摘要：分析煤气加压风机的工艺流程，利用变频调速技术对煤气加压风机进行控制，采用西门子S7-300 PLC配合Wincc工业组态控制技术和模块化的设计方案，对工业煤气加压风机的运行状态进行连续在线的测量与处理，为煤气加压风机的安全、经济运行提供有力保障。
关键词：煤气加压风机；变频调速；PLC；组态控制；控制系统等。
0 引言
煤气加压风机是活性石灰套筒窑核心设备，属于长时间运行设备，其作用是将煤气柜的煤气加压送到活性石灰套筒窑作为燃料。交流变频调速技术是当今节能降耗、改善工艺结构，以提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种主要手段。 采用变频调速系统直接控制煤气加压风机的转速，并应用PLC与压力传感器构成煤气出口总管的PID闭环自动控制系统，可实现电机根据负荷的变化而变速运行，自动调节煤气流量和压力，既满足了生产需要，又达到了节能降耗和提高控制水平的目的。
1 西宁特钢活性石灰套筒窑煤气加压风机运行特性和控制工艺分析
1）加压风机系统设置2 套，1 开1 备。
单台风机联锁控制
1.1轴承温度大于90℃报警, 大于80℃停机.
1.2定子温度大于140℃报警, 大于145℃停机.
（以上内容需风机厂确认）
2)用电动调节蝶阀控制。
3)压风机进口管压力低于1KPA 时，系统报警，操作室远程手
动打开回流管上的电动调节蝶阀一定开度（具体根据现场调试确定）；
当加压风机进口管压力低于0.7KPA时，程序自动将回流管上的电动
调节蝶阀全开；当加压风机进口管压力低于0.5KPA 时，系统自动停
机。
4)根据窑的产量、热值自动计算出套筒窑所需煤气的流量，通过出
口管上的流量孔板反馈，自动通过回流管调节电动调节蝶阀的开度，
达到所需流量；并需保证加压风机出口管压力在17~19KPa 之间，当
单台加压风出口管压力低于17KPa 时，系统报警。
5)当出口总管压力大于19KPa 时，回流管调节阀逐渐打开；当出口
压力大于21KPa 时，系统报警；当出口压力大于23KPa 时，系统自
动停机。
6)风机的启动
煤气管道设置完成；
进口电动蝶阀及回流管电动调节蝶阀关闭；
进管压力不低于1KPA;
风机5HZ 启动，延时10S 后依次打开进口管电动蝶阀，出口管电动
蝶阀及回流管电动调节碟阀；
7)风机停止
除上述涉及的系统自动停机情况外，当窑所有烧嘴熄灭时，应立即电
话通知加压机控制室，并使系统停机。
停机步骤：同时自动全部打开回流管电动阀，关闭进出口管阀。
8)冷却水进口总管压力低于0.1MPa，系统报警。
9)氮气减压后压力高于60KPa，系统报警。
2 西宁特钢活性石灰套筒窑煤气加压风机系统设计
1）加压风机系统电气设计
系统电气设计
电源条件
— 动力电源电压：AC 380V 3P＋N+PE 2路 320KW电源
— 控制电源电压：AC 220V
— 频率： 49.0~50.5 Hz
— 三相五线制： （TN-S）
— 电压波动范围：380V＋10％～-15%
西宁特钢活性石灰套筒窑煤气加压站有两台MZ400-2800煤气加压风机，平时采用一运一备方式。根据实际工况要求设计主回路电气结构图，双电源转换柜选用施耐德WATSGM-800/4双电源转换开关确保煤气加压站供电正常，现实主备电源快速切换。变频柜采用ABB ACS800-04P-0400-3+P901变频器。
2）自动化网路设计
控制系统由主控PLC、触摸屏、上位机组成。其中主控系统采用西门子S7-300PLC、上位机监控选用SIEMENS Wincc软件、触摸屏采用SIENEMS MP277 10.4‘寸真彩屏。通讯网路在底层采用Profibus DP总线，主控PLC，触摸屏和上位机监控系统采用以太网通讯。西门子S7-300PLC作为整个系统的控制核心，处理人机界面对系统的各种请求，对整个系统的参数进行监控，实现对集气管压力的PID调节，维持管网的压力恒定。上位机系统采用用户熟悉的wincc监控软件，与PLC的连接采用以太网方式。触摸屏采用安全稳定的SEMENS MP27710.4‘寸真彩屏，与PLC的连接采用以太网方式。配置上： S7-300选用315-2 DP，并配置CP341-1T 以太网模块，以太网模块CP343-1T用于和触摸屏以及上位机的以太网连接。
控制网络具有如下特点：良好的稳定性、扩展性、软硬件的开放性以及友好的人机界面，操作方便。
图1
3）软件设计
上位机系统选用SIEMENS公司生产的Wincc软件。该软件具有友好的人机界面，支持以太网络。可以很方便的实现远程监视等功能、报表、报警功能强大，支持OPC，支持多种型号的PLC通讯。触摸屏系统选用SIEMENS公司生产的WinCC flexible 2008软件、可以很方便的实现场级的人机互动。
S7-300 PLC采用Step 7软件编程。软件采用模块化编程方式，把系统的各个工作编成一个个功能块，在一个OB中调用，方便易用，便于用户理解修改。支持梯形图、语句表。采用一些容错程序设计，加强系统的稳定性。
4）系统设计
4.1两台鼓风机无扰动切换控制
当1#鼓风机变频运行，要停机检修变频器或风机时，投入2#鼓风机。操作先启动2#鼓风机，同时停1#变频器。由于机前压力实现PID闭环控制，使得1#变频按照设定的减速时间，平滑停车，进口阀门流量缓慢减小。相反，2#鼓风机按照设定加速时间，转速平滑上升，进口阀门流量缓慢增加。这样保证机前集气母管压力恒定，实现两台鼓风机无扰动切换，解决原控制系统下两台鼓风机切换时产生的系统管网压力发生剧烈波动的问题。（详见系统流程图）
图2
4.2 PID 控制的实现
A. PID被控量的确定
PID控制属于闭环控制。将被控量的监测信号（即有压力传感器检测到的实际值）反馈到PLC或变频器，与被控量的目标信号相比较，判断是否达到预定的控制目的。若没达到则根据两者的差值进行调整，直到达到预定的控制目的为止。
煤气加压风机的操作，首先要保证煤气柜有充足的煤气，煤气加压风机的抽吸量取决于煤气柜的煤气量和活性石灰套筒窑的生产需求量。加压风机的操作要根据风机出口总管的压力情况而定。风机出口总管压力直接来自于风机出口压力的变化，因此取风机出口总管压力作为系统控制参数，有利于活性石灰套筒窑操作和系统的稳定。
B. 系统变频调速的基本原理
交流异步电动机的转速公式为
n1=60 f1/2P （1 ）
由式（1）看出，电源频率f与转速n成正比。即改变频率可改变电机的转速。
异步电机转速n与同步转速n1存在一个滑差关系
n=n1（1－S）=60f1/2P（1－S） （2 ）
由式（2）可知，可通过改变f1、P、S其中任意参数实现调速，对异步电机最好的方法是改变频率f1，实现调速控制。
实际上多数变频调速场合是用于额定频率以下 ，低频时采用的补偿都是为了解决低频转矩的下降，其采用的方法多种多样，有矢量控制，直接转矩控制等。其作用主要是动态地改变低频时的变频器输出电压、输出相位或输出频率，利用电路和电脑技术，实时地改变异步电机的输出特性。
煤气加压风机变频调速系统的基本原理见图3现场信号经压力传感器反馈给PLC，其给定值根据工作实际情况而定，利用PLC的功能块，PID调节器，经调节器PID常规运算后，输出给变频器，变频器通过改变煤气加压风机电机的转速来调节煤气的流量和压力，从而实现煤气出口总管的单闭环PID控制，有助于煤气管压力的稳定。
图3
在煤气加压风机系统中采用变频调速运行方式，可根据负荷的变化自动调节风机的转速，解决了“大马拉小车”的问题，为降低生产成本，延长设备使用寿命，节能降耗，减轻劳动强度，改善工作环境开创了新的途径。
C. PID 控制过程
煤气加压风机变频调速系统的基本要求是保持出风机出口总管压力的恒定。系统的工作过程：设 Xт为目标信号设定值，其大小与所要求的煤气总管压力相对应，XF为压力传感器的反馈信号，则变频器的输出频率fx由Xт－XF决定。
若煤气总管压力P超过了设定值，则XF＞Xт，且Xт－XF＜0，则变频器的输出频率fx减小，电机转速降低，煤气总管压力P减小，直至与所要求的设定值大小相等为止。
反之，若煤气总管压力P低于设定值，则XF＜Xт，X т－XF＞0，则变频器的输出频率fx增大，电机转速增加，煤气总管压力P增大，直至与所要求的设定值大小相等为止。
D. PID 控制的实现
通过PLC的PID功能块完成初冷气前吸力的单闭环控制，同时建立变量表，用于PID的参数整定和修改。编程语言采用梯形图实现各种逻辑顺序控制和初冷气前吸力的闭环控制等。软件流程见图4。
图4
整个系统控制的关键是保持煤气总管压力给定值在工艺要求上。正常情况下，煤气总管压力，一般不需要改变。但是，当石灰窑燃料不足，在系统控制下对应蝶阀的调节机构关闭到终点时，计算机控制将自动修改煤气总管压力的参数设定值，改变变频器的输出频率，从而相应改变煤气鼓风机的转速，进而改变煤气总管压力，保证石灰窑的正常生产需要。
对于压力、流量等被调参数来说，对象调节通道时间常数T0较小，而负荷又变化较快，这时微分作用和积分作用都要引起振荡，对调节质量影响很大，故不采用微分调节规律。因此，煤气总管压力自动调节控制、小循环阀自动调节都采用PI调节。P值越大，比例调节作用越强，I值越小，积分作用越强 。
系统中风量（压力）控制自动化，降低劳动强度和故障率；运行参数观测直观，可同时显示压力、频率、转速、电压、电流、转矩等运行参数；管道阀门全部打开，大大降低调节门损失。
E. 压力传感器掉线控制
对于一些可靠性要求非常高的控制系统，被控对象提出多点采集的理论，因此在机前母管上取两个压力采集点。把这两点的压力值送入PLC S7-300中比较，如果差值大于某个值，就认为压力值小的传感器故障。这样保证采集压力值的准确性，从而保证系统可靠性。
F. 热电阻传感器掉线控制
对于一些可靠性要求非常高的控制系统，温度是系统的一个重要参数。根据Pt100热电阻的工作原理，如果Pt100热电阻由于某种原因断线了那么这是电阻无穷大温度瞬间到达最大值对于那些温度不能超过设定值的设备就可能引起设备跳闸，引起系统不必要的停车。在PLC S7-300中可以对Pt100热电阻温度信号进行处理，如果温度值大于某个值，就认为Pt100热电阻传感器故障。避免不必要得停车，从而保证系统可靠性。
4.3 紧急故障预案措施
加压风机变频控制系统在现场设计有就地操作箱。在控制系统瘫痪情况下，操作转换开关，通过硬连接线停止变频器，以防止事故扩大。例如：Profibus总线电缆故障了，加压风机处于失控状态，机前压力靠风机惯性缓慢减小，这时控制系统会发出声光告警，报通讯故障，需要人工迅速干预迅速处理故障。
4结束语
用变频器控制加压风机，实现加压风机机出口煤气总管压力恒定控制，大大改善了石灰窑生产及现场环境，完全达到了生产工艺要求。PLC控制技术、PROFIBUS总线技术和变频技术的完美结合，使得集成自动化程度高，运行稳定，操作简单，节能高效明显等优点。解决了两台加压风机并列运行靠调节回流阀无法实现压力恒定和相互无扰动切换，这个石灰窑生产的难题。
石灰窑加压风机变频器控制系统的成功应用，对于改善环境、提高煤气利用率，保证煤气柜不被抽成真空，都具有很高的经济价值，值得推广。
参 考 文 献
[1] 杜振慧.变频调速装置在煤气鼓风系统中的应用[J].玻璃,2003(3):20-21,51.
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