西门子PLC模块6ES7315-6TH13-0AB0
| 主引风机是烧结生产的主要设备之一。其风压、风量的变化，对烧结生产的影响很大，其电耗一般占整个生产线的1/3左右。合理地控制主引风机的运行状态，对烧结生产的合理控制以及大量降低生产电耗有重要意义。 1烧结主风机应用变频调速的重要性 我国钢铁企业的烧结厂都广泛存在着生产原料及工况变化的情况，为适应生产，目前只有改变主引风机的风门开度来满足烧结生产过程的需要，这在过去几乎成了一种统一的模式，存在着很多弊端。其一，这根本无法随时动态跟踪工艺进行风量调节以满足**工艺的要求；其二，据我们考察宝钢、首钢等烧结厂的主引风机，一般风门开度都在40％～60％之间，电能的损失和浪费很大：其三，风机起动困难，起动过程故障率高，对电网影响大等。为克服这些弊端，我们想到应用变频调速技术。 根据我们厂的生产经验，烧结生产过程中，对风量的要求，有一个动态平衡的过程，各项技术经济指标越先进，对平衡的要求就越高。我们萌发了主引风机变频调速改造的设想，利用良好的现代化跟踪手段，实现配料大小循环，三机联调，把点火温度及主烧结负压，一同进入大闭环控制。这些设想的实现，*重要*困难的就是主引风机的调速问题，随着高新技术的迅猛发展，用高压变频器来实现上述连续、**的调控，条件已经成熟。 实现主引风机变频控制，就能合理地、随时、动态地调节风的负压和流量，使风量和风压相对恒定，为均质烧结生产提供了有利条什。没有良好的调节方法、烧结气流靠人工进行调节，根本无法合理应用，这样就有可能出现大量生料，成品率和工序能耗等指标都难以达到良好的指标。主引风机采刷变频调速后，原来风门控制的风量变成由转速来控制，从输出功率P与风机转速关系p=KW3（其中K为风机常数，W为电动机旋转角频率）可知，风量须减少时转速下降，P随转速立方倍下降，克服了以前调节风门功率损耗大的问题。电动机起动由原来全压或降压起动，变成变频起动后，起动性能大大改善，大电动机起动困难、冲击大、易损伤等问题便迎刃而解了。 2 烧结大风机应用变频调速的可行性 目前，许多小功率的风机应用变频调速、效益已得到证实，但在国内，尚无烧结主引风机应用变频调的先例，烧结风机能否应用变频调速呢?目前，大型异步电动机变频调速也屡见不鲜，而大型同步机应用变频调速在国内还未有先例，同步电动机应用变频调速究竟如何?同轴主油泵在实现风机调速后，如何补充油量?这些问题，都是应用变频调速前要解决的。 1）为了证实烧结风机应用变频调速的可行性，我们在烧结杯试验中进行了变频调速试验，得到了一组令人满意的数据如表1所示。 试验和实践均充分证明，烧结主风机应用变频调速足完全可行，是非常成功的。 2）大型同步电动机应用变频调速是否可行?通过我们的实践。得到了充分的肯定。同步机应用变频调速后，抛弃了原来的异步起动的方法，由A-B高压变频系统配套，采用同步起动方法，随着电动机转矩和转速的变化，自动调节运行参数，整个过程十分平稳，对电网冲击力。A-B高压变频器可做到同步机定、转子电流及功率因数等各参数**匹配，从而使运行效果达到**。 3）主引风机系统润滑在直动前由副油泵负责．起动完毕后，是由与同步机同轴的主油泵供油的。这样，在风机变频调速后，主油泵可能运行在低速状态，供油系统就必须考虑油量的补充问题：怡得公司在完成这个工作时，采用了付油泵变频PID调节方式，用较少的投资，保证了主风机低速时，润滑系统的正常供油。这也对主风机变频调速的实施起到了重要的保证作用。 4）由于同步电动机的冷却是自循环风冷，当电动机转速下降时，冷却效果也会下降，但由于风机的特性所致，低速时电动机负载成立方倍下降，发热量也大大减少，实践证明，电动机低速运转时，温度反而下降了。 3 具体方案的选择及设计框图 大功率、高电压的变频器，在国内使用尚不普遍，进行这样大的投资，必须认真地选择合理的方案。中高压变频器，目前从主电路的结构型式可分为交-直-交和交-交两种。交一交型变频器由于控制方式决定了其输出频率只能达到l/3～182原频率，故不能满足我们的要求，而交-直-交型变频器不受电源频率的限制，频率调节范围宽，且元件少，利用率等能满足我们的需要。交一直一交变频器由于直流部分不同，又可人为电压型和电流型。电压型变频器的输出电压为方波，当负载出现短路时或在变频器运行时投入负载，都易出现过电流，动态响应较慢，有较大的谐波分量：电流型变频器由于电流控制性好、可限制逆变装置换流失败或负载短路所引起的过电流，其运行可靠性高，当负载为电动机时，电压近似正弦波．还能实现发电制动，把机械能变为电能回馈电网，线路结构简单，动态响应快。通过分析比较，我们选择了A-B1557型电流型高压变频器，它能保证电网电压在5.9～6.8kV范围变化时正常工作，电流谐波畸变频≤3％，cos@≥0.98，n≥97％，变频器能与大型PLC接口实现烧结工艺闭控制。系统框图如图1所示。 1）A-B公司的电流型1557高压变频器，运用于烧结主风机调速系统，调速范围大，运行平衡，具有良好的控制精度。 2）同步起动电流小、沒有任何电气与机械的冲击。 3）励磁电流自动跟踪负载与转速变化，系统运行点优化。 4）自动化通信能力强，便于上网控制。 5）系统调试方便，运行可靠，电动机噪声低，发热量降低30％以上。 6）节电效果十分明显。 4运行效果分析 1）从主风机变频器投入后的情况看，用变频调速与接工频运行情况不一样。应用变频调速之前，电动机转速为1 500r/min，风门不能开完，否则电动机将过载。一般正常生产时，风门开度在80％～90％之间，相当部分电能消耗在风门上。2000kW电动机经常运行在满载状态，由于我们的网路电压偏高（一般在6.3～6.7kV），电动机工作磁通接近饱和区，激磁损失增加工作电流上升。按运行记录，变频器投入后，电动机只需运行在42Hz就能满足生产要求，生产典型参数如表3所示。 685.9 kW×24 h×360 d×0.904=5357263 kW.h m904为其他因素系数）电费按0.46元/kW.h，可节支246万元/年。 2）由于变频器系统起动性能非常理想，使大电动机的开停可随心所欲。一些短暂的停产，都可将风机停下，节约了这部分电耗，还减少了机械和电动机的损耗，此项每年又可节支约20万元。 3）从工艺角度看，变频调速后，风机负压从原来的14kPa降到了10kPa左右，正好满足了烧结生产的低负压要求；由于风门全打开，减少了风门损失，这部分能量在电动机不更换的情况下，相对地能使风量有所增加。由于变频调速能方便地与工艺参考量联系起来调控，为均质烧结技术和提高烧结矿的生产质量创造了更有利的条件，这方面的效益也是非常显著的。 5结论 根据格钢烧结厂主引风机2 000kW同步电动机使用美国A-B公司1557电压变频调速控制应用结果看，系统设计合理，安装、调试方便，运行十分可靠，节能效果明显．对生产工艺有良好的促进作用，是一个成功的范例 |
一、原系统分析
株洲硬质合金厂空调系统共有溴化锂机组两台，其中冷冻水泵2台功率为200KW，采用自耦降压启动。操作工根据负荷情况开1台或2台。单台水泵*大输出流量为600m3/h，系统全开时为1200m3/h。现水泵运行出口压力为4.5-9kg，*小流量需求为200m3/h，*大流量需求为950m3/h。压力波动较大的原因为，冷冻水泵流量不能根据负载变化调节，一旦后级工段冷冻水量减少水泵出口压力就会急剧上升。冷冻水在管路里快速循环未充分换热就回水，造成回水温度低。水泵和主机都白白消耗能量。
冷冻水管网图
当1#机组开起后，1#流量必须满足*低流量值200m3/h，如果用户流量没有达到*低流量值时，机组就会停机保护，值班人员必须提前打开旁通阀，使部分冷冻水在机组内循环来保证机组内有200m3/h以上的流量。2#也如此。
二、改造控制要求：
分三个阶段完成自动控制，下面以1#空调机组为例详细说明如下：
·机组冷水出口流量不得低于200 m3/h;
·当1台泵输出压力不能满足要求时，系统提示手动开启另一台泵;
·选择1#或2#泵为变频运行泵。
·当需求流量为0～300 m3/h时，1#泵定频运行，保证300m3/h的总流量输出，旁通调节阀打开并做PID调节，以保证输出用户所需的流量;
·当需求流量为300 m3/h～600 m3/h时，1#泵变频运行并做PID调节，旁通阀门全关;
·当需求流量为600 m3/h～900 m3/h时，1#泵定频运行，输出300 m3/h 的流量;2#泵工频运行，输出600m3/h的流量;旁通调节阀打开并做PID调节，保证6kg的输出压力;
·当需求流量为900 m3/h～1200m3/h时，1#泵变频运行，并做PID调节，2#泵工频运行，旁通阀门全关。
变频系统通过控制柜上选择开关，选择任意一台水泵采用变频控制方式，其他水泵还采用原控制模式。被选择作为变频水泵的机组作为整个系统的调节水泵，来自动调节冷冻水流量。在自动控制模式下，利用PLC采集总管压力信号并根据PID运算发出变频器频率给定信号，自动调节电机（水泵）转速使冷冻水压力变化来实现自动控制。还采集输出流量送到PLC进行PID计算后再输出4～20mA的电流信号控制旁通阀，来实现恒流的效果。
PLC将现场参数，进出口压力值、变频器频率、电流、电机转速等上传至控制室内的人机界面进行参数显示。在控制室可通过人机界面对给定压力值、下限流量值、PID参数、变频泵选择和启动远程控制。远程实现各种操作，极大的方便了系统控制。控制方式本方案在保留原工频系统的基础上与原工频系统之间设置连锁以确保系统工作安全。
三、设备的配置
（1）友好的人机界面：由于系统需对每台机组的进口压力、出口压力、出口流量、总压力的上限值和下限值，PID参数进行设置，还要对所有的压力、流量值进行显示，还有报警信息进行记录。采用Eview的MT506LV人机界面。界面编辑了“主画面”、“控制画面”、“参数设置”、“故障记录”、“压力曲线”、“帮助”六个基本画面。主画面上对采集的压力、流量值、变频器的运行频率、电流进行显示，还显示系统当前状态和故障显示，让用户一目了然。
（2）PLC：
PLC是设备的大脑，选用的是艾默生网络能源有限公司的新产品EC20系列的PLC及模拟输入模块和模拟输出模块，EC20系列PLC是高性能的通用PLC，内存指令容量达到8k；典型基本指令执行速度0.09~0.42μS典型应用指令则为5~280μS支持高达50kHz的高速输入和80kHz的高速输出；具有丰富的中断功能，有8路输入中断，3个定时，6路高速计数，支持工业标准的Modbus通讯网络；指令有浮点运算、PID、高速I/O、通讯等20类共243条，具有掉电检测和后备电池保持，可扩展多个模块，扩展模块有数字型、模拟型、温度型的模块。EC20的编程采用界面友好的窗口软件，支持多种编程方式：梯形图、指令列表、顺序功能图，方便地监控和调试，可在线修改程序。
（3）PLC的配置
主模块选用EC20-2012BRA，20点输入12点继电器类型输出。模拟输入模块采用8通道的EC20-8AD，模拟输出采用4通道的EC20-4DA。
（4）输入输出设备配置
输入设备有“手动/自动”选择开关，选择变频泵“1#/2#”、系统“启动”“停止”，还采集了工频、变频接触器信号进行互锁和状态显示。
输出设备有1#泵变频运行、2#泵变频运行、故障和复位继电器。
（5）模拟输入输出设备配置
利用EC20-8AD采集了总管压力、旁通阀位置反馈、1#机组出口压力、2#机组出口压力、1#泵出口流量、2#泵出口流量；用EC20-4DA输出电流信号给定EV2000-4T2000P频率，另一路输出4~20mA的电流信号到旁通阀。
四．工作原理
主电路图如下：
系统采用工变频互备，可以灵活的选择需变频的电机是1#还是2#由KM3、KM4来完成。
PLC的I/O接线图如下：
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五．程序要点
EC20的COM0与EVIEW人机界面通过MODBUS协议进行通讯，COM1通讯口与艾默生的EV2000变频器进行自由协议通讯，PLC软件设置：
COM1的自由口协议中的波特率、数据位、停止位、效验位必须与变频器中设置一样才能通讯上。EC20时刻检测着变频器的频率、电流、故障再反映到人机界面上。
系统需恒压、恒流，做成双PID对变频器和旁通阀进行控制，控制的压力和流量在EVIEW人机界面上进行设置
在现场调试过程中，发现现场的负载在每天下午五点下班时会突变，由于负载500m3/h的流量突变成几十的流量，这个突变的时间只有两三秒的时间，而旁通阀动作的速度很慢，一个行程38mm需2分钟的时间，这样会造成空调机组保护停机，为了解决这一问题，采用实时时钟定时开度旁通阀，也就是每天在五点之前就给旁通阀一个开度，当设定的时间到达后，系统又恢复PID调节。负载突变的时段设置和旁通阀的开度设置画面如下：
五．结束语
本系统已完成，已正式投入使用。由于采用艾默生的EC20系列的PLC进行控制，性能稳定，运行可靠，系统结构紧凑，节省能耗，便于维护。变频器的频率在40HZ左右稳定压力，节能率达到48%。不但大大的提高了产品的技术含量和自动化水平，还极大地提高了企业的经济效率，非常具有推广价值