西寧特鋼煤氣加壓風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　0 引言

　　煤氣加壓風(fēng)機(jī)是活性石灰套筒窯核心設(shè)備，屬于長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行設(shè)備，其作用是將煤氣柜的煤氣加壓送到活性石灰套筒窯作為燃料。交流變頻調(diào)速技術(shù)是當(dāng)今節(jié)能降耗、改善工藝結(jié)構(gòu)，以提高產(chǎn)品質(zhì)量和改善環(huán)境、推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步的一種主要手段。 采用變頻調(diào)速系統(tǒng)直接控制煤氣加壓風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，并應(yīng)用PLC與壓力傳感器構(gòu)成煤氣出口總管的PID閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)電機(jī)根據(jù)負(fù)荷的變化而變速運(yùn)行，自動(dòng)調(diào)節(jié)煤氣流量和壓力，既滿足了生產(chǎn)需要，又達(dá)到了節(jié)能降耗和提高控制水平的目的。

　　1 西寧特鋼活性石灰套筒窯煤氣加壓風(fēng)機(jī)運(yùn)行特性和控制工藝分析

　　1)加壓風(fēng)機(jī)系統(tǒng)設(shè)置2 套，1 開1 備。

　　單臺(tái)風(fēng)機(jī)聯(lián)鎖控制

　　1.1軸承溫度大于90℃報(bào)警, 大于80℃停機(jī).

　　1.2定子溫度大于140℃報(bào)警, 大于145℃停機(jī).

　　(以上內(nèi)容需風(fēng)機(jī)廠確認(rèn))

　　2)用電動(dòng)調(diào)節(jié)蝶閥控制。

　　3)壓風(fēng)機(jī)進(jìn)口管壓力低于1KPA 時(shí)，系統(tǒng)報(bào)警，操作室遠(yuǎn)程手

　　動(dòng)打開回流管上的電動(dòng)調(diào)節(jié)蝶閥一定開度(具體根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試確定);

　　當(dāng)加壓風(fēng)機(jī)進(jìn)口管壓力低于0.7KPA時(shí)，程序自動(dòng)將回流管上的電動(dòng)

　　調(diào)節(jié)蝶閥全開;當(dāng)加壓風(fēng)機(jī)進(jìn)口管壓力低于0.5KPA 時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)停

　　機(jī)。

　　4)根據(jù)窯的產(chǎn)量、熱值自動(dòng)計(jì)算出套筒窯所需煤氣的流量，通過(guò)出

　　口管上的流量孔板反饋，自動(dòng)通過(guò)回流管調(diào)節(jié)電動(dòng)調(diào)節(jié)蝶閥的開度，

　　達(dá)到所需流量;并需保證加壓風(fēng)機(jī)出口管壓力在17~19KPa 之間，當(dāng)

　　單臺(tái)加壓風(fēng)出口管壓力低于17KPa 時(shí)，系統(tǒng)報(bào)警。

　　5)當(dāng)出口總管壓力大于19KPa 時(shí)，回流管調(diào)節(jié)閥逐漸打開;當(dāng)出口

　　壓力大于21KPa 時(shí)，系統(tǒng)報(bào)警;當(dāng)出口壓力大于23KPa 時(shí)，系統(tǒng)自

　　動(dòng)停機(jī)。

　　6)風(fēng)機(jī)的啟動(dòng)

　　煤氣管道設(shè)置完成;

　　進(jìn)口電動(dòng)蝶閥及回流管電動(dòng)調(diào)節(jié)蝶閥關(guān)閉;

　　進(jìn)管壓力不低于1KPA;

　　風(fēng)機(jī)5HZ 啟動(dòng)，延時(shí)10S 后依次打開進(jìn)口管電動(dòng)蝶閥，出口管電動(dòng)

　　蝶閥及回流管電動(dòng)調(diào)節(jié)碟閥;

　　7)風(fēng)機(jī)停止

　　除上述涉及的系統(tǒng)自動(dòng)停機(jī)情況外，當(dāng)窯所有燒嘴熄滅時(shí)，應(yīng)立即電

　　話通知加壓機(jī)控制室，并使系統(tǒng)停機(jī)。

　　停機(jī)步驟：同時(shí)自動(dòng)全部打開回流管電動(dòng)閥，關(guān)閉進(jìn)出口管閥。

　　8)冷卻水進(jìn)口總管壓力低于0.1MPa，系統(tǒng)報(bào)警。

　　9)氮?dú)鉁p壓后壓力高于60KPa，系統(tǒng)報(bào)警。

　　2 西寧特鋼活性石灰套筒窯煤氣加壓風(fēng)機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　1)加壓風(fēng)機(jī)系統(tǒng)電氣設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)電氣設(shè)計(jì)

　　電源條件

　　— 動(dòng)力電源電壓：AC 380V 3P+N+PE 2路 320KW電源

　　— 控制電源電壓：AC 220V

　　— 頻率： 49.0~50.5 Hz

　　— 三相五線制： (TN-S)

　　— 電壓波動(dòng)范圍：380V+10%～-15%

　　西寧特鋼活性石灰套筒窯煤氣加壓站有兩臺(tái)MZ400-2800煤氣加壓風(fēng)機(jī)，平時(shí)采用一運(yùn)一備方式。根據(jù)實(shí)際工況要求設(shè)計(jì)主回路電氣結(jié)構(gòu)圖，雙電源轉(zhuǎn)換柜選用施耐德WATSGM-800/4雙電源轉(zhuǎn)換開關(guān)確保煤氣加壓站供電正常，現(xiàn)實(shí)主備電源快速切換。變頻柜采用ABB ACS800-04P-0400-3+P901變頻器。

　　2)自動(dòng)化網(wǎng)路設(shè)計(jì)

　　控制系統(tǒng)由主控PLC、觸摸屏、上位機(jī)組成。其中主控系統(tǒng)采用西門子S7-300PLC、上位機(jī)監(jiān)控選用SIEMENS Wincc軟件、觸摸屏采用SIENEMS MP277 10.4‘寸真彩屏。通訊網(wǎng)路在底層采用Profibus DP總線，主控PLC，觸摸屏和上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用以太網(wǎng)通訊。西門子S7-300PLC作為整個(gè)系統(tǒng)的控制核心，處理人機(jī)界面對(duì)系統(tǒng)的各種請(qǐng)求，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)對(duì)集氣管壓力的PID調(diào)節(jié)，維持管網(wǎng)的壓力恒定。上位機(jī)系統(tǒng)采用用戶熟悉的wincc監(jiān)控軟件，與PLC的連接采用以太網(wǎng)方式。觸摸屏采用安全穩(wěn)定的SEMENS MP27710.4‘寸真彩屏，與PLC的連接采用以太網(wǎng)方式。配置上： S7-300選用315-2 DP，并配置CP341-1T 以太網(wǎng)模塊，以太網(wǎng)模塊CP343-1T用于和觸摸屏以及上位機(jī)的以太網(wǎng)連接。

　　控制網(wǎng)絡(luò)具有如下特點(diǎn)：良好的穩(wěn)定性、擴(kuò)展性、軟硬件的開放性以及友好的人機(jī)界面，操作方便。

　　圖1

　　3)軟件設(shè)計(jì)

　　上位機(jī)系統(tǒng)選用SIEMENS公司生產(chǎn)的Wincc軟件。該軟件具有友好的人機(jī)界面，支持以太網(wǎng)絡(luò)。可以很方便的實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)視等功能、報(bào)表、報(bào)警功能強(qiáng)大，支持OPC，支持多種型號(hào)的PLC通訊。觸摸屏系統(tǒng)選用SIEMENS公司生產(chǎn)的WinCC flexible 2008軟件、可以很方便的實(shí)現(xiàn)場(chǎng)級(jí)的人機(jī)互動(dòng)。

　　S7-300 PLC采用Step 7軟件編程。軟件采用模塊化編程方式，把系統(tǒng)的各個(gè)工作編成一個(gè)個(gè)功能塊，在一個(gè)OB中調(diào)用，方便易用，便于用戶理解修改。支持梯形圖、語(yǔ)句表。采用一些容錯(cuò)程序設(shè)計(jì)，加強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

　　4)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　4.1兩臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)無(wú)擾動(dòng)切換控制

　　當(dāng)1#鼓風(fēng)機(jī)變頻運(yùn)行，要停機(jī)檢修變頻器或風(fēng)機(jī)時(shí)，投入2#鼓風(fēng)機(jī)。操作先啟動(dòng)2#鼓風(fēng)機(jī)，同時(shí)停1#變頻器。由于機(jī)前壓力實(shí)現(xiàn)PID閉環(huán)控制，使得1#變頻按照設(shè)定的減速時(shí)間，平滑停車，進(jìn)口閥門流量緩慢減小。相反，2#鼓風(fēng)機(jī)按照設(shè)定加速時(shí)間，轉(zhuǎn)速平滑上升，進(jìn)口閥門流量緩慢增加。這樣保證機(jī)前集氣母管壓力恒定，實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)無(wú)擾動(dòng)切換，解決原控制系統(tǒng)下兩臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)切換時(shí)產(chǎn)生的系統(tǒng)管網(wǎng)壓力發(fā)生劇烈波動(dòng)的問題。(詳見系統(tǒng)流程圖)

　　圖2

　　4.2 PID 控制的實(shí)現(xiàn)

　　A. PID被控量的確定

　　PID控制屬于閉環(huán)控制。將被控量的監(jiān)測(cè)信號(hào)(即有壓力傳感器檢測(cè)到的實(shí)際值)反饋到PLC或變頻器，與被控量的目標(biāo)信號(hào)相比較，判斷是否達(dá)到預(yù)定的控制目的。若沒達(dá)到則根據(jù)兩者的差值進(jìn)行調(diào)整，直到達(dá)到預(yù)定的控制目的為止。

　　煤氣加壓風(fēng)機(jī)的操作，首先要保證煤氣柜有充足的煤氣，煤氣加壓風(fēng)機(jī)的抽吸量取決于煤氣柜的煤氣量和活性石灰套筒窯的生產(chǎn)需求量。加壓風(fēng)機(jī)的操作要根據(jù)風(fēng)機(jī)出口總管的壓力情況而定。風(fēng)機(jī)出口總管壓力直接來(lái)自于風(fēng)機(jī)出口壓力的變化，因此取風(fēng)機(jī)出口總管壓力作為系統(tǒng)控制參數(shù)，有利于活性石灰套筒窯操作和系統(tǒng)的穩(wěn)定。

　　B. 系統(tǒng)變頻調(diào)速的基本原理

　　交流異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式為

　　n1=60 f1/2P 　　　　(1 )

　　由式(1)看出，電源頻率f與轉(zhuǎn)速n成正比。即改變頻率可改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

　　異步電機(jī)轉(zhuǎn)速n與同步轉(zhuǎn)速n1存在一個(gè)滑差關(guān)系

　　n=n1(1-S)=60f1/2P(1-S) (2 )

　　由式(2)可知，可通過(guò)改變f1、P、S其中任意參數(shù)實(shí)現(xiàn)調(diào)速，對(duì)異步電機(jī)最好的方法是改變頻率f1，實(shí)現(xiàn)調(diào)速控制。

　　實(shí)際上多數(shù)變頻調(diào)速場(chǎng)合是用于額定頻率以下 ，低頻時(shí)采用的補(bǔ)償都是為了解決低頻轉(zhuǎn)矩的下降，其采用的方法多種多樣，有矢量控制，直接轉(zhuǎn)矩控制等。其作用主要是動(dòng)態(tài)地改變低頻時(shí)的變頻器輸出電壓、輸出相位或輸出頻率，利用電路和電腦技術(shù)，實(shí)時(shí)地改變異步電機(jī)的輸出特性。

　　煤氣加壓風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的基本原理見圖3現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)經(jīng)壓力傳感器反饋給PLC，其給定值根據(jù)工作實(shí)際情況而定，利用PLC的功能塊，PID調(diào)節(jié)器，經(jīng)調(diào)節(jié)器PID常規(guī)運(yùn)算后，輸出給變頻器，變頻器通過(guò)改變煤氣加壓風(fēng)機(jī)電機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)煤氣的流量和壓力，從而實(shí)現(xiàn)煤氣出口總管的單閉環(huán)PID控制，有助于煤氣管壓力的穩(wěn)定。

　　圖3

　　在煤氣加壓風(fēng)機(jī)系統(tǒng)中采用變頻調(diào)速運(yùn)行方式，可根據(jù)負(fù)荷的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，解決了“大馬拉小車”的問題，為降低生產(chǎn)成本，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命，節(jié)能降耗，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，改善工作環(huán)境開創(chuàng)了新的途徑。

　　C. PID 控制過(guò)程

　　煤氣加壓風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的基本要求是保持出風(fēng)機(jī)出口總管壓力的恒定。系統(tǒng)的工作過(guò)程：設(shè) Xт為目標(biāo)信號(hào)設(shè)定值，其大小與所要求的煤氣總管壓力相對(duì)應(yīng)，XF為壓力傳感器的反饋信號(hào)，則變頻器的輸出頻率fx由Xт-XF決定。

　　若煤氣總管壓力P超過(guò)了設(shè)定值，則XF>Xт，且Xт-XF<0，則變頻器的輸出頻率fx減小，電機(jī)轉(zhuǎn)速降低，煤氣總管壓力P減小，直至與所要求的設(shè)定值大小相等為止。

　　反之，若煤氣總管壓力P低于設(shè)定值，則XF0，則變頻器的輸出頻率fx增大，電機(jī)轉(zhuǎn)速增加，煤氣總管壓力P增大，直至與所要求的設(shè)定值大小相等為止。

　　D. PID 控制的實(shí)現(xiàn)

　　通過(guò)PLC的PID功能塊完成初冷氣前吸力的單閉環(huán)控制，同時(shí)建立變量表，用于PID的參數(shù)整定和修改。編程語(yǔ)言采用梯形圖實(shí)現(xiàn)各種邏輯順序控制和初冷氣前吸力的閉環(huán)控制等。軟件流程見圖4。

　　圖4

　　整個(gè)系統(tǒng)控制的關(guān)鍵是保持煤氣總管壓力給定值在工藝要求上。正常情況下，煤氣總管壓力，一般不需要改變。但是，當(dāng)石灰窯燃料不足，在系統(tǒng)控制下對(duì)應(yīng)蝶閥的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)關(guān)閉到終點(diǎn)時(shí)，計(jì)算機(jī)控制將自動(dòng)修改煤氣總管壓力的參數(shù)設(shè)定值，改變變頻器的輸出頻率，從而相應(yīng)改變煤氣鼓風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而改變煤氣總管壓力，保證石灰窯的正常生產(chǎn)需要。

　　對(duì)于壓力、流量等被調(diào)參數(shù)來(lái)說(shuō)，對(duì)象調(diào)節(jié)通道時(shí)間常數(shù)T0較小，而負(fù)荷又變化較快，這時(shí)微分作用和積分作用都要引起振蕩，對(duì)調(diào)節(jié)質(zhì)量影響很大，故不采用微分調(diào)節(jié)規(guī)律。因此，煤氣總管壓力自動(dòng)調(diào)節(jié)控制、小循環(huán)閥自動(dòng)調(diào)節(jié)都采用PI調(diào)節(jié)。P值越大，比例調(diào)節(jié)作用越強(qiáng)，I值越小，積分作用越強(qiáng) 。

　　系統(tǒng)中風(fēng)量(壓力)控制自動(dòng)化，降低勞動(dòng)強(qiáng)度和故障率;運(yùn)行參數(shù)觀測(cè)直觀，可同時(shí)顯示壓力、頻率、轉(zhuǎn)速、電壓、電流、轉(zhuǎn)矩等運(yùn)行參數(shù);管道閥門全部打開，大大降低調(diào)節(jié)門損失。

　　E. 壓力傳感器掉線控制

　　對(duì)于一些可靠性要求非常高的控制系統(tǒng)，被控對(duì)象提出多點(diǎn)采集的理論，因此在機(jī)前母管上取兩個(gè)壓力采集點(diǎn)。把這兩點(diǎn)的壓力值送入PLC S7-300中比較，如果差值大于某個(gè)值，就認(rèn)為壓力值小的傳感器故障。這樣保證采集壓力值的準(zhǔn)確性，從而保證系統(tǒng)可靠性。

　　F. 熱電阻傳感器掉線控制

　　對(duì)于一些可靠性要求非常高的控制系統(tǒng)，溫度是系統(tǒng)的一個(gè)重要參數(shù)。根據(jù)Pt100熱電阻的工作原理，如果Pt100熱電阻由于某種原因斷線了那么這是電阻無(wú)窮大溫度瞬間到達(dá)最大值對(duì)于那些溫度不能超過(guò)設(shè)定值的設(shè)備就可能引起設(shè)備跳閘，引起系統(tǒng)不必要的停車。在PLC S7-300中可以對(duì)Pt100熱電阻溫度信號(hào)進(jìn)行處理，如果溫度值大于某個(gè)值，就認(rèn)為Pt100熱電阻傳感器故障。避免不必要得停車，從而保證系統(tǒng)可靠性。

　　4.3 緊急故障預(yù)案措施

　　加壓風(fēng)機(jī)變頻控制系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)有就地操作箱。在控制系統(tǒng)癱瘓情況下，操作轉(zhuǎn)換開關(guān)，通過(guò)硬連接線停止變頻器，以防止事故擴(kuò)大。例如：Profibus總線電纜故障了，加壓風(fēng)機(jī)處于失控狀態(tài)，機(jī)前壓力靠風(fēng)機(jī)慣性緩慢減小，這時(shí)控制系統(tǒng)會(huì)發(fā)出聲光告警，報(bào)通訊故障，需要人工迅速干預(yù)迅速處理故障。

　　4 結(jié)束語(yǔ)

　　用變頻器控制加壓風(fēng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)加壓風(fēng)機(jī)機(jī)出口煤氣總管壓力恒定控制，大大改善了石灰窯生產(chǎn)及現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，完全達(dá)到了生產(chǎn)工藝要求。PLC控制技術(shù)、PROFIBUS總線技術(shù)和變頻技術(shù)的完美結(jié)合，使得集成自動(dòng)化程度高，運(yùn)行穩(wěn)定，操作簡(jiǎn)單，節(jié)能高效明顯等優(yōu)點(diǎn)。解決了兩臺(tái)加壓風(fēng)機(jī)并列運(yùn)行靠調(diào)節(jié)回流閥無(wú)法實(shí)現(xiàn)壓力恒定和相互無(wú)擾動(dòng)切換，這個(gè)石灰窯生產(chǎn)的難題。

　　石灰窯加壓風(fēng)機(jī)變頻器控制系統(tǒng)的成功應(yīng)用，對(duì)于改善環(huán)境、提高煤氣利用率，保證煤氣柜不被抽成真空，都具有很高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，值得推廣。

　　參 考 文 獻(xiàn)

　　[1] 杜振慧.變頻調(diào)速裝置在煤氣鼓風(fēng)系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].玻璃,2003(3):20-21,51.

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　　[3] 李盛,許建寧.鼓風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速和集氣管壓力自控裝置的改造[J].燃料與化工,2000(4);188-191.