基于變頻調(diào)速和PLC的風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)研究

朱秀斌

（淄博職業(yè)學(xué)院，淄博 255314）

0 引言

當(dāng)今社會，風(fēng)機(jī)設(shè)備被廣泛的應(yīng)用于鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)中，傳統(tǒng)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速不能根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)所需風(fēng)量變化，而是以設(shè)定的速度運(yùn)行的，這就使得很多能量被浪費(fèi)了。而隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，節(jié)能環(huán)保已經(jīng)成為越來越被關(guān)注的問題，同時(shí)也是社會進(jìn)步的基本要求。因此，必須改變傳統(tǒng)的風(fēng)機(jī)控制方法。風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速是解決這個(gè)問題的一個(gè)行之有效的辦法，它是根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況來調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的，近年來這種方法在風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)和改造中也得到了廣泛的應(yīng)用[1]。

1 風(fēng)機(jī)的節(jié)能機(jī)理

眾所周知，風(fēng)機(jī)的工作點(diǎn)是由風(fēng)機(jī)的工作特性曲線和管網(wǎng)的特性曲線共同決定的，設(shè)此除塵用風(fēng)機(jī)原工作點(diǎn)在2 N 點(diǎn)，如需減小流量，可采用閥門控制和變頻調(diào)速控制兩種方案來實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)以除塵改造工程用風(fēng)機(jī)為例，根據(jù)管網(wǎng)特性曲線來分析風(fēng)機(jī)的實(shí)際工作點(diǎn)，如圖1 所示。

用閥門控制減小流量時(shí)要關(guān)小閥門，此時(shí)，管網(wǎng)阻力增大，管網(wǎng)特性曲線從1到2，風(fēng)壓從H1上升到H2，流量從Q1減小到Q2，風(fēng)機(jī)的工作點(diǎn)從N1點(diǎn)移到N2點(diǎn)。

用變頻調(diào)速控制時(shí)，則可以改變風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，而機(jī)械閥門開度不變，管網(wǎng)特性曲線也不變。風(fēng)機(jī)的工作特性取決于轉(zhuǎn)速，如果把轉(zhuǎn)速降低，風(fēng)機(jī)特性曲線將從3到4，風(fēng)機(jī)工作工作點(diǎn)將從N1點(diǎn)轉(zhuǎn)移到N3點(diǎn)，風(fēng)壓從H1下降到H3，流量從Q1也下降到Q2。

圖1 風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速節(jié)能原理圖

以上兩種調(diào)節(jié)方式均可把流量從Q1調(diào)至Q2，但卻得到兩個(gè)不同的工作點(diǎn)N2和N3，對應(yīng)著兩個(gè)不同的工作壓力H2和H3，其壓差值為（H2-H3），這對用戶來講是多余的壓力。

也就是說，用閥門控制時(shí)有△P的功率被白白浪費(fèi)掉了，而用變頻調(diào)速控制時(shí)，根據(jù)風(fēng)機(jī)風(fēng)量、風(fēng)壓及功率的比例關(guān)系，改變風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n，可使風(fēng)機(jī)的流量Q、風(fēng)壓H和功率P都隨之相應(yīng)的改變，其關(guān)系式為：

式中n1、Q1、H1、P1分別是條件改變后的風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、風(fēng)量、風(fēng)壓、功率。由以上關(guān)系可以看出，改變風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，就可以改變風(fēng)機(jī)對應(yīng)的風(fēng)量、風(fēng)壓及所耗功率，以滿足除塵風(fēng)量系統(tǒng)的要求。由式（3）可知，風(fēng)機(jī)消耗的功率是按照三次方的關(guān)系下降的，因此節(jié)能效果非常顯著。而且由于風(fēng)機(jī)的效率隨轉(zhuǎn)速變化不是很大，因此，當(dāng)轉(zhuǎn)速變化的范圍在20%左右時(shí)，可以不考慮效率的變化。因此，采用變頻調(diào)速法能夠很好的實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的[2～4]。

2 控制系統(tǒng)變頻調(diào)速的實(shí)現(xiàn)

鋼鐵生產(chǎn)除塵風(fēng)機(jī)的變頻控制系統(tǒng)涉及的軟硬件組成及其控制方式包括PLC 控制、電氣控制、變頻器、風(fēng)機(jī)、管道及各種傳感器等，如圖2所示。

圖 2 變頻控制系統(tǒng)示意圖

變頻調(diào)速控制系統(tǒng)采用負(fù)壓反饋?zhàn)兯推?、可編程序控制（PLC）、變頻調(diào)速器、風(fēng)機(jī)、電機(jī)、變頻設(shè)定、風(fēng)量控制、數(shù)據(jù)顯示和流量積算儀等組成，除此之外還包括上位控制系統(tǒng)HMI。

當(dāng)變頻器帶動電機(jī)、風(fēng)機(jī)起動后，通過所建立的特征模型的控制器及其通過WINCC來讀PLC中除塵器入口處管網(wǎng)壓力信號，通過編制相應(yīng)的PLC程序，PLC把讀過來的信號通過程序本身進(jìn)行相應(yīng)的比較和運(yùn)算，由上位系統(tǒng)HMI按照智能PID 控制器的控制原理給PLC輸出一個(gè)電信號，由PLC來進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，輸出一個(gè)電信號（模擬量和數(shù)字量）來進(jìn)行變頻器的啟動/停止和頻率給定，從而改變電動機(jī)的運(yùn)行頻率和電壓，既而改變風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。這樣就構(gòu)成了以管網(wǎng)壓力跟蹤煙塵量為標(biāo)準(zhǔn)的閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)。

除塵系統(tǒng)變頻器大部分時(shí)間內(nèi)是運(yùn)行在變頻調(diào)速狀態(tài)，因?yàn)樵诠r運(yùn)行的情況下，滿足了在煉鋼加料過程最大風(fēng)量的要求，但是也造成了風(fēng)量的富余，能量得到了極大的浪費(fèi)。鑒于此，煉鋼過程中，變頻器始終運(yùn)行在變頻調(diào)速狀態(tài)，通過控制管網(wǎng)負(fù)壓的方式實(shí)時(shí)跟蹤煙塵量，達(dá)到了好的節(jié)能效果。系統(tǒng)軟件采用模塊化程序設(shè)計(jì)，由主程序統(tǒng)一調(diào)用，主要包括初始化子程序、A/D轉(zhuǎn)換子程序、D/A 轉(zhuǎn)換子程序、風(fēng)量檢測和控制子程序、算法比較子程序等[5]。

3 控制系統(tǒng)的硬件與軟件設(shè)計(jì)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

在整個(gè)控制系統(tǒng)中，在硬件的選用上采用了SIEMENS S7-400 系列的PLC、ET200M 智能終端及合資廠生產(chǎn)的3501型智能負(fù)壓變送器等相關(guān)的電氣產(chǎn)品，此外系統(tǒng)中還采用了液力耦合器，輸出功率為900KW，和AB公司的中壓變頻器，輸出功率為630KW。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

變頻控制系統(tǒng)中，在軟件的編制上側(cè)重于變頻響應(yīng)速度的問題，因此，通過現(xiàn)場采集生產(chǎn)數(shù)據(jù)并結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)情況虛擬的給出對應(yīng)管網(wǎng)的壓力值，并且采用相應(yīng)的仿人智能PID控制算法，提高了自動控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能、響應(yīng)速度，提高了變頻系統(tǒng)的效率，起到了很好的效果。

為了簡化編程應(yīng)盡可能將共性的部分如風(fēng)機(jī)加減速脈沖掃描程序、輸入輸出程序等編入主程序，而對于其他的程序如循環(huán)程序、碼表程序等，應(yīng)將其編入子程序，通過在主程序中周期的掃描，從而讀取對應(yīng)的子程序，而這個(gè)時(shí)候，由于在主程序中直接加入了風(fēng)機(jī)加減速脈沖掃描程序、輸入輸出程序等，提高了系統(tǒng)的讀取速度，因?yàn)镻LC程序的掃描方式是根據(jù)主程序來了，在主程序中嵌入了子程序，掃描主程序的同時(shí)在執(zhí)行著子程序，但是子程序和主程序還是有一定的時(shí)間差問題的，正是利用PLC主程序的快速掃描特性，使得風(fēng)機(jī)的加減速變化能夠快速的跟蹤實(shí)際數(shù)據(jù)的變化，達(dá)到實(shí)時(shí)控制和節(jié)能效果。

在變頻系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)需要檢測的信號非常多，如實(shí)時(shí)報(bào)警信號，線路故障信號等，這些信號通常包括電機(jī)過載保護(hù)信號、短路保護(hù)信號和管網(wǎng)風(fēng)量檢測信號等。在故障報(bào)警中，通過對故障進(jìn)行相應(yīng)的分類，分成重故障和輕故障，所謂輕故障即不影響整個(gè)系統(tǒng)的自動運(yùn)行，重故障即當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，對整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行有很大的影響，比如變頻器故障、檢測信號裝置發(fā)生故障等，為了確保設(shè)備的安全，系統(tǒng)會退出自動運(yùn)行狀態(tài)，并發(fā)出故障報(bào)警信號，要想重新恢復(fù)自動運(yùn)行系統(tǒng)，只有等待設(shè)備維修員進(jìn)行設(shè)備的維修以后，通過HMI的按鈕切換或者通過PLC 內(nèi)部切換，使運(yùn)行狀態(tài)在手動和自動之間切換。這樣，就解決了系統(tǒng)中的故障問題，同時(shí)又能保護(hù)設(shè)備和管網(wǎng)。

4 現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用及數(shù)據(jù)結(jié)果

通過采用變頻調(diào)速控制系統(tǒng)，廢棄了之前的在額定轉(zhuǎn)速即工頻下運(yùn)行的方式。因此，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速可以實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。我們采集了控制系統(tǒng)改造之后的風(fēng)機(jī)所耗電量的數(shù)據(jù)，如表1所示。

表2和表3表示控制系統(tǒng)改造之前的風(fēng)機(jī)所耗電量，由于之前風(fēng)機(jī)是以滿負(fù)荷運(yùn)行，偶爾調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)前閥，管網(wǎng)阻力增大，實(shí)際情況說明，除塵器阻力很大，風(fēng)機(jī)效率很低，因此，風(fēng)機(jī)并沒有處于最佳工作點(diǎn)的狀態(tài)，除塵效果不理想。加之在電爐冶煉時(shí)產(chǎn)生大量的煙塵，很容易將管網(wǎng)堵塞，尤其是在除塵管網(wǎng)軸流風(fēng)機(jī)處，由于并行的冷卻管束直徑不大，由現(xiàn)場實(shí)際情況可以發(fā)現(xiàn)，此處很容易被堵塞，造成了能量的極大浪費(fèi)，迫使風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)偏離最佳運(yùn)行工作點(diǎn)。

表 1 風(fēng)機(jī)4月份耗電量

表2 風(fēng)機(jī)1月份耗電量

表3 風(fēng)機(jī)2月份耗電量

從表2、表3所測的風(fēng)機(jī)功率數(shù)據(jù)中，1～2月煉鋼風(fēng)機(jī)都是高速運(yùn)轉(zhuǎn)，兩個(gè)月合計(jì)用電1615740KW，月平均用電807870KWH，而改造之后的4月份除塵系統(tǒng)正常運(yùn)行以來，按照工藝要求自動的調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率，月平均耗電為610940KWH，相比1、2 月節(jié)電達(dá)到：807870-610940=196930KWH，節(jié)電率達(dá)到196930/807870=24.38%。

以每臺風(fēng)機(jī)每年工作7200小時(shí)計(jì)算，每年節(jié)電1969587KWH，節(jié)約電費(fèi)：1969587×0.41＝80.75萬元。

由此可以看出，此鋼鐵公司煉鋼廠除塵改造工程在采用了基于變頻調(diào)速的控制系統(tǒng)后，不僅實(shí)際控制、除塵效果良好，而且在節(jié)能效果方面也得到了顯著的提高。

5 結(jié)束語

本文結(jié)合除塵現(xiàn)場管網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)了基于PLC的風(fēng)機(jī)變頻控制系統(tǒng)，介紹了該系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)原理、軟件和硬件設(shè)計(jì)，并且將該系統(tǒng)應(yīng)用于某鋼鐵生產(chǎn)公司的除塵系統(tǒng)中，經(jīng)過實(shí)際測量發(fā)現(xiàn)不僅取得了較好的除塵效果，而且使風(fēng)機(jī)在節(jié)能效果方面也得到了顯著的提高。

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