基于變頻調速和PLC的風機控制系統研究

朱秀斌

（淄博職業學院，淄博 255314）

0 引言

當今社會，風機設備被廣泛的應用于鋼鐵生產企業中，傳統風機的轉速不能根據實際生產所需風量變化，而是以設定的速度運行的，這就使得很多能量被浪費了。而隨著經濟的發展，節能環保已經成為越來越被關注的問題，同時也是社會進步的基本要求。因此，必須改變傳統的風機控制方法。風機變頻調速是解決這個問題的一個行之有效的辦法，它是根據實際生產情況來調節風機轉速的，近年來這種方法在風機設計和改造中也得到了廣泛的應用[1]。

1 風機的節能機理

眾所周知，風機的工作點是由風機的工作特性曲線和管網的特性曲線共同決定的，設此除塵用風機原工作點在2 N 點，如需減小流量，可采用閥門控制和變頻調速控制兩種方案來實現。現以除塵改造工程用風機為例，根據管網特性曲線來分析風機的實際工作點，如圖1 所示。

用閥門控制減小流量時要關小閥門，此時，管網阻力增大，管網特性曲線從1到2，風壓從H1上升到H2，流量從Q1減小到Q2，風機的工作點從N1點移到N2點。

用變頻調速控制時，則可以改變風機的轉速，而機械閥門開度不變，管網特性曲線也不變。風機的工作特性取決于轉速，如果把轉速降低，風機特性曲線將從3到4，風機工作工作點將從N1點轉移到N3點，風壓從H1下降到H3，流量從Q1也下降到Q2。

圖1 風機變頻調速節能原理圖

以上兩種調節方式均可把流量從Q1調至Q2，但卻得到兩個不同的工作點N2和N3，對應著兩個不同的工作壓力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，用閥門控制時有△P的功率被白白浪費掉了，而用變頻調速控制時，根據風機風量、風壓及功率的比例關系，改變風機的轉速n，可使風機的流量Q、風壓H和功率P都隨之相應的改變，其關系式為：

式中n1、Q1、H1、P1分別是條件改變后的風機的轉速、風量、風壓、功率。由以上關系可以看出，改變風機的轉速，就可以改變風機對應的風量、風壓及所耗功率，以滿足除塵風量系統的要求。由式（3）可知，風機消耗的功率是按照三次方的關系下降的，因此節能效果非常顯著。而且由于風機的效率隨轉速變化不是很大，因此，當轉速變化的范圍在20%左右時，可以不考慮效率的變化。因此，采用變頻調速法能夠很好的實現節能的目的[2～4]。

2 控制系統變頻調速的實現

鋼鐵生產除塵風機的變頻控制系統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、風機、管道及各種傳感器等，如圖2所示。

圖 2 變頻控制系統示意圖

變頻調速控制系統采用負壓反饋變送器、可編程序控制（PLC）、變頻調速器、風機、電機、變頻設定、風量控制、數據顯示和流量積算儀等組成，除此之外還包括上位控制系統HMI。

當變頻器帶動電機、風機起動后，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壓力信號，通過編制相應的PLC程序，PLC把讀過來的信號通過程序本身進行相應的比較和運算，由上位系統HMI按照智能PID 控制器的控制原理給PLC輸出一個電信號，由PLC來進行A/D轉換，輸出一個電信號（模擬量和數字量）來進行變頻器的啟動/停止和頻率給定，從而改變電動機的運行頻率和電壓，既而改變風機的轉速。這樣就構成了以管網壓力跟蹤煙塵量為標準的閉環反饋控制系統。

除塵系統變頻器大部分時間內是運行在變頻調速狀態，因為在工況運行的情況下，滿足了在煉鋼加料過程最大風量的要求，但是也造成了風量的富余，能量得到了極大的浪費。鑒于此，煉鋼過程中，變頻器始終運行在變頻調速狀態，通過控制管網負壓的方式實時跟蹤煙塵量，達到了好的節能效果。系統軟件采用模塊化程序設計，由主程序統一調用，主要包括初始化子程序、A/D轉換子程序、D/A 轉換子程序、風量檢測和控制子程序、算法比較子程序等[5]。

3 控制系統的硬件與軟件設計

3.1 硬件設計

在整個控制系統中，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的3501型智能負壓變送器等相關的電氣產品，此外系統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 軟件設計

變頻控制系統中，在軟件的編制上側重于變頻響應速度的問題，因此，通過現場采集生產數據并結合實際生產情況虛擬的給出對應管網的壓力值，并且采用相應的仿人智能PID控制算法，提高了自動控制系統的穩態性能、響應速度，提高了變頻系統的效率，起到了很好的效果。

為了簡化編程應盡可能將共性的部分如風機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程序、碼表程序等，應將其編入子程序，通過在主程序中周期的掃描，從而讀取對應的子程序，而這個時候，由于在主程序中直接加入了風機加減速脈沖掃描程序、輸入輸出程序等，提高了系統的讀取速度，因為PLC程序的掃描方式是根據主程序來了，在主程序中嵌入了子程序，掃描主程序的同時在執行著子程序，但是子程序和主程序還是有一定的時間差問題的，正是利用PLC主程序的快速掃描特性，使得風機的加減速變化能夠快速的跟蹤實際數據的變化，達到實時控制和節能效果。

在變頻系統中，控制系統需要檢測的信號非常多，如實時報警信號，線路故障信號等，這些信號通常包括電機過載保護信號、短路保護信號和管網風量檢測信號等。在故障報警中，通過對故障進行相應的分類，分成重故障和輕故障，所謂輕故障即不影響整個系統的自動運行，重故障即當故障發生時，對整個系統的運行有很大的影響，比如變頻器故障、檢測信號裝置發生故障等，為了確保設備的安全，系統會退出自動運行狀態，并發出故障報警信號，要想重新恢復自動運行系統，只有等待設備維修員進行設備的維修以后，通過HMI的按鈕切換或者通過PLC 內部切換，使運行狀態在手動和自動之間切換。這樣，就解決了系統中的故障問題，同時又能保護設備和管網。

4 現場實際應用及數據結果

通過采用變頻調速控制系統，廢棄了之前的在額定轉速即工頻下運行的方式。因此，風機轉速可以實時調節。我們采集了控制系統改造之后的風機所耗電量的數據，如表1所示。

表2和表3表示控制系統改造之前的風機所耗電量，由于之前風機是以滿負荷運行，偶爾調節風機前閥，管網阻力增大，實際情況說明，除塵器阻力很大，風機效率很低，因此，風機并沒有處于最佳工作點的狀態，除塵效果不理想。加之在電爐冶煉時產生大量的煙塵，很容易將管網堵塞，尤其是在除塵管網軸流風機處，由于并行的冷卻管束直徑不大，由現場實際情況可以發現，此處很容易被堵塞，造成了能量的極大浪費，迫使風機工作點偏離最佳運行工作點。

表 1 風機4月份耗電量

表2 風機1月份耗電量

表3 風機2月份耗電量

從表2、表3所測的風機功率數據中，1～2月煉鋼風機都是高速運轉，兩個月合計用電1615740KW，月平均用電807870KWH，而改造之后的4月份除塵系統正常運行以來，按照工藝要求自動的調節變頻器的輸出頻率，月平均耗電為610940KWH，相比1、2 月節電達到：807870-610940=196930KWH，節電率達到196930/807870=24.38%。

以每臺風機每年工作7200小時計算，每年節電1969587KWH，節約電費：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速的控制系統后，不僅實際控制、除塵效果良好，而且在節能效果方面也得到了顯著的提高。

5 結束語

本文結合除塵現場管網系統設計了基于PLC的風機變頻控制系統，介紹了該系統的實現原理、軟件和硬件設計，并且將該系統應用于某鋼鐵生產公司的除塵系統中，經過實際測量發現不僅取得了較好的除塵效果，而且使風機在節能效果方面也得到了顯著的提高。

[1] 張殿印, 張學義. 除塵技術手冊[M]. 北京: 冶金工業出版社, 2002.

[2] 赫崇俊, 潘永沛. 變頻裝置控制風機風量的節電效果[J].燃燒球團, 1996, 21(5): 43-47.

[3] 齊振邦.風機變頻調速應用現狀及節能原理[J].風機技術, 2000, (3).

[4] 商景泰,等. 通風機手冊[M]. 北京:機械工業出版社,1994.

[5] P.Gnacinski. Energy saving work frequency controlled induction cage machine[J]. Energy Conversion and Management,2007(48):919-926.

[6] 宋君烈, 等. 可編程控制器原理及應用[M]. 沈陽: 東北大學出版社, 2002.