大型高炉除尘风机变频PLC控制系统开发.pdf

2017 年第 6 期宝 钢技术 大型高炉除尘风机变频 PLC 控制系统开发 叶海燕， 宋明中， 陈成 上海金艺检测技术有限公司， 上海201900 摘要 某大型高炉手动控制除尘系统， 控制方式和工艺需求不匹配， 除尘风机处于 24 h 全 负荷运行状态， 设备系统无法适应实际生产工艺需求造成大量电能浪费。介绍了高炉出铁工 艺流程和特点， 分析了高炉除尘风机控制系统结构， 详细论述了基于 PLC 变频控制系统实现 除尘风机节能的关键技术。实践证明， 大型高炉除尘风机变频 PLC 控制系统能更好地匹配工 艺生产需求， 保证安全、 可靠、 稳定生产的同时避免了能源浪费。 关键词 高炉;除尘;变频;控制;节能 中图分类号 TF546． 1文献标志码 B文章编号 1008 －0716 2017 06 －0067 －05 doi 10． 3969/j． issn． 1008 －0716． 2017． 06． 013 Designing strategies on dust removal blowers control system of large blast furnace YE Haiyan，SONG Mingzhong and CHEN Cheng Shanghai Jinyi Inspection Technology Co．， Ltd．， Shanghai 201900，China Abstract The manual control system of dust removal blowers of large blast furnace wasn’ t match with production processes， two dust removal blowers were operated of full load in 24 h， that cause a great deal of waste of energy． The processes and technical characters of blast furnace were presented， and control system structure of dust removal blowers was analyzed． The primary technology of energy saving based on PLC and frequency converter control system were discussed． The practical operation has showed that this control system of dust removal blower can better match with production processes and requirements， but the system operation was safe and reliable to ensure dust- removing and energy- saving for the production． Key words blast furnace;dust- removing;frequency conversion;control;energy conservation 叶海燕工程师1986 年生2008 年毕业于武汉科技大学 现从事三电控制技术与计算机网络通讯相关工作 电话26646472E- mailyehaiyan baosteel． com 宝钢某高炉一次、 二次除尘系统由 2 台高压 异步电动机和 2 台风机设备等组成。采用人工手 动操作方式， 通过人工对吸尘点电动阀的开闭来 控制扬尘点的除尘， 调节风量只能调节除尘管道 风门， 但实际情况风机风门只能在全关或全开两 种状态运行， 除尘风机处于 24 h 全负荷运行状 态。这种除尘控制系统与实际生产工艺需求不匹 配， 不仅造成较大电能浪费， 还严重影响电动机绝 缘性能和系统设备使用寿命。 为了使除尘系统控制方式与高炉出铁工艺流 程更加匹配， 保证生产环境的清洁， 减少能源的浪 费， 通过高炉出铁工艺调研、 出铁流程系统监控、 风机变速损伤分析等方法提出高炉除尘风机 PLC 变频节能控制系统开发方案， 对该高炉除尘风机 进行匹配现场工艺的控制系统改造， 达到节能环 保的要求。 1高炉出铁场除尘风机控制系统 某高炉出铁场除尘风机系统由一、 二次风机 系统和脱硅风机系统组成， 控制系统概况如图 1 76 宝钢技术2017 年第 6 期 所示， 脱硅风机系统与一、 二次风机系统相对独 立。该系统主要用于捕集和处理出铁过程中从铁 口、 撇渣器、 铁沟、 铁罐、 炉顶等扬尘点散发的烟气 和粉尘。 图 1控制系统总图 Fig． 1Diagram of control system 该高炉有 4 个出铁口， 分布在南北出铁场， 每 个出铁口的标准出铁周期为 2． 5 ～3 h， 正常情况 下， 每次只有 1 个出铁口出铁， 出铁周期结束后进 入下一个铁口的出铁周期， 前后 2 个出铁口有约 30 min 的重叠出铁时间。按现行出铁制度， 各出 铁口和炉顶的吸尘管道都安装有手动或电动阀 门， 在一个标准出铁周期内， 1/3 的时间需要风机 全负荷运行， 其余 2/3 的时间只需风机低负荷运 行即可满足现场出铁工艺除尘需求。 另外， 两台风机始终处于高负荷运行， 风量不 变， 当系统只有一个出铁口出铁时， 由于对应的停 止出铁的吸尘阀门的关闭， 相应的风量几乎全部 从炉顶和仍在出铁的出铁口进入， 这时在炉顶吸 入点由于风速和压差的增大， 炉顶相对较大的焦 炭及矿石也被吸入除尘管道， 由于被吸入焦炭及 矿石总量、 系统除尘管径变化和管道高低差等原 因使得在炉顶被吸入的焦炭及矿石停留在总管与 炉顶支管的交接处， 管网系统特性出现恶性循环， 管网风量很难调整和稳定。 2变频控制系统设计 2． 1系统概述 针对风机运行控制方式与出铁场工艺制度不 匹配造成除尘风机运行耗能浪费巨大， 管网系统 存在堵塞、 泄漏造成系统能耗增加和岗位粉尘浓 度控制难度增加两大问题， 结合高炉出铁除尘工 艺特点对一、 二次风机系统进行改造。在不影响 现有系统基本控制功能和基本运行需要的基础 上， 制定软件设计和调试方案， 将新增设备与原系 统进行关联， 完成新增设备及其与旧设备连锁的 集中控制功能， 增加新设备、 仪表信号的监控画面 并对老系统相关部分进行功能完善， 实现改造后 整个控制系统的升级及功能优化。 2． 2系统组成 高炉除尘风机 PLC 变频节能控制系统采用三 电一体化 EIC 技术， 由监控系统 HMI 、 PLC 控 制器、 变频器系统、 电能计量系统、 在线诊断系统和 网络设备组成， 如图2 所示。控制系统主要负载设 备参数为 两台电动机额定功率1 400 kW 、 额定电 压3 kV、 额定电流321A、 额定转速 980 r/min、 效率 0． 95; 两台除尘风机额定风量 11 000 m3/min、 风 压 5 500 Pa。 图 2 中， HMI 监控采用 Simens 公司组态软件 WinCC， 具有完备的组态开发环境和调试环境［1 ］， 用于对现场出铁工艺情况的操作监控; 可编程控 制器 采 用 Simens 公 司 S7- 300 系 列 PLC 和 86 叶海燕等大型高炉除尘风机变频 PLC 控制系统开发 ET200M 硬件和 STEP7 V5． 4 控制系统开发软 件 ［2 ］， 用于实现不同工况下的除尘风机变频控 制; 变频器系统采用东方日立高压变频器， 用于除 尘风机调速控制; 电能计量系统采用山东力创 EX8- LED 综合电力监控仪对出铁除尘系统用电 情况进行计量， 为节能效果考核提供原始数据; 在线诊 断 系 统 采 用 本 公 司 的 自 主 研 发 产 品 telesen3826， 用于采集除尘风机和电动机现场运 行的设备信息， 及时掌握风机电动机等设备 状态。 图 2除尘系统布置图 Fig． 2Layout of dust removal system 本系统中 PLC 控制系统与监控系统、 在线诊 断系统之间的通讯方式为 TCP/IP 协议， 中央控 制器 PLC 与 远 程 I/O 站 之 间 的 通 讯 方 式 为 Profibus 现场总线， 远程 I/O 站与变频器系统之间 采用点对点的硬线连接方式。建立的高炉除尘风 机 PLC 变频节能控制系统具有动态随动功能， 可 以与现场工艺需求高度匹配， 有效优化设备运行 状态， 有效减少能源浪费。 3变频控制系统功能 高炉除尘风机变频 PLC 控制系统主要实现 匹配工艺切换操作模式切换功能、 电动机风机速 度控制功能、 设备动态监控功能等。控制系统采 用高压变频器直接与电动机连接， 变频拖动方式 为 “一拖一” ， 变频器系统结构如图 3 所示。 3． 1切换功能 根据现场工艺控制需求， 开发的除尘风机变 频 PLC 控制系统具有机旁操作盘现场/中央、 工 频/变频选择方式切换功能， 用于应对变频节能除 尘系统正常、 异常情况下的不同操作需求; 出铁现 场操作箱设置自动/手动切换功能， 用于人工干预 时的风速调节需求。 3． 1． 1现场/中央切换 风机现场操作盘上选择现场操作模式即通过 手动方式控制风机启停及功能切换， 是主要操作 模式。选择中央操作模式即通过中央控制室的计 算机操作界面对风机的启停与功能切换进行操 作， 是备用操作模式。 96 宝钢技术2017 年第 6 期 图 3变频器系统结构图 Fig． 3Structure of inverter system 3． 1． 2变频/工频切换 风机现场操作盘上选择变频运行模式即风机 在变频器控制下进行启动、 运行与停止， 由 PLC 对风机进行逻辑控制， 是正常状态下的运行模式; 选择工频运行模式即风机通过高压开关进行电抗 器降压启动， 控制主要由继电器回路完成， 此时 PLC 主要负责变频/工频的判断， 并对信号端口进 行封锁 避免 PLC 控制与继电器回路控制的混 乱 ， 是一种紧急运行的后备运行模式。 3． 1． 3自动/手动切换 出铁现场操作箱自动控制方式用于正常出 铁、 强化出铁、 下渣异常、 放残铁、 大沟检修、 休风 等六种操作方式。单铁口出铁时， 风机低速运行; 多铁口出铁时， 风机高速运行， 是主要控制方式。 手动控制方式用于单铁口出铁时， 一旦出现低速 运行不能满足需求 粉尘较大出铁异常 等情况 下， 人工干预改变风机运行速度， 是一种备用控制 方式。 3． 2控制功能 3． 2． 1启停控制 启停控制功能， 主要包括变频运行时风机在 变频器控制下进行启动、 运行与停止。PLC 根据 现场工况条件设计了变频启停过程控制程序， 以 1 台风机控制为例， 变频停止流程如图 4 所示。 由 PLC 控制系统对风机进行逻辑控制， 包 括 风机启动条件/停止条件、 启动、 切换挡板控 制、 高压开关合闸/分闸、 故障信号判断、 变频器状 态监控与控制、 现场与中央判断、 变频与工频判 断、 高压开关连锁、 信号指示灯输出、 监控画面等。 图 4变频启停控制流程图 Fig． 4Controlflow of inverter start- stop 3． 2． 2变频调速 变频调速功能， 对于 4 个铁口出铁场， 采用单 铁口时低速运行， 双铁口及出铁搭接期间高速运 行的方式进行风机风量控制。将风机高速分为多 铁口出铁高速、 单铁口手动高速、 单铁口自动高 速、 工频高速、 变频器故障高速和画面干预高速等 逻辑控制模块， 根据现场工况动态设定不同的高 07 叶海燕等大型高炉除尘风机变频 PLC 控制系统开发 速变频运行频率; 将风机低速分为单铁口自动低 速、 单铁口手动低速、 双铁口手动低速和无铁口出 铁低速等逻辑控制模块， 根据现场工况动态设定 低速运行频率 确保环境粉尘检测合格 。根据 现场工艺和逻辑程序控制情况对应输出显示， 以 1TH 高速指示灯为例， 控制程序逻辑如图 5 所示。 3． 3监控功能 高炉除尘风机变频 PLC 控制系统中监控系 统用于实现对控制系统运行状态的动态监控， 包 含现场设备状态和参数显示、 控制方式显示和选 择、 中央高速干预、 轻重故障显示、 报警和节能数 据归档等功能， 主监控画面如图 6 所示。 图 5程序控制逻辑图 Fig． 5Diagram of program logic control system 图 6除尘风机变频节能主画面 Fig． 6Monitoring picture of dust removal blowers control system 4应用效果 通过对除尘风机系统性能进行诊断和对管网 进行模拟优化， 确立了利用变频技术与节能管理并 行的运行方案。高炉除尘风机变频 PLC 控制系统 从2010 年10 月投运以来， 运行状况良好， 保证了 现场设备性能稳定和岗位粉尘指标合格。2011 年 6 月14 日， 上海市计量测试技术研究院对该项目 节能量进行审核， 项目实施前年能耗折算成标准煤 为7 824 t 1 kg 标准煤 29．3 MJ ， 项目实施后为 5 981．6 t， 月平均节电403 440 kWh， 年节电效益高 达350 万元。 实践证明， 该系统设计合理， 功能全面， 优良 的控制性能完全匹配和满足了高炉出铁复杂工艺 控制要求， 创造性解决了原高炉风机除尘系统无 法与工艺匹配的难题， 确保了正常情况下高炉风 机除尘系统稳态稳定运行， 优化了设备性能， 避免 了能源浪费。 参考文献 ［1］苏昆哲． 深入浅出西门子 WinCC V6［M］ ． 北京 北京航空 航天出版社， 2004 5 －10． ［2］马丁． 西门子 PLC 应用程序设计实例精讲［ M］ ． 北京 电子 工业出版社， 2008 36 －49． 收稿日期 2017 －06 －09 17