辟蹊径。

    （2）传统的仪表控制系统通常使用多个生产厂家提供的产品，使得工艺生产所需的备品备件品种繁多，为此而化费大量人力物力，并且工艺生产在相当程度上依赖这些仪表生产厂商。这一状况也希望有所改变。

    （3）数字电路技术的迅猛发展，尤其是大规模集成电路技术的应用，集成度以及成品率大幅度提高，使得在过程控制中大量使用微处理器在成本上成为可能。

    （4）自动化控制理论的发展，特别是连续系统离散化理论，采样理论，这些理论大大地推进了过程控制从传统的仪表控制系统向DCS系统变革的进程。

    （5）通讯理论和技术的发展，在对局域网（LAN）的大量研究过程中，通讯理论和技术得到了大的发展和完善，这方面对DCS系统发展的影响是举足轻重的。

    （6）计算机应用技术的发展，尤其是微软公司的bbbbbbS－95这样的操作系统软件的推出，为计算机在过程控制系统中的应用奠定了基础，计算机和操作人员之间有了良好的界面，使不具备计算机专门知识的操作人员乐于接受。

    （7）计算机集中控制系统存在固有的一些缺陷如故障集中，因此为了提高性而需要的费用，集中控制系统需要较大规模的计算机，价钱昂贵。相对来说DCS系统所用的微处理器和微机要得多，故障相对分散，并且DCS系统中的微机或微处理器是并行运行的，相对于集中控制系统计算机的串行运行来说处理速度也大大提高，因此具有高的实时性指标，这些是DCS系统集中控制系统而得到发展的关键所在。

    以上列举了足以说明为什么DCS系统会在过程控制领域一显身手的主要原因。现在来看看初推出DCS系统的一些初衷。

    DCS系统是相对于计算机集中控制系统而言的计算机（或微机）控制系统，它是在对计算机局域网的研究基础上发展起来的，是过程控制们借用计算机局域网的研究成果，把局域网变成一个实时性、性要求很高的网络型控制系统，运用于过程控制领域。

   1．引言

    矿井提升机在矿山担负着地下和地面之间运送人员、物料以及货物等任务，是一个咽喉设备。在每次运行的过程中，从启动、加速、减速一直到爬行停车整个过程中负载不发生变化，并且运行的过程既可能是负载提升，又可能是负载下放，对电机而言就是位能性负载，并且需要四象限运行。

    目前我国矿井提升机交流电控设备中仍大量沿用传统的在绕线型异步电机转子回路中接入金属电阻，用控制器或磁力站切除电阻的方法进行调速。这种调速方式为有级调速，在不同速度换档切换的过程中，调速特性为跳跃式变化，不仅调速性能不好，并且对系统会产生较大的冲击，对机械设备特别是减速器十分不利。另外，在电机运行在再生制动区域时，所产生的大量能量都不得不人为地消耗在转子电阻上，对能源而言是大的浪费。

    近年来，随着我国自动化技术的提高，变频器在各行各业中得到了大量而广泛的应用，变频器用于矿井提升机负载也日益增多，本文介绍海利普变频器应用于某煤矿提升机改造的案例。

    2．HLP变频器介绍

    HLP-A采用新型IGBT为主控器件，全数字化设计，以高性、易操作、为设计目标，用于鼠笼式电机或绕线式转子串电阻电机控制，既可用于新矿井安装，也可用于老矿井改造。主要特性如下：

    •功率范围：0.4KW～22KW（单、三相220V）；

    0.75KW～450KW（三相380V）；

    •以大规模电机控制IC＋IGBT为，具有多种保护功能，整机性高；

    •对进线电压适应性强，波动可达±20%,特别适用于电网质量较差的国家与地区；

    •软件功能强大，内置有多种控制方式，广泛适应各种工业场合的控制需求；

    •内置PID调节器，可方便地构成闭环控制系统；

    •内置简易PLC，具有牵升、扰动、多段速控制、程序运行等多种功能；

    •高输出扭矩，1HZ时可达150%；频率解析度高达0.01HZ；

    •过载能力强，150%（1分钟），200%（2ms）；

    •具有良好的通讯制界面，易组成集中控制系统；

    3．HLP变频器在矿井提升设备上的应用

    电机为130KW/380V4对绕线型异步电机，额定电流250A，减速箱传动比为20:1。轿厢净重750Kg，大载重量2000Kg，竖井高度300米。原系统采用转子串接电阻分级调速，上行下行调程人工操作，能源浪费严重，乘车舒适性差。经过变频改造采用海利普HLPA018543B型变频器和PLC构成调速系统。   用户按上行按钮则变频器正转牵引轿厢上行，按下行按钮则变频器反转牵引轿厢下行。行程开关分别安装在竖井20m、50m、250m和280m处，作速度切换之用。编码器用于轿厢速度，防止速。故障端子用于输入越等故障信号，用来控制抱闸器起保护作用。

    系统工作流程如下：

    上行：变频器正转启动信号――》5Hz时发出松闸信号――》抱闸器松开―－》运行到行程开关4发中速信号―－》运行到行程开关3发高速信号―－》运行到行程开关2发中速信号―－》运行到行程开关1发停车信号――》5Hz时发出抱闸信号――》变频器停止运行。

    下行：变频器正转启动信号――》延时5S发出松闸信号同时发反转信号――》抱闸器松开―－》运行到行程开关1发中速信号―－》运行到行程开关2发高速信号―－》运行到行程开关3发中速信号―－》运行到行程开关4发停车信号――》5Hz时发出抱闸信号――》变频器停止运行。

    值得注意的是下行开始时先发正转信号，目的是减速箱传动齿轮的间隙，否则下行时轿厢会出现下坠现象。

    4．结论

    经过现场运行观察，系统运行非常平稳，达到了设计要求，说明HLP-A型变频器可以适用于矿井提升机。

    另外，NC+PC模式的数控系统基本上不提供什么二次开发环境，只提供一些接口和参数的重新配置和定义功能，还有一些提供了PLC的编程功能和相应的编程工具，但这也只是对开关量的简单配置。PC机模式的开放数控产品，一方面通过板卡上增减接口数来实现控制轴数和通道数的改变，另一方面通过将自己构建系统软件的函数库以封装的形式提供给用户来实现用户自己动手配置系统控制的目的。但是，这种形式的开放无疑提高了对用户二次开发的能力要求，开放没有针对性，开放形式不友好，可操作性差。
    本文正是基于上述问题，着眼于开放结构体系的层次化构建，状态监测的网络机制和二次开发平台的智能化三个方面开展对全新结构开放数控系统的研究。

    2开放结构的层次化

    层次化思想的设计目标是方便的实现系统的可扩展性和可配置性，这是判断一个系统开放性特征的两个重要指标。可扩展性是指系统可以灵活地增加硬件控制接口来实现功能的拓展和性能的提高；可配置性是指在不增加硬件结构的前提下，利用现有的底层结构模块，通过配置和编译控制软件来实现系统的自定义。层次化体系结构以模块化思想为，但又区别于一般的模块化结构方法。层次化不仅考虑系统各组件之间的功能性特征，要考虑组件之间的在整个结构体系中的所处控制环节的作用和地位，明确组件之间的继承衍生关系，并且实际上通过定义这种继承性和衍生性来作为划分系统组件要素的一个标准，而不是单纯靠功能标准来规划系统的各个要素及其之间的关系。层次化不仅作为一种系统框架设计的思想，它可用于系统内部结构和外部结构的所有层面，当组件按照所需功能和性能要求被逐层细分时，同样的衍生继承关系和层次标准应用于组件中的每一个亚结构。

    如图2所示，层次化的数控系统具备一个基本的0层，它包括系统基本控制功能所需的所有组件以及满足一般功能扩展必需的软硬件接口，0层作为系统的结构具备良好的对内和对外接口，对内部既要保证组件之间相互通讯和访问的畅通，又要保证内部结构的细节屏蔽，实现整个系统保持稳定性和性。0层以上的附加层建立在0层的扩展接口上，通过硬件和开放软件接口来扩展系统的功能和提升控制的性能。

    附加层分为两种：扩展和平行扩展。扩展是在原有组件的基础上通过开放新的接口配置不同的控制软件形式来实现系统的功能扩展；平行扩展是增加一个同等结构的功能组件，来实现系统一种特殊的控制要求或开辟一个新的控制通道。区分这两种扩展方式意义在于：充分利用两种不同继承形式，即结构性继承和接口性继承。附加扩展遵循接口性继承，以功能点的形式嵌入到系统组件的接口层面，这一特征可以方便地将对个别功能的扩展要求的实现形式标准化，满足用户随时出现的自定义需求。平行扩展遵循结构性继承，以功能组整体的形式复制一个全新的功能通道，与原有层次形成平行的控制方案，这一特征可以将开放结构的整体性扩展运动控制模块是数控系统的组件，基于开放结构的运动控制组件具备平行扩展和附加扩展两种接口形式（见图3）。平行扩展用于控制轴数的扩充，在基本三轴控制的基础上，衍生出具备同种功能特性的四轴和五轴组件；附加扩展用于特殊功能的附加，是对用户开放的自定义功能实现接口，基本组件和由平行扩展衍生出的组件都具备同等的附加扩展接口。图三展示了一个基本三轴运动控制组件平行扩展为四轴和五轴运动控制组件，每个运动组件附加扩展了复杂曲线插补，位置误差补偿和振动状态监测三个特殊功能。

    3二次开发平台的智能化引导机制

    如图5所示的二次开发平台模型，我们采用一种引导开发的模式，借助于预先定义的各种信息库，将使用特殊语言描述的用户功能要求转换成信息库中特定策略的组合，然后通过与数控系统微控制相匹配的代码编译器，将策略描述翻译并通过计算机的并口经由下载电缆传送至数控系统的开发接口。数控系统内部存在一个与之相对应的开发专门存储区，用于用户订制功能代码的在线校验，该存储区与正常数控程序存储区相互屏蔽，保证二次开发的性，并通过校验策略和评价机制返回二次开发的性能指标。

    二次开发环境包括语言描述和引导设置两种开发方式：语言描述方式采用结构化的功能机制，预先定义出系统扩展的算法结构，用户只需根据算法的提示加入自己的功能要求的描述。二次开发平台提供立的结构化描述语言（如图6所示语法结构），采用面向对象的编程思想，以功能对象群组的构成方式来完整描述数控组件对象的特定工作状态。语言描述方案，可以通过灵活定义的算法规范深入系统内部的软件构成细节，适用于系统底层策略方案的自定义配置。引导设置采用开发向导的形式（如图7所示开发界面）以图形话询问界面来定制用户的扩展需求，一般用于较为简单的扩展开发。这两种机制结合起来，也构成了二次开发的层次化结构

    3、高压变频控制传动调速控制设备都是在3KV以上大容量电机，一般都在几百KW到几千KW，负载率大于0.5,节电效率较低压变频控制略低，在18—25%左右，电机容量大耗电也多，虽然节电率较低，但用电基数大，也是非常可观，高压变频设备技术复杂设备体积大，成本较高，操作技术人员，但整体效益还是很可观的。

    五、变频控制技术的显性和隐性效益及利弊分析：

    显性效益就是指节电效益。变频控制传动调速对于负载性质和负载率的不同，节电率也是不同，低压变频控制设备，一般负载率在0.5左右时，节电率在20—47％左右。比如定量泵注塑机、排污填水池电机、给氧风机等等，空调水泵基本上平均节电率都在25—60％左右。低压设备变频调速改造投资少、，期基本上在一年左右。

    隐性效益主要体现：

    1、实现了电机的软启软停，电机启动电流对电网的冲击，减少了启动电流的线路损耗；

    2、了电机因启停所产生的惯动量对设备的机械冲击，大大降低了机械磨损，减少设备的维修，延长了设备的使用寿命；

    3、空调水泵的软启、软停克服了原来停机时的水槌现象。

    除上述的有利一面，同时也存在一些问题。任何事物都不是的，都要辨证去看去分析，低压变频器输出波型为脉冲形式，会产生一些干扰，实际运行中单台干扰不严重，以30KW容量为例，干扰福射基本在10米之内，在设计电路中加装陷波电路或磁环或陷波线圈就可以将干扰减少到少，一般使用时尽量远离电脑等怕干扰设备，对于多台集中安装时安装位置要尽量拉开距离，还需专门加装陷波电路屏蔽接地，将干扰减少到。

    高压变频设备干扰性很小，控制技术较高，输出电压波形近似正弦波形，但设备体积较大，安装调试都比较复杂。

    六、变频技术目前市场应用情况

    经市场调查，2000年前变频器使用率不足10％，到二零零七年上半年增加过35%，很多生产商生产的风机、水泵类的电机控制系统都配装了变频启动系统，说明这项节能技术越来越被人们所认识。随着市场占有率的不断提高，成本价格较前些年大幅下降。低压变频器分国产、合资、三大种类，是一个通用的工控产品。合资产品相对价格低质量好，性价比合理。从使用情况看，只要不负荷运行，很少发生故障。从设计使用上看，节能改造设计水平参差不齐，要想将节能改造工程做好，需要技术人员把关。用电设备能否节电，不能不分情况一概而论，不是所有用电设备都有节电空间，具体情况具体分析，注意那些将某一特殊用电设备的节电率说成普遍的所有用电设备都能达到的情况出现。节电率在节电工程中是一项非常重要的指标，但不是的指标。工程改造前后电机的功率因数、温升及效率等都是不可忽略的运行数据。不同的节电设备节电率、使用寿命、性能都有不同，要科学分析，科学运用。

    我国工业技术虽然有了较大的发展，但目前仍是处于一个工业化中期社会，技术发展还不平衡，在很多企业生产中，表现出来明显的特征依旧是能源消耗多，生产效率较低，产品质量参差不齐；能效比不高，陈、旧、老设备在国民生产中仍旧占较大的比重。变频调速的应用，就是要改造这些设备，以达到节约能源的目的。有国家、省、市的大力支持，有成熟的技术基础理论，纵观节能改造市场，潜力。节约能源，保护环境，造福子孙，利国利民。

    计4台对开风机靠调节挡风板可满足冷却要求，但对电机来讲，浪费电能。风板全开时，运行电流24A，全关闭时22A，输入功率从17.0KW—18.5KW变化，节电率不足8％。针对这一特殊要求方案，对其中两台对开电机进行开环变频调速控制，配合两台全速风机，即满足不同材料的温控要求，又能节约电能。按照这一方案进行改造后，节电效果非常明显。针对其中一种材料需固定频率控制进行冷却,几个月才换一次，设定频率在25—35之间，满足冷却要求。工频下运行时一台18.5KW风机（经变频器输出），每小时耗电为11.9度/小时，日耗电量为：285.6度/24小时。在正常运行时根据不同材料的温度要求，设定频率分别为：25Hz、30Hz、35Hz、40Hz和45Hz。运行测定参数如下：

    设定频率（Hz）运行电流(A)负载率输入功率(Pin[1])24小时耗电量

    (KWh)与工频下输入功率比较：节电率

    258.00.251.0324.72(285.6-24.72)/285.6Ⅹ**=91.34%

    3010.60.302.1351.12(285.6-51.12)/285.6Ⅹ**=82%

    3514.20.374.096.00(285.6-96)/285.6Ⅹ**=66.4%

    4017.40.406.4153.60(285.6-153.6)/285.6Ⅹ**=46.22%

    45

    20.00.459.0216.00(285.6-216)/285.6Ⅹ**=0.244%

    5024.00.5511.9285.60(285.6-285.6)/285.6Ⅹ**=0

    需要指出的是：变频器当输出频率降低时，输出电压也相应降低，输入功率明显减少，对应频率降低时电压降低电机不会有温升，若频率不变时电压降低至浮动电压下限值时，电机就会有温升。

    2、水泵节电：同风机原理很相近。以某酒店750TRT空调冷水机组水系统90KW冷冻泵和55KW冷却泵为例：主机制冷是根据温度的变化而工作，是非线性负荷，而水泵电机基本上是线性恒功率输出。1台55KW冷却水泵靠调整阀门来改变流量，虽然能满足主机运行要求，但对于电机来讲节电意义不大，阀门的全开和全闭，电流从107A—97A之间变化，平均节电不足7％。通过改造采用温度控制为主，压力控制为铺进行闭环变频控制水泵电机，水泵电机平均节电率都在30％以上；90KW冷冻水泵电机靠调节阀门电流在163—148A之间变化，平均节电不足6％，经闭环控制变频调速改造后，节电率平均也在30％以上。为什么会有这么大节电空间呢，因为空调系统设计时的大容量是以人流、气温、空间散热三项限指标为依据计算的（即人流大、气温、空间散热差），平时出现这种情况的概率低，从经验上讲不到10%，空调系统大部分运行时间都在中、低负荷状态，空调主机的负荷曲线是非线性的，而水系统的水泵负荷是线性恒功率的，以满足主机的大负荷为标准

控制对象就是在动力设备上实现电—机转换的电动机。这是由感应式异步电动机的性能和特征决定，其次是由于所带的负载对电机调速的负荷适应性所决定。由电机转速的数学公式我们知道，电机的实际转速，主要取决于电机定子的旋转磁场（n1=t*f/p）。对一个绕制好的电机，其旋转磁场转速取决供电频率，t为时间常数，P为电机的对数，n1正比电源频率f，从电机的结构上我们看到定、转子之间没有任何电的连接，基于磁场感应和机械惯性，转子的转速和定子旋转磁场的转速总是不同步，差一个转差数（一般为n1的1%——1.8%,）称为转差率S，由此可见电机的转速也正比于电源的频率。n2=t*f(1-s)/p从异步电动机变频时机械特性曲线中，我们不难看出转速的变化对电机的转矩影响较小，对于传动机械功率要求可以满足。变频调速控制是在降低输出频率的同时输出电压也相应降低，转矩正比输出电压。转矩也会有些减少。这种纯电气调速系统是人为地改变电动机的机械特性来获得不同的转速，直接与拖动机械相连接不需原机械设备做任何调整，这对于节能改造成本，保持原械性能都大有好处。变频传动调速的特点是：

    1、不用改动原有设备包括电机本身；

    2、可实现无级调速，满足传动机械要求；

    3、变频器软启、软停功能，可以避免启动电流冲击对电网的不良影响，减少电源容量的同时还可以减少机械惯动量，减少机械损耗；

    4、不受电源频率的影响，可以开环、闭环手动/自动控制；

    5、低速时，定转矩输出、低载能力较好；

    6、电机的功率因数随转速增高功率增大而提高。使用效果较好。

    三、风机、水泵节能-----变频控制

    机电设备配合设计原则：电机的大功率满足负载下的机械功率和转矩，对于不同的负载，大值并非时时刻刻都发生、负载的变化是非线性的，而电机的输出功率却是恒定的，这就意味着在非大负载时电机输出了相当一部分多余功率，电能也就白白浪费掉了。风机、水泵类就是较典型例子。

    风机、水泵类风量和流量的控制在过去很少采用转速控制方式，基本上都是由鼠笼型异步电动机拖动，进行恒速运转，当需要改变风量或流量时，事实上都采用调节挡风板或节流阀。这种控制虽然简单易行，能满足流量要求，但对电机来讲，从节省能源的角度来看是非常不经济的。生产中很容易出来。

    这类设备一般都是长时间运行，甚至很久不停机。在实际检测中发现，除在短时间流量大值外，近90％时间运行在中等或较低负荷状态，总用电量至少有40％以上被浪费掉。采用变频调速控制，对风机、水泵类机械进行转速控制来调节流量的方法，对节约能源，提高经济效益具有非常重要意义。

    四、风机、水泵的节能方法

    从流量控制原理上讲，风机、水泵的结构和工作原理基本相同.

    1、具体测试某工厂炉底风机散热控制系统，冶炼炉根据不同材料、需要不同的炉底冷却温度，设计满足大冷却风量设计为四台18.5KW4叶轮式风机，全功率运转，但用大冷却风量的概率低

    自1956年世界上个晶闸管诞生到现在历时近半个世纪，随着电子技术的飞速发展，变频控制器从控制模块、功率输出和控制软件都已成熟，在提的同时，功能上也有较大的扩展，很多变频设备附带简易PLC功能，再加上产品价格的降低，为变频器的应用打开了广阔的市场。

    对于异步电动机通过调速达到节能目的方法很多，如：调压调速,又称为滑差调速；变对数调速和品闸管串调速等等，根据不同的负载性质，有针对性的选择。在各种调速节能中，利用变频调速，是异步电动机调果、成熟、有发展前途的节能技术。

    一、常用的变频器分为低、中、高压变频器。

    1、低压变频器是指400V工控变频器。电子技术中将交流变成直流称顺变，也称整流。交流变直流的变频器通常称整流器。将直流变为频率可调的交流电流就称逆变。把工频电源（50Hz）交流变成任意频率、任意电压的逆变装置称为变频器。从其电路的结构为交—直—交和交—交变频器。交—直—交变频器按照交流电机电源电压的控制方法的不同，分为电压型和电流型两种。

    改变变频器的输出电压或输出电流有二种不同的方法，即PAM脉冲幅值调制控制和PWM脉冲宽度调制控。

    PAM因为受晶闸管换流时间的限制不能工作在高频下，PWM输出脉冲的幅值恒定，通过控制逆变器输出电压的导冲频率和宽度来同时改变输出频率和电压，运用晶体管、可关断晶闸管具有高速开关特性和自关断特性，来做逆变器开关元件，采用PWM方式变得容易实现，为此大多数逆变器都采用PWM控制方式。

    2、中、高压变频器：所谓中高压变频器，指应用在600V以上的至10KV运转调速设备上的变频控制器。中压有600V、1000V。3000V、6000V和10KV等属于中高压变频器。因为其输入输出电压等级较高，在结构上必需有整套高压投入切换设备，采用功率单元串联叠加的高压输出方式，借助计算机控制，经高压母线、断路器移相变压器、功率单元、控制器等组成完整的高压变频控制系统。

    交流变频调速控制器是集电力电子、自动控制、微电子学、电机学等各种技术于一身的，变频的调速技术是现代IT产业技术，涉及到光纤通讯、计算机、数据并行处理等是多种的结合，与传统行业耗能大、应用广泛的电力拖动、风机、水泵等多种行业应用异步电动机的设备，进行节能改造实现结合。

    二、变频器控制对像：

    变频器应用，可分为两大类：一种是用于传动调速，另一种是各种静止电源（静止电源暂且不讲）。变频传动调速，其应用目的就是通过对电机调速来达到节约能源。