基于PLC與變頻器的煤氣加壓機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張 娟,蔡永飛,陳東華

（江蘇永鋼集團(tuán)有限公司，江蘇張家港 215600）

引言

轉(zhuǎn)爐煤氣是轉(zhuǎn)爐煉鋼過(guò)程中產(chǎn)生的副產(chǎn)物，其中CO含量約為80%～90%，是一種熱值非常高的燃料，可進(jìn)行二次回收利用的重要能源[1]。隨著煉鋼產(chǎn)能增長(zhǎng)，回收轉(zhuǎn)爐煤氣的量能指標(biāo)、控制技術(shù)也在不斷提高和優(yōu)化，因此對(duì)轉(zhuǎn)爐煤氣回收控制系統(tǒng)的深入研究具有重要意義[2]。同時(shí)轉(zhuǎn)爐煤氣的回收利用，也創(chuàng)造了顯著的經(jīng)濟(jì)效益，更是保證“負(fù)能煉鋼”實(shí)現(xiàn)的重要基礎(chǔ)，是技術(shù)革新的重要方向。

轉(zhuǎn)爐煤氣回收系統(tǒng)主要包括煤氣儲(chǔ)配柜、濕式靜電除塵器、煤氣加壓站及其他輔助設(shè)備。煤氣回收系統(tǒng)既能緩沖、平衡整個(gè)煤氣管網(wǎng)壓力，又能升壓供用戶單位使用，達(dá)到保持供需平衡，降低能耗，保護(hù)環(huán)境的目的。

煤氣加壓機(jī)作為煤氣回收系統(tǒng)的重要設(shè)備，加壓機(jī)的控制直接影響著回收系統(tǒng)的運(yùn)行效率和安全性。本文以江蘇永鋼集團(tuán)12萬(wàn)m3轉(zhuǎn)爐煤氣儲(chǔ)配站回收控制系統(tǒng)為研究背景，3臺(tái)加壓機(jī)均采用變頻器調(diào)速控制，既實(shí)現(xiàn)了恒壓供氣的控制目標(biāo)同時(shí)也達(dá)到了節(jié)能的目的。

1 變頻器的選型

電動(dòng)機(jī)通過(guò)變頻器進(jìn)行變頻調(diào)速，具有調(diào)速范圍廣、調(diào)速性能穩(wěn)定、調(diào)速曲線平滑，避免對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊影響的優(yōu)點(diǎn)，真正實(shí)現(xiàn)電機(jī)軟啟動(dòng)，對(duì)實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗、提高工藝控制水平和提升生產(chǎn)效率具有顯著作用[3]。

通用型變頻器基本上是采用V/f控制，它主要是通過(guò)保持供電電壓與供電電源頻率的比值不變，從而保證磁通量不變，獲得需要的轉(zhuǎn)矩特性。一般適合應(yīng)用于調(diào)速要求不高的風(fēng)機(jī)、水泵類(lèi)負(fù)載，而且它的控制方式、控制回路簡(jiǎn)單，成本也較低，是目前應(yīng)用最廣泛的一種控制方式。

本控制系統(tǒng)主要是實(shí)現(xiàn)煤氣加壓機(jī)的變頻調(diào)速，加壓機(jī)屬于風(fēng)機(jī)、水泵類(lèi)負(fù)載，且控制要求不太高，因此確定選用西門(mén)子通用型Micromaster 440（簡(jiǎn)稱(chēng)MM440）變頻器。而且采取一臺(tái)變頻器拖動(dòng)一臺(tái)加壓機(jī)，控制回路相互獨(dú)立。3臺(tái)變頻器工作方式為兩用一備，正常生產(chǎn)時(shí)，兩臺(tái)并聯(lián)運(yùn)行，故障時(shí)備用變頻器投入使用。

1.1 Micromaster 440變頻器容量選擇

當(dāng)變頻器獨(dú)立拖動(dòng)單臺(tái)電機(jī)時(shí)，需選擇與電機(jī)匹配、容量適合的變頻器。其選用原則是要么確保變頻器的額定工作電流比電動(dòng)機(jī)的大，要么變頻器額定功率比電動(dòng)機(jī)額定功率大，至少大一個(gè)功率等級(jí)。

變頻器容量選擇可按照連續(xù)性恒定負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，電動(dòng)機(jī)軸輸出功率的計(jì)算公式進(jìn)行推算：

式中PM—負(fù)載所要求的電動(dòng)機(jī)的軸輸出功率；

η—電動(dòng)機(jī)的效率（通常約0.85）;

cosφ—電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)（通常約0.75）;

UM—電動(dòng)機(jī)的電壓，V；

IM—電動(dòng)機(jī)的電流，A，工頻電源時(shí)的電流；

k—電流波形的修正參數(shù)（PWM方式取1.05～1.1）;

PCN—變頻器的額定，KVA;

ICN—變頻器的額定電流，A。

上面的3個(gè)公式是統(tǒng)一的，計(jì)算變頻器容量時(shí)，必須同時(shí)滿足這3個(gè)算式的相互關(guān)系。因此根據(jù)上述公式，代入回收系統(tǒng)煤氣加壓機(jī)電機(jī)相關(guān)參數(shù)：電機(jī)額定電壓380 V，額定功率185 kW，額定電流326 A，計(jì)算出變頻器額定容量值為225 kW，綜合計(jì)算值和工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)選擇額定功率200 kW變頻器，型號(hào)為6SL6440-2UD42-0GB1。

1.2 Micromaster 440變頻器電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

永鋼集團(tuán)12萬(wàn)m3轉(zhuǎn)爐煤氣柜3臺(tái)加壓機(jī)用變頻器的電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理是三相電源依次經(jīng)斷路器、接觸器、濾波器和進(jìn)線電抗器后接通變頻器。

變頻器采用端子控制和DP通信兩種控制模式，端子控制指通過(guò)硬接線接收并發(fā)送I/O信號(hào)至西門(mén)子S7-400PLC模塊。DP通信是通過(guò)在變頻器正面安裝Profibus模板，作為遠(yuǎn)程DP從站，通過(guò)Profibus-DP現(xiàn)場(chǎng)總線實(shí)現(xiàn)PLC與MM440之間的數(shù)據(jù)傳輸與控制。一旦出現(xiàn)硬接線故障或通訊故障時(shí)，變頻器及時(shí)切換控制模式后正常運(yùn)行，有效保證了整個(gè)轉(zhuǎn)爐煤氣回收系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)，在電源輸入側(cè)與變頻器之間安裝了進(jìn)線交流電抗器，以減少電網(wǎng)電壓波動(dòng)對(duì)變頻器的影響。

2 煤氣加壓機(jī)變頻控制功能的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本控制系統(tǒng)組態(tài)了由監(jiān)控操作層與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層組成的兩級(jí)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。分別采用工業(yè)以太網(wǎng)和PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線組成混合型通信網(wǎng)絡(luò)體系。 編程軟件采用西門(mén)子Step7 V5.5，監(jiān)控組態(tài)軟件是基于Windows操作系統(tǒng)下的WinCC V7.0，以完成煤氣加壓機(jī)控制程序編寫(xiě)和人機(jī)界面組態(tài)。

PLC硬件系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1，系統(tǒng)控制單元采用CPU414-2DP作為DP主站，CPU內(nèi)置DP通訊接口，DP接口通過(guò)Profibus總線與遠(yuǎn)程分布式I/O設(shè)備ET200M和MM440構(gòu)成單主-從結(jié)構(gòu)的DP總線網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)通過(guò)CP443-1通訊模塊與上位機(jī)組態(tài)以太網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)。

圖1 PLC硬件總體結(jié)構(gòu)框圖

2.2 MM440變頻器本地 /遠(yuǎn)程控制的參數(shù)設(shè)定

對(duì)于轉(zhuǎn)爐煤氣回收系統(tǒng)變頻器的端子控制，通訊板CB控制模式的切換，本文采用本地遠(yuǎn)程控制模式加以實(shí)現(xiàn)。從加壓機(jī)變頻器電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)的接線圖可知，數(shù)字量輸入3（DIN3）作為切換源，通過(guò)與P0810連接，確定讀入位0的輸入，用于選擇命令數(shù)據(jù)組CDS，在CDS0和CDS1兩組參數(shù)中分別設(shè)置不同的給定源和命令源，從而實(shí)現(xiàn)本地（端子控制）和遠(yuǎn)程（通訊板CB控制）的切換。其控制邏輯框圖見(jiàn)圖2所示，詳細(xì)參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表1。

圖2 控制邏輯框圖

表1 MM440本地/遠(yuǎn)程功能實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)置

2.3 基于PLC與變頻器的通訊程序設(shè)計(jì)

在熟悉工藝流程基礎(chǔ)上，結(jié)合整體方案設(shè)計(jì)要求和模塊化、結(jié)構(gòu)化編程思路，所設(shè)計(jì)煤氣回收系統(tǒng)用戶程序主要包含OB1主循環(huán)程序組織塊，主循環(huán)程序?qū)C、FB等子程序按設(shè)定周期進(jìn)行循環(huán)掃描。其中實(shí)現(xiàn)加壓機(jī)變頻通信控制的核心程序FC47、FC48嵌套調(diào)用主從站通信數(shù)據(jù)傳輸?shù)南到y(tǒng)功能SFC14、SFC15，實(shí)現(xiàn)PLC與傳動(dòng)之間的數(shù)據(jù)讀寫(xiě)功能，通信數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在DB47、DB48中。

2.3.1 MM440變頻器數(shù)據(jù)讀/寫(xiě)程序設(shè)計(jì)

調(diào)用 SFC14和 SFC15完成對(duì) MM440變頻器數(shù)據(jù)的讀寫(xiě) (以1#加壓機(jī)變頻器為例)。其中SFC14（“DPRD_DAT”）用于讀 Profibus 從站（變頻器 MM440）的數(shù)據(jù)；SFC15（“DPWR_DAT”）用于將數(shù)據(jù)寫(xiě)入 Profibus從站（變頻器 MM440）。

S7-400與mm440通訊讀寫(xiě)程序如圖3所示。

圖3 MM440變頻器數(shù)據(jù)讀/寫(xiě)程序

2.3.2 MM440變頻器啟/停的控制實(shí)現(xiàn)。

控制程序如圖4所示(以1#加壓機(jī)為例)。程序中控制命令賦值W#16#47F，表示啟動(dòng)變頻器運(yùn)行。

圖4 MM440變頻器啟/停控制

2.4 加壓機(jī)變頻控制畫(huà)面設(shè)計(jì)

加壓機(jī)變頻控制畫(huà)面如圖5所示，在冷卻風(fēng)機(jī)電源正常的條件下，在畫(huà)面上點(diǎn)擊“冷卻風(fēng)機(jī)啟動(dòng)”，這時(shí)加壓機(jī)才具備了啟動(dòng)條件，另外當(dāng)柜容低低時(shí)聯(lián)鎖停加壓機(jī)。加壓機(jī)變頻控制設(shè)有通訊控制（通訊板CB）和硬接線連接兩種控制方式，通過(guò)機(jī)旁箱轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)進(jìn)行切換。通過(guò)監(jiān)控畫(huà)面設(shè)計(jì)，能遠(yuǎn)程控制加壓機(jī)的啟停和頻率調(diào)節(jié)，并實(shí)時(shí)了解設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，保證生產(chǎn)穩(wěn)定，減少故障誤時(shí)。

3 總結(jié)

本控制系統(tǒng)采取了MM440變頻器、S7-400PLC、PROFIBUS DP總線、WINCC7.0與 STEP7 V5.5相融合的方式，充分發(fā)揮了各自的優(yōu)勢(shì)，目前已成功應(yīng)用于永鋼12萬(wàn)m3轉(zhuǎn)爐煤氣儲(chǔ)配站回收系統(tǒng)的煤氣加壓機(jī)控制。變頻器采用端子控制和DP通信雙重控制方式，確保了煤氣加壓機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和安全性，顯著提高了煤氣回收的控制技術(shù)及平衡利用率，為公司創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

圖5 加壓機(jī)變頻控制畫(huà)面