西寧特鋼煤氣加壓風機控制系統設計

　　0 引言

　　煤氣加壓風機是活性石灰套筒窯核心設備，屬于長時間運行設備，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。交流變頻調速技術是當今節能降耗、改善工藝結構，以提高產品質量和改善環境、推動技術進步的一種主要手段。 采用變頻調速系統直接控制煤氣加壓風機的轉速，并應用PLC與壓力傳感器構成煤氣出口總管的PID閉環自動控制系統，可實現電機根據負荷的變化而變速運行，自動調節煤氣流量和壓力，既滿足了生產需要，又達到了節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機運行特性和控制工藝分析

　　1)加壓風機系統設置2 套，1 開1 備。

　　單臺風機聯鎖控制

　　1.1軸承溫度大于90℃報警, 大于80℃停機.

　　1.2定子溫度大于140℃報警, 大于145℃停機.

　　(以上內容需風機廠確認)

　　2)用電動調節蝶閥控制。

　　3)壓風機進口管壓力低于1KPA 時，系統報警，操作室遠程手

　　動打開回流管上的電動調節蝶閥一定開度(具體根據現場調試確定);

　　當加壓風機進口管壓力低于0.7KPA時，程序自動將回流管上的電動

　　調節蝶閥全開;當加壓風機進口管壓力低于0.5KPA 時，系統自動停

　　機。

　　4)根據窯的產量、熱值自動計算出套筒窯所需煤氣的流量，通過出

　　口管上的流量孔板反饋，自動通過回流管調節電動調節蝶閥的開度，

　　達到所需流量;并需保證加壓風機出口管壓力在17~19KPa 之間，當

　　單臺加壓風出口管壓力低于17KPa 時，系統報警。

　　5)當出口總管壓力大于19KPa 時，回流管調節閥逐漸打開;當出口

　　壓力大于21KPa 時，系統報警;當出口壓力大于23KPa 時，系統自

　　動停機。

　　6)風機的啟動

　　煤氣管道設置完成;

　　進口電動蝶閥及回流管電動調節蝶閥關閉;

　　進管壓力不低于1KPA;

　　風機5HZ 啟動，延時10S 后依次打開進口管電動蝶閥，出口管電動

　　蝶閥及回流管電動調節碟閥;

　　7)風機停止

　　除上述涉及的系統自動停機情況外，當窯所有燒嘴熄滅時，應立即電

　　話通知加壓機控制室，并使系統停機。

　　停機步驟：同時自動全部打開回流管電動閥，關閉進出口管閥。

　　8)冷卻水進口總管壓力低于0.1MPa，系統報警。

　　9)氮氣減壓后壓力高于60KPa，系統報警。

　　2 西寧特鋼活性石灰套筒窯煤氣加壓風機系統設計

　　1)加壓風機系統電氣設計

　　系統電氣設計

　　電源條件

　　— 動力電源電壓：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)

　　— 電壓波動范圍：380V+10%～-15%

　　西寧特鋼活性石灰套筒窯煤氣加壓站有兩臺MZ400-2800煤氣加壓風機，平時采用一運一備方式。根據實際工況要求設計主回路電氣結構圖，雙電源轉換柜選用施耐德WATSGM-800/4雙電源轉換開關確保煤氣加壓站供電正常，現實主備電源快速切換。變頻柜采用ABB ACS800-04P-0400-3+P901變頻器。

　　2)自動化網路設計

　　控制系統由主控PLC、觸摸屏、上位機組成。其中主控系統采用西門子S7-300PLC、上位機監控選用SIEMENS Wincc軟件、觸摸屏采用SIENEMS MP277 10.4‘寸真彩屏。通訊網路在底層采用Profibus DP總線，主控PLC，觸摸屏和上位機監控系統采用以太網通訊。西門子S7-300PLC作為整個系統的控制核心，處理人機界面對系統的各種請求，對整個系統的參數進行監控，實現對集氣管壓力的PID調節，維持管網的壓力恒定。上位機系統采用用戶熟悉的wincc監控軟件，與PLC的連接采用以太網方式。觸摸屏采用安全穩定的SEMENS MP27710.4‘寸真彩屏，與PLC的連接采用以太網方式。配置上： S7-300選用315-2 DP，并配置CP341-1T 以太網模塊，以太網模塊CP343-1T用于和觸摸屏以及上位機的以太網連接。

　　控制網絡具有如下特點：良好的穩定性、擴展性、軟硬件的開放性以及友好的人機界面，操作方便。

　　圖1

　　3)軟件設計

　　上位機系統選用SIEMENS公司生產的Wincc軟件。該軟件具有友好的人機界面，支持以太網絡。可以很方便的實現遠程監視等功能、報表、報警功能強大，支持OPC，支持多種型號的PLC通訊。觸摸屏系統選用SIEMENS公司生產的WinCC flexible 2008軟件、可以很方便的實現場級的人機互動。

　　S7-300 PLC采用Step 7軟件編程。軟件采用模塊化編程方式，把系統的各個工作編成一個個功能塊，在一個OB中調用，方便易用，便于用戶理解修改。支持梯形圖、語句表。采用一些容錯程序設計，加強系統的穩定性。

　　4)系統設計

　　4.1兩臺鼓風機無擾動切換控制

　　當1#鼓風機變頻運行，要停機檢修變頻器或風機時，投入2#鼓風機。操作先啟動2#鼓風機，同時停1#變頻器。由于機前壓力實現PID閉環控制，使得1#變頻按照設定的減速時間，平滑停車，進口閥門流量緩慢減小。相反，2#鼓風機按照設定加速時間，轉速平滑上升，進口閥門流量緩慢增加。這樣保證機前集氣母管壓力恒定，實現兩臺鼓風機無擾動切換，解決原控制系統下兩臺鼓風機切換時產生的系統管網壓力發生劇烈波動的問題。(詳見系統流程圖)

　　圖2

　　4.2 PID 控制的實現

　　A. PID被控量的確定

　　PID控制屬于閉環控制。將被控量的監測信號(即有壓力傳感器檢測到的實際值)反饋到PLC或變頻器，與被控量的目標信號相比較，判斷是否達到預定的控制目的。若沒達到則根據兩者的差值進行調整，直到達到預定的控制目的為止。

　　煤氣加壓風機的操作，首先要保證煤氣柜有充足的煤氣，煤氣加壓風機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需求量。加壓風機的操作要根據風機出口總管的壓力情況而定。風機出口總管壓力直接來自于風機出口壓力的變化，因此取風機出口總管壓力作為系統控制參數，有利于活性石灰套筒窯操作和系統的穩定。

　　B. 系統變頻調速的基本原理

　　交流異步電動機的轉速公式為

　　n1=60 f1/2P 　　　　(1 )

　　由式(1)看出，電源頻率f與轉速n成正比。即改變頻率可改變電機的轉速。

　　異步電機轉速n與同步轉速n1存在一個滑差關系

　　n=n1(1-S)=60f1/2P(1-S) (2 )

　　由式(2)可知，可通過改變f1、P、S其中任意參數實現調速，對異步電機最好的方法是改變頻率f1，實現調速控制。

　　實際上多數變頻調速場合是用于額定頻率以下 ，低頻時采用的補償都是為了解決低頻轉矩的下降，其采用的方法多種多樣，有矢量控制，直接轉矩控制等。其作用主要是動態地改變低頻時的變頻器輸出電壓、輸出相位或輸出頻率，利用電路和電腦技術，實時地改變異步電機的輸出特性。

　　煤氣加壓風機變頻調速系統的基本原理見圖3現場信號經壓力傳感器反饋給PLC，其給定值根據工作實際情況而定，利用PLC的功能塊，PID調節器，經調節器PID常規運算后，輸出給變頻器，變頻器通過改變煤氣加壓風機電機的轉速來調節煤氣的流量和壓力，從而實現煤氣出口總管的單閉環PID控制，有助于煤氣管壓力的穩定。

　　圖3

　　在煤氣加壓風機系統中采用變頻調速運行方式，可根據負荷的變化自動調節風機的轉速，解決了“大馬拉小車”的問題，為降低生產成本，延長設備使用壽命，節能降耗，減輕勞動強度，改善工作環境開創了新的途徑。

　　C. PID 控制過程

　　煤氣加壓風機變頻調速系統的基本要求是保持出風機出口總管壓力的恒定。系統的工作過程：設 Xт為目標信號設定值，其大小與所要求的煤氣總管壓力相對應，XF為壓力傳感器的反饋信號，則變頻器的輸出頻率fx由Xт-XF決定。

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

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

　　D. PID 控制的實現

　　通過PLC的PID功能塊完成初冷氣前吸力的單閉環控制，同時建立變量表，用于PID的參數整定和修改。編程語言采用梯形圖實現各種邏輯順序控制和初冷氣前吸力的閉環控制等。軟件流程見圖4。

　　圖4

　　整個系統控制的關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，當石灰窯燃料不足，在系統控制下對應蝶閥的調節機構關閉到終點時，計算機控制將自動修改煤氣總管壓力的參數設定值，改變變頻器的輸出頻率，從而相應改變煤氣鼓風機的轉速，進而改變煤氣總管壓力，保證石灰窯的正常生產需要。

　　對于壓力、流量等被調參數來說，對象調節通道時間常數T0較小，而負荷又變化較快，這時微分作用和積分作用都要引起振蕩，對調節質量影響很大，故不采用微分調節規律。因此，煤氣總管壓力自動調節控制、小循環閥自動調節都采用PI調節。P值越大，比例調節作用越強，I值越小，積分作用越強 。

　　系統中風量(壓力)控制自動化，降低勞動強度和故障率;運行參數觀測直觀，可同時顯示壓力、頻率、轉速、電壓、電流、轉矩等運行參數;管道閥門全部打開，大大降低調節門損失。

　　E. 壓力傳感器掉線控制

　　對于一些可靠性要求非常高的控制系統，被控對象提出多點采集的理論，因此在機前母管上取兩個壓力采集點。把這兩點的壓力值送入PLC S7-300中比較，如果差值大于某個值，就認為壓力值小的傳感器故障。這樣保證采集壓力值的準確性，從而保證系統可靠性。

　　F. 熱電阻傳感器掉線控制

　　對于一些可靠性要求非常高的控制系統，溫度是系統的一個重要參數。根據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窮大溫度瞬間到達最大值對于那些溫度不能超過設定值的設備就可能引起設備跳閘，引起系統不必要的停車。在PLC S7-300中可以對Pt100熱電阻溫度信號進行處理，如果溫度值大于某個值，就認為Pt100熱電阻傳感器故障。避免不必要得停車，從而保證系統可靠性。

　　4.3 緊急故障預案措施

　　加壓風機變頻控制系統在現場設計有就地操作箱。在控制系統癱瘓情況下，操作轉換開關，通過硬連接線停止變頻器，以防止事故擴大。例如：Profibus總線電纜故障了，加壓風機處于失控狀態，機前壓力靠風機慣性緩慢減小，這時控制系統會發出聲光告警，報通訊故障，需要人工迅速干預迅速處理故障。

　　4 結束語

　　用變頻器控制加壓風機，實現加壓風機機出口煤氣總管壓力恒定控制，大大改善了石灰窯生產及現場環境，完全達到了生產工藝要求。PLC控制技術、PROFIBUS總線技術和變頻技術的完美結合，使得集成自動化程度高，運行穩定，操作簡單，節能高效明顯等優點。解決了兩臺加壓風機并列運行靠調節回流閥無法實現壓力恒定和相互無擾動切換，這個石灰窯生產的難題。

　　石灰窯加壓風機變頻器控制系統的成功應用，對于改善環境、提高煤氣利用率，保證煤氣柜不被抽成真空，都具有很高的經濟價值，值得推廣。

　　參 考 文 獻

　　[1] 杜振慧.變頻調速裝置在煤氣鼓風系統中的應用[J].玻璃,2003(3):20-21,51.

　　[2] 王振民,顏宇,姜福祿,等.焦爐煤氣鼓風機變頻調速初步研究[J].城市燃氣,1995(11):24-26,11.

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