烧结主抽风机变频自动控制系统特点.pdf

第 3 9卷第 6期 2 0 1 3年 l 2月 包钢科技 S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y o f B a o t o u S t e e l Vo 1 ． 3 9， No ． 6 D e c e mb e r ， 2 0 1 3 烧结主抽风机变频 自动控制系统特点 王晓红， 边美柱 内蒙古包铜稀土钢板材有限责任公 司炼铁作业部 ， 内蒙古 包头0 1 4 0 1 0 摘要 文章详细介绍了2台 5 0 0 烧结机主抽风机自动控制系统的没计情况 ， 设计采用 6 k V异步电动机高压变 频调速及 P L C自砬难制系统 ， 能够满足烧结机的先进性生产要求。 关键词 主抽风机； 高压变频器 ； P L C 中图分类号 T F 3 2 5 ． 1 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 9 5 4 3 8 2 0 1 3 0 6 0 0 5 7 0 4 Ch a r a c t e r i s t i c s o f Au t o ma t i c Co n t r o l S y s t e m wi t h F r e q u e n c y Co n v e r s i o n f o r M a i n S i nt e r i n g Fa n WANG Xi a oh o n g． BI AN Me iz hu I r o n一 O p e r a t io n ． o fR a r e E a r t h S t e e ／ Ha t e C o ． o f ， 0 1 1 0 ， N e i M o n g g o l ， Od n a Abs t r a c t I n t h e p a p e r ， t h e d e s i g n o f t h e a u t o ma t i c c o n t r o l s y s t e m f o r t w o 5 0 0 m ma i n s i n t e r i n g f a n s o f s i n t e r i n g ma c h i n e i s i n t r o d u c e d i n d e t a i l ． T h e 6 k V h i g hv o l t a g ee q u e n c y c o n v e r s i o n o f a s y n c h r o n o u s mo t o r a n d a u t o ma t i c c o n t r o l s y s t e rn o f P L C a r e a d o p t e d i n t h e d e s i g n， w h i c h c o u l d s a t i s f y t h e a d v a n c e d p r o d u c t i o n r e q u i r e me n t s o f s i n t e r i n g ma c h i n e s ． Ke y wo r d s ma i n s i n t e r i n g f a n； h i g hv o l t a g e f r e q u e n c y c o n v e n e r ； P L C 包钢根据国家产业政策和 自身发展的需要， 在 本部新建 2台 5 0 0 m 烧结机 ， 其 配套设施烧结 主抽 变频控制系统设计为一个综合 的 能控制过程 ， 包 括先进的设备及工艺， 其核心内容一主抽系统工艺 数学模型的实现是极为复杂的控制过程 ， 成 为该 系 统的特色。 1 先进 的设备 1 ． 1 选型 烧结矿作为高炉生产的重要原料之一 ， 其质量 的好坏直接影响着高炉生产的顺行 ， 而生产 出高质 量的烧结矿 ， 关键是要控制好焙烧炉 内的气流 和气 压 ， 这是主抽风机 的任务。以前焙烧炉 的风 是通 过控制主抽风机风门的开度来调节 ， 这样 ， 不镗需要 多大风量 ， 风机始终 以最高速度连续 运转 ， 这样运 行 ， 不仅耗能， 而且 ， 气流和气压 也很难得到精确控 制 ， 导致烧结矿 的质量不稳定 。在新建的烧结主抽 风机 自动控制系统中， 采用高压异步电机变频调速。 变频器选用西门子罗宾康系列 6入 6出型及其配套 设施 。其结构是 6 k V输人 ， 经变压器降压 ， 移相得 到中压， 再经过二极管实现多脉冲整流、 稳压， 再经 过 I G B T逆变 、 电压叠加得到 6 ． 3 k V高压交流电源， 实现变频控制 目的 ， 变频器采用功率单元 串联 ， 叠波 增压。 鉴于高压变频器对环境温度及粉尘含量要求 较高 ， 同时满足系统先进性要求 ， 降低运营成本 ， 选 用了与高压变频器配套使用的空一水 冷系统 ， 该系 统真正实现了高效 、 环保 、 节能 ， 且维 护量低 ， 满足 了设备稳定、 可靠运行的要求。 收稿 日期 2 0 1 3 0 81 9 作者简介 王晓红 1 9 7 2一 ， 女， 河北省涿州县人， 电气工程师， 现从事自动化维护工作。 5 8 包钢科技 第 3 9卷 1 ． 2 功能 1 风机需要采用变 频风机 ， 以便在 调速范 围 内风机能稳定可靠运行， 同时需要风机在调速范围 内的特性曲线， 以便于系统的调速控制。 2 电机需要配合变频器及 风机 的调节范围的 要求， 满足变频输出的同时， 需要在风机可能的调速 范围内稳定运行 。 3 变频器需要满 足风机 、 电机 的实际调节要 求 ， 实现电机软启动和软 自动 ， 同时要满足电网对其 的要求 ， 需要规范其谐 波含量 、 功率 因数 、 以免对 电 网的污染。同时也需要求对 其预充 电回路进行控 制 ， 以免其充电电流过大引起系统跳闸。 4 考虑到系统的可靠性 ， 对变频系统采用适 当的旁路功能。罗宾康有内部单元自动旁路冗余系 统保证整个系统在局部故障时仍能正常工作。同时 考虑一台变频器故障时系统运行的可能， 因此需要 有适当的切换单元 以便切换到工频状态下运行 。 2 先进的工艺过程 1 对变频器及风机系统 的控制需要有手动和 自动控制功能， 同时要考虑与主工艺系统 的通讯 ， 需 预留相关 的通讯接 口 以太 网 ， 以及 系统 的兼 容 性 。 2 主抽风机系统 的节能最主要体现在风机的 运行状态与烧结 系统 的风量 、 负压需求相匹配。因 此我们需要通过一些复杂的检测 、 计算等控制手段 得到系统对风量 、 负压的需求 ， 从而通过其调节控制 主抽风机的速度 。 3 风量 的大小是影响主抽能耗 的重要 指标 ， 因此对烧结机及其管路系统的漏风控制非常重要 ， 如果漏风过大 ， 主抽变频毫无意义。 4 影响系统能耗 的另一个重要 因素即系统负 压 ， 系统负压的产生主要和系统阻力和风量有关系 ， 系统的阻力又与原料成分 、 配 比、 混合成球性及加水 控制而形成的} 昆 合料的透气性密切相关。 3 先进的过程控制 3 ． 1 主抽 系统调节的详细内容 3 ． 1 ． 1 概 述 烧结主抽系统控制非常复杂 ， 其 自动控制主要 目的就是使其状态与实际工况相吻合 。其 电耗损失 主要体现在风量和系统 阻力上 ， 其风量 的无效部分 占比例相当大， 无效风量主要由以下几部分构成 ① 无效负压产生的多余风量。②烧结终点后风箱放走 的风量。③烧结机主抽系统 可控范围外 漏风 包 括台车及管道系统、 电除尘等 。④由于配 比不恰 当而添加的过多的燃料燃烧所需求的风量。 烧结主抽风机变频控制系统通过对烧结主抽风 机进行控制， 达到使主抽风量与实际需求吻合的目 的 ， 在保证烧结矿的产量和质量条件下 ， 使烧结主抽 风机处于最佳 的节能状态下运行。 3 ． 1 ． 2具体 内容 主抽 系统调节主要分为两个部分 ， 第一部分 为 主抽变频调速 自适应控制系统 ； 第二部分为烧结终 点出现偏差时的主抽系统闭环嗣节。 1 主抽变频调速 自适应控制系统调节 。此系 统根据料层阻力分析模型分析物料状况并对烧结终 点位置进行确定 ， 分析在该物料条件下物料焙烧所 需的垂直烧结速度 ； 风量有效性分析模型对 烟道风 量有效性进行判断 ， 从 而得 出该种物料条件下 满足 烧结终点位置所需风量 ； 烧结主抽系统阻力分 析模 型实时分析烧结过程中各管道阻力信息， 并建立数 据库信息， 从而得出所需风量条件下主抽所需提供 负压 ， 根据负压和风量及根据风机特性从而对主抽 变频电机频率进行确定 ， 使得在保证烧结终点位置 的前提下对主抽变频风机 电机频率进行确定 ， 在满 足烧结矿质量的前提下尽可能减小电能消耗。 2 烧结终点偏移系统微调 。当烧结终点检测 模型发现烧结终点发生偏移后 ， 系统通过分析烧结 终点偏移大小并结合风量检测及修正模块检测到的 风量信息， 根据阻力、 风量 、 负压建立起来的算法对 其所需调节的主抽负压 、 频率大小进行调节 。 3 ． 2 变频 系统控制主流程 生产计划管理一设定烧结矿产量 控制烧结机 料层厚度及烧结台车速度一控制变频器输出控制风 机转速一主抽风机风量一烧结系统在高效稳定的状 态下运行 。 烧结矿产量与烧结机料层厚度 、 烧结 台车行 进 速度的关系， 可通过对相关数据进行处理分析， 计算 出优化的料层厚度 、 台车厚度参数 ， 并反馈于烧结主 抽风机变频控制系统进行参数设置更新 。 立鼬系统是一个复杂程度非 常高 的系统 ， 有大 量的影响参数， 如料层厚度、 风量 、 烧结机的管道特 性、 烧结烟道温度、 原料的配比、 原料的透气性等等。 根据软件设 计模块化原则 ， 在主流程的基础上 ， 将其 他相关的参数、 先进的可靠的智能的控制算法如同 第 6期 烧结主抽风机变频自动控制系统特点 5 9 搭积木一样的加在控制主流程上， 以实现对烧结主 抽风机快速有效精确地控制， 使整个烧结系统稳定 高效 的运行 。这种设计方式 ， 既保证 了控制软件 的 控制功能与效果 、 又保证 了软件的灵活性和兼容性。 3 ． 2 ． 1 系统能耗分析及烧结产量决策管理模块 在采用主抽风机变频 自适应控制系统的烧结过 程中， 根据各种产量下的能源消耗建立模型 ， 能根据 生产情况找到最优节能产量 ， 在此产量模式下 ， 固体 燃料与电能消耗最小 ， 为生产管理提供决策指 导。 物料平衡分析模块的作用是通过输入烧结机产 量确定系统物料量， 建立物料平衡模型， 从而确定环 冷风机 、 余热回收、 混合机 、 环境除尘系统、 气体燃 料、 压缩空气 、 循环水系统的主要控制参数。 在烧结工艺过程 中， 为实现烧结机系统与配料 系统的物料平衡， 系统通避对混合料槽的实际排出 量进行软测量， 采用先进均数据挖掘算法获得混合 料密度， 进一步获得混台科排出量。模型充分结合 混合料槽 的料位存量 ． 老控制配料系统的上料量 ， 实 现配料系统上料量的 全 自动化， 即能确保上料系 统的相对平稳 ， 也能 时实现上料 系统与烧结机系 统的用料变化的 自动匹配。 3 ． 2 ， 2风机 转速 的控 制过 程 1 系统漏风分 析模块用来 对管道漏风 、 大烟 道漏风及风箱漏J x 1 - 进行分析计算 ， 作为 主抽风量的 辅助参数 ， 汁算风机的总风量 。 2 料屡阻力分析模块可I 对不同工况、 不同 位置烧结 台车物料料层阻力进行分析 ， 建立阻力、 负 压、 风量关系模型， 从而得出不同料层阻力条件下的 负压及风量需求， 用于烧结系统阻力分析。 3 烧结主抽系统阻力分析模块实现对主抽系 统阻力进行分析计算。 建立主抽负 、 主抽风量及阻 力之间关系模型。 4 风量有效性分析模块根据 生产实 际情况对 主抽风量 中有效部 分进行分 析与计算 ， 用于确定风 量需求 。 3 ． 2 ． 3 控制算法。 1 在风机启动和变速 的过程 中， 由于 电流过 大， 启动力矩过大， 容易对电力网络造成损害， 或者 对风机机械设备造成不可逆转 的损害。风机启动安 全控制模块和风机 调速 速度限制安 全模块 ， 可根据 机械力矩和电网校 验设定启动 时间斜率 ， 保证启 动 对机械设备和电网不造成任何损害。 2 主抽风机自动控制系统模块可根据实际生 产数据进行分析与计算， 对主抽系统进行综合 自动 控制调节， 使之工作在最佳节能状态。烧结主抽控 制需首先确定负压 和风量 的需求 ， 根据风机特性 曲 线负压和风量需求情况设定风机的工作点 、 根据工 作点给定风机的速度和风门的开度。选择工作点时 严格避开共振区域。 3 针对双 风机烧结系统 ， 由于风机的不平衡 运行 ， 出现互相抢风的现象 ， 导致整个抽风系统发生 振荡和波动。采用双风机平衡模块 ， 能 自动的对风 机运行状态进行调整 ， 使两台风机工作在平衡运 行 状态。 4 工况点负压和风量分析模块可根据有效风 量需求情况及系统阻力分析系统工况点负压及风量 需求 ， 与烧结主轴阻力分析模块 、 风量有效性分析模 块控制主抽 系统调节。 3 ． 2 ． 4控制算法的辅助优化 1 B T P烧结终点分析模块 ⋯。该模块设置有 物料温度检测装置 ， 对烧结终点进行检测 ， 通过分析 实际烧结终点情况决策调节措施， 保汪烧结终点在 合理的位置。模型通过对烧结状态的检测与诊断， 获取当前的烧结终点 B T P 的状态 ， 包括烧结终点 的位髓和温度。分析温度上升区域的状态以及发展 趋势 ， 预测烧结终点的状态与变化。采用 自学习技 术不断优化、 修正这一预测分析模型， 提高其 可靠 性 、 正确性 ， 确保下一步控制调整 的有效性 ， 模型适 当给出燃料配比调整建议 。 模型是通过稳定烧结机速度采 用微调主抽风机 速度， 控制烧结过程的垂直烧结速度来实现烧结终 点的控制。系统分析台车分块数据的预计烧透时 间， 根据 B T P设定值、 B T P位置的上下限值， 计算出 风量和负压需求 ， 从而 分析主抽风机大致设定速度 和风门开度 。当然系统也结合 B T P的实际温塞米 适 当修正这一计算值 。 为防止主抽风机速度发生大的波动 ， 以及频繁 的改变 ， 系统采用模糊离散处理技术。另外 ， 模型中 会根据风机特性 曲线增加一些专家规则来优化主抽 风机速度的控制 。 2 风量测量及修正模块。设置有风量检测 仪， 对大烟道风量及风箱风量进行检测， 并需对数据 进行修正， 以保证风量数据的真实性， 用于建立专辑 数据库， 怍为主抽系统调节时的工况风量参数。 3 负压的测量及修正模块。设置有负压检测 仪 ， 对主抽负压及大烟道负压进行 检测并对检测值 包钢科技 第 3 9卷 进行修正 ， 以保证负压数据的真实性 ， 用于建立专家 数据库， 作为主抽系统调节时的工况负压值 。 4 负压 与终点 闭环调节模 块。在烧 结过程 中 ， 风箱负压是极为重要的参数 ， 直接关系到烧结质 量和烧结速度。通过采集负压与终点的数据 ， 进 行 分析和计算 ， 对主抽风量进行 闭环调节 。 3 ． 2 ． 5安 全 运行 [ ] 1 电源系统监控模块 ，、对 电源系统进行实时 监控 。当发生故障时 ， 发出报警信号 ， 并记 录故障信 息。 2 切换系统模块 。根据生产及设备状态实际 情况， 对电源系统特别是变频工频旁路进行切换控 制 ， 并 自动记录操作动作与授权信息。 3 数据存储模块 。可根据需要将 各种实时数 据导人到数据库中， 以供历史查询和数据信息分析 与挖掘。 上述模块是工艺数学模型 ， 在上位软件 中实现。 3 ． 3 技术支持 I 主抽风机 自动控制系统分 为本地站和远程 站， 本地站和远程站之间采用冗余 网络结构 ， 采用施 耐德 1 4 0 C R P 9 3 2 0 0通讯模块。工程师站、 模型服 务器 、 远程操作站放置在中控室 ， 通过光 口交换机 、 光纤 与本地操作站通讯。C P U选用施耐德 1 4 0 C P U 6 7 2 61。 一l 位j 盘控软件平 台采用高性 能专业 监控 软 件 V ij e o C i te c t ， 完成主抽系统的运行控制 、 故障诊 断、 设备管理， 通过远程通讯， 完成系统组态、 各项控 制操作 、 修改参数 ， 达到基础级 、 过程级 、 计算机 三电 一 体 。主抽风机 自动控制系统实现对整个主抽风机 及相关的系统 的控制和监视 ， 系统 的切换 由系统 分 析判断发出切换指 令由西 门子 C MA C的 P I C来 具 体执行 ， 主抽风机 自动控制系统还监视和 记录事件 过程、 主抽 自控 系统到西 门子 C MA C P L C之 问采 用 D P通讯 ， 通讯模块选用西门子 C P 3 4 25 。 2 主要检测及仪表测量。通 过风门 、 风箱阀 门、 冷风吸人阀执行机构实现相关阀门开度的调节 ， 由主抽风机 自动控制系统 的 P L C来具体执行 ； 大烟 道及 前部 1 6个风箱采用单支热 电偶检查温度 ， 后部 9个风箱采用多支型热电偶每个截面测量 7个点温 度 ， 保证测温的准确性及 B T P烧结终点分析。根据 烧结机各风箱温度 的测量值 ， 通过运算得到实时的 烧透点的位置及 B T P温度并判别 B T P位置的适 当 与否， 发出指导信息在操作站的 L C D上进行显 示 ， 系统通过对数据进行分析处理调节主抽负压及垂直 烧结速度并指导操作人员调节烧结生产 ； 烧结台车 料层厚度控制 ， 本 系统主要根据分 析不 同的层厚及 产量的能耗情况 ， 摄据节能运行条件给出层厚参数 ， 具体的层厚控制执行由烧结仪控系统完成； 各风机 入口选用热式气体质量流量计作为风量检查仪表， 其数值用于主抽风枫的调节控制 ； 各风箱负压 、 大烟 道负压 、 风机入 口负 采用差压变送器 用于负压检 测仪表 ， 对主抽负压及大烟道负压进行检测并对检 测值进行修正 ， 以保证 风箱负压 、 大烟道负压 、 风机 人 口负压 ， 用于建立专家数据库并指导烧结 主抽 系 统调节； 采用烟气分析仪 对大烟道烟气成分进行实 时监测， 从而分析焙烧过程中氧气消耗等状况 ， 减少 烟气排放对环境的影响及 于烧结 主抽 系统调节 ， 通过分析烟气成分中氧气和一氧化碳的含量判断调 节 主抽 系统有效风量给定值 ； 物料透气性对主抽 控 制及能耗有很大影 响， 能够测量 及判断物料的透气 性对主抽控制具有很 大意义。透气性 分析仪， 对料 层透气性进行检测 分析 ， 并建 i - 同透气性与负压 及风量之间关系模 型， 分析 同透气性条件下料层 风量及负压需求 ， 有利于主抽 的系统调节 。 4 结 束 话 先进 的 备、 工艺以及在过程控制 中增加 的主 抽控制系统数学模 型， 能够实时调整 主抽风机相关 参数 ， 保 证主抽系统节能运行 ， 可靠性高 、 稳定性好 、 动态响应快 ， 为烧结生产零废品的最终 日标 打下 了 基 础 [ 2 ] 参考文献 范晓慧， 王海 东． 烧 结过程数学模 型与人工智 能[ M] ． 长沙 中南大学出版社， 2 0 0 2 ． 戴绍基． 工厂供电[ M] ． 北京 机械工业出版 社 ， 2 0 1 0 ．