加热炉鼓风机监控系统的设计.pdf

第38卷2020年第4期（总第208期） 问题研究 加热炉鼓风机监控系统的设计 曾向海 （唐山钢铁集团重机装备有限公司 唐山 063000） 【摘要】应用S7-300PLC、变频器及上位机组态软件完成了对加热炉鼓风机的监控，以加热炉煤气量为 主要依据，根据空燃比，由PLC计算出风量，并以此为主要参数，通过调节PID参数控制变频器频率，来改变风机 电动机转速，以实现最优控制。 【关键词】败风机盛拴糸统变频趺PLC 组态王 Design of Monit oring Syst em of Heat ing Furnace Blow er ZENG Xia ng-ha i （Tangshan Iron Steel Group Heavy Machinery Equipment Co., Ltd., Tangshan 063000） [Abst ract ] The monitoring on the blower of hea ting f urna c e is rea lized by a pplying S7-300 PLC, inverter a nd host c onf igura tion sof twa re. Ta king the ga s volume of the hea ting f urna c e a s ma in ba sis, PLC c a lc ula tes a ir volume a c c ord ing to the a ir f uel ra tio, whic h is used a s the ma in pa ra meter. In ord er to rea lize optimum c ontrol, the inverter f req uenc y is c ontrolled through a d justing PID pa ra meters so a s to c ha nge the speed of the f a n motor. [Key w ords]Blower, monitoring system, inverter, PLC, Kingview 1前言 鼓风机是加热炉系统中送风的关键设备。鼓 风机运行是否正常直接影响加热炉的高效率燃 烧，影响生产的正常进行。为保证风机的可靠运 行，必须对风机温度、振动、电压、电流、压力、流量 等参数进行有效的监测。根据控制对象和控制要 求,选用PLC对风机运行参数及运行状况进行监 测，并用上位机组态软件进行监控。达到风机变 频软启动以及转速控制，达到的工艺参数集中显 示、报警与联锁保护、自动逻辑控制、过程控制及 控制压力的目的。 鼓风机监控系统在加热炉中的作用如图1所 示，控制过程是当调节参数炉膛温度与设定值 产生偏差时，控制器PLC经过PID运算，一方面 通过执行机构驱动煤气调节阀控制煤气流量，另 一方面根据煤气流量经过比值运算即空燃比输 出给鼓风机系统一个风量给定值。然后通过鼓风 机调节助燃风流量,从而使加热炉温度得到控制， 实现高效、稳定、经济燃烧。 图2是加热炉过程控制系统方块图，点划线内 是鼓风机控制系统。 图1加热炉过程控制示意 2风机监控系统 监控系统是以PLC为核心加上检测装置、变 频器与被监测控制对象共同构成的整体，风机监 控系统主要功能有 1 控制和检测变频器的运行状态，利用变频 器控制风机启、停及正常运转，根据要求的流量连 续调节转速获得电动机最佳速度。 2 实时检测风机的各种参数，并与PLC中预 设的上下限进行对比，超限报警，实现风机工况参 数的实时监测。 -54- 问题研究 第38卷2020年第4期总第208期 图2加热炉过程控制系统方块图 2.1鼓风机监控系统方案 1 风机流量自动控制通过变频器控制风机 转速来改变鼓风流量，变频器控制风量的原理如 图1和图2所示。当主控制器PLC根据加热炉温 度偏差控制煤气流量，并根据空燃比计算出空气 流量后输出给鼓风系统一个风量给定值,鼓风系 统控制器即控制器2再根据经过风流量计检测 反馈信号来调节变频器的频率，改变电动机的转 速,使风量增加或减少,使助燃风流量与给定值一 致,实现闭环调节,达到配比合理。 2 空气压力控制加热炉采用混合煤气，生产 中要求空气总管压力必须大于某一定值，这样只有 对空气管道总压力进行控制才能使各段烧嘴的火焰 长度维持不变,使煤气充分燃烧提高加热炉效率。 炉内的火焰有可能因为空气总管压力减小而进入其 中，而管道不能承受燃烧时增大的压力和增高的温 度易爆、易泄漏,为了保证安全，避免回火、爆炸的发 生，故需对它进行控制。当空气总管的压力低于 2000 Pa时进行低压报警,并通过控制快切阀快速切 断空气的供给。此控制系统采用单回路控制。控制 系统见图3。 3 鼓风机状态监控风机启动时系统采用变 频软启动，以降低启动电流，减小对电网的冲击。 当启动到设定频率时,PLC控制鼓风机并停止变频 软启动。通过对电动机的电压、电流、定子温度等 参数进行检测，并设置报警和停机连锁，以保证电 气系统安全运行。通过对风机和电动机轴承温 度、振动、进口风门关闭信号、冷却水压力等参数 进行检测，并设置报警和停机连锁，以保证系统 安全。 图3空气压力控制 2.2 风机监控系统的结构 本系统以西门子S7-3OO系列PLC为控制核 心，由变频器、传感器、变送器和控制柜等组成。 系统采用1台变频器控制2台风机，第一台变频启 动结束或故障换机时，变频器控制备用风机，采用 开一备一方式。 风机供电回路用电压和电流互感器测量风机 运行过程中的电参数，防止风机过压、过流、超载 等。温度传感器采用Pt 100钳热电阻传感器，分别 对每台风机前、后轴承温度和定子温度等实施监 测。振动变送器由振动传感器和位置变送器组 成,振动传感器安装在风机轴承座前后两侧，用于 监测风机水平和垂直方向的振动，它输出的电压 信号与振动速度成正比，并通过振动变送器传送 -55 - 第38卷2020年第4期总第208期 问题研究 到PLC模拟量处理模块，用于告知用户设备各种 参数的状态，这些处理后的数据保存到上位机及 数据库中供后备查询使用。 本设计中鼓风机出现故障或停机检修时，必 须立即启动备用风机，保证炉膛风量的连续供应， 风机切换顺序为①变频停止第1台风机。②关闭 对应的风门。③变频启动另一台风机。④开启风 门。⑤正常运行监控。 3监测数据的采集和显示 数据采集就是将被测对象外部环境、现场 的各种参量通过各种传感元件做适当转换后，再 经信号调理、采样、量化、编码、传输等步骤，最后 送到控制器进行数据处理或存储记录的过程。数 据采集层是风机在线监控系统的底层和基础层， 其硬件稳定性和软件可靠性决定后续监测诊断结 果的真伪。 由于鼓风机故障主要出现在电动机和风机轴 上，因此选择电动机和风机的输入轴、输出轴轴振 作为在线监测的振动信号，选择风机和电动机的 输入轴、输出轴温度作为在线监测的温度信号。 同时测量电动机润滑油温度、轴瓦的温度和电动 机电流作为在线监测的工艺信号。风机和电动机 的温度与振动测点布置如图4所示。 风机前轴承 图4测点布置示意 监测信号分为振动信号和温度信号。 1振动信号任何机器的运转都伴随着振动 信号的产生，振动信号及其变化包含着反映机器 运行状态的丰富信息，对于判断风机工况是否正 常和对机组进行综合保护，监测振动信号是必不 可少的。为此,在风机轴座测振处开螺栓孔M10, 深10 mm,螺距为1.5 mm,装ST系列振动速度传感 器,远传信号至主控室的振动烈度监控仪,显示振 动值。ST系列磁电式振动速度传感器与振动烈度 表配接后，可以测量各种位移、速度等。其原理 是由滚动轴承支承的转子,其振动会足够大的传 到轴承座上，安装在轴承座上或者很靠近轴承外 壳上的速度传感器，由内部运动线圈切割磁力线 而输岀电压，提供信号输送给监测仪表，用来对机 械故障进行预测和报警。测振检测点有4处，风机 和电动机轴承座前轴承处，风机和电动机轴承座 后轴承处。 2温度信号有许多系列的钳热电阻温度传 感器适用于金属设备表面和内部温度的测量，通 过加长螺纹，也可测量轴承和轴瓦的温度,安装简 单方便。将现场一次仪表温度计更换为可远传信 号的钮热电阻，将模拟信号传至主控室，通过主控 室温度控制仪适时显示温度。测温点有4处，风机 和电动机轴承座前轴承、风机和电动机轴承座后 轴承。 4风机监控系统软件 4.1 PLC程序流程 程序编制采用模块化结构，针对风机变频控 制系统的特点，将程序模块分为风机变频起动子 程序、风量调整子程序、报警子程序、风机变频停 止子程序等。程序流程如图5所示。 图5程序流程示意 4.2上位监控程序 4.2.1 风机在銭监植系统卖现的功能 系统实现的主要功能如下 -56- 问题研究 第38卷2020年第4期总第208期 1 通过该系统，管理人员可24h实时监控全 厂各风机的工作状态，如某一风机发生异常,则监 控系统通过计算机实时以声光进行报警和打印出 发生报警的风机的相关参数，提示值班人员应采 取的相关措施。 2 系统可定时采样各风机的实时数据并保 存在相应数据库中。当某些参数达到设定值时， 产生控制输出信号，确保风机机组的安全。 3 系统可根据相关数据库定期统计日报表、 月报表及年报表并能打印各报表。 4 系统可对实时数据、历史数据及各报表数 据进行分析得出相应的结论以利于相关的管理部 门进行决策，从而指导风机运行的调度以保证正 常生产。 4.2.2 醞披程序设计 组态王采用面向对象的编程技术，使用户可 以为每个应用程序建立数目不限的画面，在每个 画面上生成互相关联的静态或动态图形对象。操 作界面力求简洁实用，尽量减少界面所占用的系 统资源。组态王提供了丰富的界面设计工具，其 中包括一些常用的图形图库，如按钮、指示灯、电 动机等，在组态王里可以轻松的创造出需要的操 作界面。系统组态画面截图如图6,7,8所示。 图6系统组态主画面截图 图7温度曲线截图 报 BM. _______ * K IT 00 ‘S33 EX3 295.006TO.OO1T6 .09 E3E3 8 来妓历史數摒报联 18/06 /11 图8报表显示截图 5结论 本方案应用西门子S7-300 PLC、变频器以及 组态王工控组态软件完成了对加热炉鼓风机的监 控。由西门子PLC来控制变频器，变频器控制风 机的转速，达到控制风量的目的。PLC控制系统还 完成了对加热炉鼓风机运行过程中各个工艺参数 的实时采集和相应的自动控制，并具有各种电气 连锁以及系统报警，而且实现了和上位机组态王 监控的相互通讯。操作工可以在操作界面显示器 上随时看到鼓风机运行的画面及工作状态，并可 以通过鼠标点击进行各种操作，这样实现对加热 炉鼓风机的实时监控，并且可以调用存储数据实 现报表分析，明显提高了加热炉鼓风机运行的可 靠性、可维护性，缩短因系统故障导致的停炉时 间，实现鼓风机的自动控制，大大降低了操作工的 劳动强度，保证了鼓风机的长期安全、可靠运行， 提高经济效益。 参考文献 [1] 王永华.现代电气控制及PLC应用技术[M].北京航 空航天大学出版社. [2] 何学文，卜英勇.基于多线程和中断技术的风机在 线监控软件开发[J].风机技术,20014. [3] 吴茂盛.西门子PLC在加热炉燃烧控制系统中的应 用[J].科技向导,201220. [4] 孙传友，李涛.测控系统原理与设计第3版[M].北京 航空航天大学出版社,2014.8. 2020-04-02 收稿 -57 -