西门子6ES7241-1AA22-0XA0选型说明
0．前言
在我厂的电炉除尘系统中，采用一次烟气经过第四孔排出和二次烟气经电炉屋顶罩排出相结合的除尘方式。经第四孔排出的烟气温度高达1600℃，必须经过充分的冷却才能送到布袋室。一次烟气经过一号、二号水冷燃烧室、水冷沉降室、水冷烟道、火花捕集器、自然对流冷却管道、机力风冷器、空冷管道与屋顶罩烟气汇合，进入布袋室。水冷烟道出口处的烟气温度必须在630℃以下，布袋室入口处的烟气温度在120℃以下，超过这些值将会损坏设备。
1． 机力风冷器的硬件结构
机力风冷器即强制吹风冷却器，它采用风机为动力，利用常温空气对高温烟气进行强制吹风冷却。其主要结构由上联箱、冷却管、冷却风机、灰斗、接管、梯子平台等部件组成，如图1所示。
该冷却器的换热管为列管式排列。高温烟气从换热管的列管内快速穿过，而常温空气在轴流风机的强制作用下，迅速从换热管的外壁冲刷通过，带走烟气热量，降低了烟气温度。机力风冷器入口处的烟气温度大约为300－450℃，冷却后出口处的烟气温度大约为150－300℃。
轴流风机共6台，分为3组，也即按3层布置，每层2台为一组。每台风机容量为22KW,380VAC供电。风机出口有挡板装置，挡板用压缩空气驱动。
烟气出口处安装了一个测温传感器，为Pt100。
2．轴流风机的电气控制
2．1 风机的主回路和控制回路
单台风机的主回路和控制回路如图2所示。其主回路比较简单，QM1为带有过热过流保护的电源开关，大小为45-70A可调；KM1为三相接触器。
控制回路和plc有关联，比较复杂。K1为继电器，K2是plc输出继电器。电机有两种启动方式，一是就地启动，在现场操作箱把钥匙开关选择就地位，即L方向，按启动按钮；另一是远程启动，钥匙开关必须选择R，在监控画面中点击启动按钮，6台轴流风机按照烟气的温度自动启动。
2．2 风机出口挡板的电气原理
风机的出风口安装了挡板，在风机停止或故障时，挡板关闭，防止换热管的热量向电机辐射，造成电机损坏。当电机运行时，挡板打开，使冷风吹向换热管。挡板用气缸驱动，气缸使用了电磁阀来控制。挡板的开启和关闭与风机的启动和停止相关联，其电气原理如图3所示，图中仅给出了一台风机的挡板图。
电磁阀使用24V直流供电。当图2中的KM1得电电机运行时，图3中KM1常开触点闭合，使K3得电，如果开关Q1合上，则电磁阀得电，故风机的挡板打开。
2．3 模拟量采集
对温度的采集使用了Pt100热电阻传感器，它的引线直接连到西门子S7-400模拟量模板上，其接线如图4所示。ADC为模数转换器，“L+”接＋24V直流，M为公共端。“M-”端和“Ic-”端在模板处用短接线连接。
3．风机应用程序
3．1 程序流程
机力风冷器的应用程序是采用西门子step75.1编写的,该应用程序是除尘程序的一个子程序。风机基本以自动方式运行，其自动启停流程如图5所示。风机启动前，程序检查各个条件是否满足：“电机准备好”的信号来自图2中11，钥匙开关必须在现场打到远程L位置，在现场的急停按钮没有按下，风机没有误运行等报警等条件均满足，风机允许启动。
在控制室的监控画面上，可以设定风机的启动顺序和当烟气温度达到某值时启动风机。风机分为3组，如图1所示。画面上可以把风机的启动顺序设定为以下6种方式：123，132，213，231，321，312。温度值的设定与第几组风机对应，如果采用“123”这种方式，温度通常设定为“160℃、180℃、200℃”，即当烟气温度达到160℃时，第（1）组风机启动，温度达到180℃时，第（2）组风机启动，温度达到200℃时，第（3）组风机启动。风机的停止随着温度值的降低，先停第（3）组，接着第（2）组，第（1）组。
图5以“123”这种方式描述风机的启停。当烟气温度逐渐降低时，各组风机依次停下来。程序对风
机的停止设定了一个死区，死区值为15℃，此值可以根据工艺状况修改。以温度设定值“160℃、180℃、200℃”为例，当三组风机全运行后，烟气温度降低到200℃以下，风机仍然运行，直到温度降低到185℃（200－15）以下，第（3）组风机才停止运行；据此，第（2）组风机运行后，在165℃以下停止运行，第（1）组风机运行后，在145℃以下停止运行。
设定死区对电机是相当有益的。烟气温度根据电炉冶炼状况的变化而变化，温度变化较快。当没有设定死区时，实际烟气温度在临界温度设定点（160℃、180℃、200℃）处反复变化，会造成风机频繁启停，对电机造成冲击，很容易损坏。
3．2 部分程序分析
在这里对风机的启动和停止的部分程序进行分析，分4个network来描述第（1）组风机启停过程，其它两组与第（1）组相同，如图6所示。
程序中的各符号描述如下：
M0.2－风机处于自动运行模式；M0.3—风机自动模式允许启动的综合条件；M0.4—风机自动运行请求；M0.5—第（1）组风机准备好；M6.0—第（1）组风机启动请求；MW2—存储器字，地址为2；MW8—存储器字，地址为4；DB1.DBW10—从监控画面来的温度设定值；DB520.DBW20—采样实际烟气温度值；DB1.DBX22.0－从监控画面来的风机初始启动命令；DB1.DBX22.1—从监控画面来的风机停止命令；#fg1_deadband—第（1）组风机的死区值。
M指的是CPU的系统存储器的位存储器区的表示符号；DB1.DBW10中DB1表示数据块1，DBW10表示地址为10的字单元；DBX是位地址的表示符号；#fg1_deadband是临时变量。
（S）为置位指令，（R）为复位指令；MOVE是数据传送指令，传送的数据的类型可以为字节、字、双字；SUB_I为两个单精度整数相减指令，IN1减去IN2，把差值放到OUT中；COM<i为两个整数比较指令，相当于一个常开触点，如果in1比in2小，则触点闭合。要使network1中m0.4为“1”，则db1.dbx22.0、db1.dbx22.1、="" m0.2、=""m0.3的值必须为“1”。在监控画面上点击风机的启动按钮，则db1.dbx22.0为“1”；在画面上没有按下停止按钮时，db1.dbx22.1的值为“0”，而程序中使用了常闭节点，在network1中，此时db1.dbx22.1的值为“1”。风机在远程状态下，有两种操作模式，“自动”和“手动”，在画面上选择风机“自动”，则m0.2为“1”。当风机准备好、风机在远程位等信号均符合时，m0.3为“1”。至此，m0.4为“1”，则置位m6.0。 在network3中，MOVE指令把DB520.DBW20中的值传送给MW8，即把实际的烟气温度值放到MW8。
在network4中，描述了第（1）组风机的停止过程。在M0.4的常开触点为“1”的情况下，若组风机的启动设定值为160℃，即DB1.DBW10的值为160，死区值设定为15℃，即#fg1_deadband的值为15，则MW2的值为145。如果烟气实际温度为150℃，MW8的值大于MW2的值，则第（1）组风机仍然运行，当烟气温度降到144℃时，第（1）组风机停止运行。
4． 结语
机力风冷器对电炉除尘一次烟气冷却起着重要的作用。它自投入运行以来，运行相当平稳，维护量小且简单。风机的自动启停控制很有特色：使用的测温传感器直接接到西门子S7-400模拟量点，转换任务交给S7，采样简单可靠；采用死区控制风机停止，防止电机在临界点频繁启动，有效地保护了电机。
传统的加热炉电气控制系统普遍采用继电器控制技术，由于采用固定接线的硬件实现逻辑控制，使控制系统的体积增大，耗电多，效率不高且易出故障，不能保证正常的工业生产。随着计算机控制技术的发展，传统继电器控制技术必然被基于计算机技术而产生的PLC控制技术所取代。而PLC本身优异的性能使基于PLC控制的温度控制系统变的经济高效稳定且维护方便。这种温度控制系统对改造传统的继电器控制系统有普遍性意义。
2 加热炉温度控制系统基本构成
加热炉温度控制系统基本构成入图1所示，它由PLC主控系统、移相触发模块整、流器SCR、加热炉、传感器等5个部分组成。该加热炉温度希望稳定在100℃工作（其它工作温度同样可以照此方法设计）。
图1 加热炉温度控制系统基本组成
加热炉温度控制实现过程是：传感器将加热炉的温度转化为电压信号，PLC主控系统内部的A/D将送进来的电压信号转化为PLC可识别的数字量，PLC将系统给定的温度值与反馈回来的温度值进行处理，给移相触发模块，再给三相整流电路（SCR）一个触发脉冲（既控制脉冲），这样通过SCR的输出我们控制了加热炉电阻丝两端的电压，也既加热炉温度控制得到实现。其中PLC主控系统为加热炉温度控制系统的核心部分起重要作用。
3 PLC控制系统
3.1 PLC控制系统的硬件配置
在加热炉温度控制系统中PLC采用日本三菱公司FX2N，其硬件采用模块化设计，配合了多种特殊功能模块及功能扩展模块，可实现模拟量控制、位置控制等功能。该系列PLC可靠性高，抗干扰强、配置灵活、。本温度控制系统中PLC我们选择FX2N-48MR-001型，它与外部设备的连接如图2、表1所示。
图2 PLCI/O接线图
表1 PLC I/O地址分配表
3.2 流程设计
根据加热炉温度控制要求，本系统控制流程图如图3所示。
图3 加热炉控制流程图
3.3 控制算法
由于温度控制本身有一定的滞后性和惯性，这使系统控制出现动态误差。为了减小误差提高系统控制精度，采用PID控制算法，考虑到系统的控制对象，采用增量型PID算法。
△V(n)=U(n)-U(n-1)
+ [e(n)-2e(n-1)+e(n-2)]}=KP{△e(n)+ e(n)+ [△e(n)-△e(n-1)]}
式中e(n)、e(n-1)、e(n-2)为PID连续三次的偏差输入。△e(n)、△e(n-1)为系统连续两次执行的误差。KP为比例放大系数T、TI、TD分别为采样周期、积分时间、微分时间。
当加热炉刚启动加热时，由于测到的炉温为常温，sp-pv＝△U为正值且较大，△U为PID调节器的输入，此时PID调节器中P起主要作用，使SCR为大电压给加热炉加热。当加热炉温度达到100℃以上时，sp-pv＝△U为负值，经PID调节，使SCR输出电压减小，加热炉温度降低。当温度正好达到100℃时，△U为零PID不调节，此时SCR输出的电压正好平衡加热炉消耗的热量，系统达到动态平衡。
3.4 K型热电偶分度电压拟合
（1）根据具体问题，确定拟合多项式的次数为n。
（2）由公式
Sk= (k=0,1,2,……2n)
tr= yi (r=0,1,2,……n)
计数出Sk与Tr
（3）写出正规方程
（4）解正规方程组 求出a0，a1，…，an
（5）写出拟合公式多项式Pn（X）= 一次多项式也叫作线性拟合。由上述方法可拟合出K分度电压随温度变化公式为：V=0.04T（其中V为电压，T为温度）。此拟合公式是在温度从0℃到120℃之间变化的近似公式，正规方程只用到S0、S1、S2拟合的多项式次数为n＝1，电压随温度的变化可近似为线性变化。如果温度变化范围比较大，则电压随温度变化为非线性变化，上述电压随温度变公式需要重新拟合，拟合多项式的次数也必然大于2。
3.5 系统调试
系统调试分为两大步骤，一是系统软件调试；二是系统硬件调试。
（1）系统软件调试。系统软件调试是在PC机上进行，我们将PLC控制程序输入PC机后，根据运行要求，设定若干数字开关量，模拟量，对系统的每一个功能进行检测测试并在此基础上不断完善程序以达到系统要求。
（2）系统硬件调试。相应的系统硬件也是在实验室里进行，用一个设备来摸仪控制对象。检查设备的诸个单元是否合乎要求，将软件和硬件结合起来进行测试。并不断完善PLC软硬件的配置以达到优的结果。
4 结束语
加热炉温度控制系统采用成熟的PLC技术和电力电子技术，采用软硬件结合，较好的解决了传统加热炉温控系统中出现的问题。针对我国大部分的加热炉用户来说本系统将是一个比较理想的温控系统。
2 增容型高—低压变频调速集成装置简明原理
该变频装置由多功能变压器T、可增容的低压大功率变频器LF、利用普通高压电动机改压增容的变频调速电动机HM′，以及切换装置C所集成。
本项目就是利用6kV、250kW、10极防爆型电动机，通过采用“中压绝缘”和低压接线方式，增容为280kW。又利用多功能变压器，一则提供“变频器输入电压补偿装置”，将500kW变频器增容为630kW，为电动机提供变频电源；二则隔离并抑制来自变频过程中产生的高次谐波；三则为电动机提供工频电源，一旦变频器发生故障，即可恢复工频运行模式。利用组合开关实现变频/工频模式切换、正向/反向旋转切换和主/备机组切换。
其电气原理如图1所示。
图1 高低压变频装置电气原理图
2.1 增容型变频装置配置
增容型高—低压变频调速设备选型：QSHLVF500-O6/500。数量：两套（一工一备）。
装置配置:
（1）多功能变压器2台
选用S9M-1000kVA节能型免维护全密封无油枕变压器；环境温度+40℃时，允许温升55℃；兼有提供变频电源电压、工频电源电压、隔离与抑制高次谐波等多项功能。
（2）变频调速电动机4台
是利用YBF450M2-10型6kV、250kW高压电动机高等级绝缘、内风冷量大的特点，电机为：佳木斯电机股份有限公司，隔爆型三相异步电动机型号：YBT-450MI-10，250kW，50Hz，IP44，500V，379A，F级绝缘，△接，cosΦ=0.808，592r/min。控制电机的变频器采用具有开环矢量控制功能芬兰伟肯Vacon变频器，在电机制造过程中融入本专利技术，通过改压增容为280kW变频调速电动机HM′，使电机具备并超过变频调速专用电动机的一些特性，比变频调速专用电动机价格便宜50%左右。高压电动机实施低压运行，将延长电机的使用寿命。
（3）变频控制柜2台
变频单元选用世界产品,具有开环矢量控制功能芬兰伟肯Vacon变频器（进口原装）。输出功率由500kW增容到630kW。Vacon变频器型号为：A台NXP09205A0N0SSGA1A2，B台NXP09205A0N0SSGA1A2。
（4）模式切换柜2套
由万用开关组合而成，具有变频/工频切换、正向/反向切换等多种操作模式，以备特殊情况下，切换到工频启动—运行模式和反向启动—运行模式。
（5）现场操作箱（盘）2个
安装在电动机近处，面板上设有启动和停机按钮、多圈电位器调速旋钮、对旋方向切换开关、电动机运行电流和转速数显仪表，以及故障声光报警器等。
2.2 增容型变频装置技术规格
输入电压：3相6kV-15%～＋10%；
输出功率：630kW；
输出频率：0～50Hz；
效率：96%以上；
功率因数：0.94以上；
电压总谐波：小于2%（远低于国家标准GB/T14549—93《电能质量公用电网谐波》针对6kV电网的限定值为4%，本方案业经东北电力谐波站多次现场测试，仅为1.1%～1.3%）；
启动模式：变频软启动，启动电流不超过额定电流；
运行模式：变频/工频切换，正向/反向切换；
控制模式:一台变频装置同步对旋驱动主扇轴流风机两台电动机，即“一拖二”模式；
系统控制：为PLC、DCS、FCF等系统控制留有数字量和模拟量接口；
变频柜外形尺寸：2200(高度)+2000(宽度)+800(厚度)mm
工 频、变频切换及正、反转切换柜外形尺寸：2200(高度)+2800(宽度)+800(厚度)mm
变压器外形尺寸：1780(长度)×1040(宽度)×1720(高度)mm
轨距：820mm;
电动机型号：YBF450M2-10；输出功率由250kW增容到280kW。
3 系统工作原理概述
主扇采用两台防爆对旋轴流通风机，两台对旋轴流通风机互为备用。每台对旋轴流通风机又是由两台风机相对安装构成，控制时每一台对旋轴流通风机的两台风机要求转速一致，变频控制时起动和停止，工频控制是分别起动。控制电机的变频器采用具有开环矢量控制功能的芬兰伟肯Vacon变频器，用两台变频器分别控制两台防爆对旋轴流通风机，采用一台变频器拖动对旋轴流通风机的两台电动机方式。
平时工作时A台对旋轴流通风机变频控制旋转，B台对旋轴流通风机备用。每台对旋轴流通风机又分别具有工频、变频控制功能，工频控制为变频控制备用。当A台对旋轴流通风机变频控制维护时起动备用的B台对旋轴流通风机变频控制。当A、B两台对旋轴流通风机变频控制维护时，起动A台对旋轴流通风机工频控制工作，用风门控制通风量，当A台对旋轴流通风机工频控制也需要维护时，起动B台对旋轴流通风机工频控制工作。通过风机互备确保通风安全。
每台防爆对旋轴流通风机要求具有两种控制方式：机旁的直接频率控制和上位机的集中PID控制。每台防爆对旋轴流通风机具有变频控制和工频控制切换功能。
煤矿三相电源为6000V交流电，考虑到高压电机变频控制一次性投资大，安全性差等原因。采用增容型高-低压变频调速集成装置，用降压变压器把6000V电压降为500V，再采用电压等级为380V～500V的芬兰伟肯Vacon变频器进行变频控制。电机也由高压6000V电机换成低压500V电机，降低了投资，提高了系统的可靠性。
芬兰伟肯Vacon变频器具有可编程功能。Vacon编程工具Vacon NC1131-3Engineering是一个符合IEC61131-3标准的图形化的编程工具，它可以用来设计VaconNX特殊的控制逻辑和参数。它包含了基本功能模块和功能模块，如各种滤波器，PID控制器和积分器。NC1131-3可以创建参数，故障信息和其他与应用相关的特性。
根据控制要求采用伟肯Vacon变频器的PID控制应用宏，PID控制应用宏具有两地控制功能，分别为源A和源B控制，其中源A控制为PID控制方式，源B控制为直接频率控制，伟肯变频器控制端子接线图如图2。
图2 变频器端子接线图
● 变频器输入信号有：
P1：源B电位器频率给定值；
AI2:源A PID控制压力反馈实际值;
K1：源A电机起动／停止；
K2：正转／反转；
K3：故障复位；
K4：源B直接频率起动／停止；
K5：正转／反转；
K6：控制源A／B选择端子。
● 变频器输入信号有：
模拟量AO1：电机转速；
继电器RO1：变频器故障；
继电器RO2：变频器运行。
开关K6闭合时源A控制有效，控制方式为PID控制，给定值为电位器P1的设定值AI1，实际风压反馈值为AI2，变频器的起动、停止和正反转控制由K1、K2控制，PID控制框图如图3。通过PID控制使得矿井风压保持为风压设定值。
图3 变频器PID控制框图
开关K6断开时源B控制有效，控制方式为直接频率控制，给定值为电位器P1的设定值AI1，实际风压反馈值用于显示，变频器的起动、停止和正反转控制由K4、K5控制，根据风压设定值控制风机转速使得矿井风压达到要求值。
开关K3用于变频器故障复位。模拟量输出AO1设定为电机转速，送给控制盘上的转速表显示电机转速，继电器RO1用于变频器故障指示，继电器RO2用于变频器运行指示。
4 现场主通风机变频装置实际工况
4.1 6月20日主通风机一号二号及变频装置开始正式运行
下述数据是8月24日取得的现场一号风机的运行参数：
静压：629Pa;
风量：70m3/s;
电动机的运行温度：46℃（8月下旬气温28℃）;
变压器的运行温度：35℃（8月下旬气温28℃）；
运行频率：42.9Hz（513r/min）；
运行电流：242A（1#电机：130A;2#电机：113A）；
高压侧电压：6300V;
高压侧电流:7.7A(A相)，9.2A(C相);
有功：80kVA;
无功：21kVA;
功率因数：0.96。
主通风机一号二号8月份用电量统计（电业局）如附表所示。
附表 主通风机一号二号8月份用电量统计 2006年8月23日
4.2 9月23日八连城矿二号风机运行数据
静压：559Pa；
风量：74.9m3/s；
电动机的运行温度：46℃（8月下旬气温28℃）；
变压器的运行温度：38℃；
运行频率：32.06Hz（513r/min）；
运行电流：240A；
转矩:15%；
功率:9.7%；
高压侧电压：300V;
高压侧电流：6.3A;
有功：62.72kVA;
无功：16.83kVA;
功率因数：0.96。
5 结束语
增容型高—低压变频调速集成装置与其他变频调速方法相比具有显著优点：
（1）高效率
本变频系统效率大于96%。其中变频器的额定效率为98%左右，节能型变压器的额定效率为98.8%左右，电动机因放大了线规从而降低了电流密度和铜损，其额定效率可提高了0.5～5％，本项目电动机效率即提高了5％。
（2）高可靠性
一是采用无油枕全密封变压器或者干式变压器均系免维护类型。二是选用技术成熟的低压大容量变频器安全可靠，使用寿命长达70000h。其中易损件之一内冷却风扇的使用寿命为8年（其他变频器说明书标注2～3年），易损件之二电解电容器的使用寿命为15年（其他变频器说明书标注4～5年）。三是利用高等级绝缘的电动机运行在低压变频工况下，绝缘寿命可谓无限长。四是备有变频/工频切换开关，万一变频器发生故障还可及时切换到工频启动—运行模式，是工频运行，电动机仍可实现增容。
（3）低压安全
由于变压器将高/低压隔离，从变压器的输出侧→变频器→电动机的运行电压只有几百伏，颇有安全感，便于操作和维护。消除了电动机的高压电晕和变频器的高压吸尘弊端。
（4）省工期
本变压器的制造周期只要半月；变频器的供货周期只需1～2月；高压电动机增容改压约1个月左右；控制柜加工不超过1周；安装（包括敷设低压动力电缆和控制屏蔽电缆，无须重打地基和更换对轮）约1周左右，当天调试当天投运。总施工期（即见效期）仅为1～3月。
（5）省投资
由于该装置成本低，又增容，见效快，故投资回收期一般约为1～2年左右。本项目的投资回收期约为2年之内。
（6）省能源
节电率一般为20%～50%，本主扇对旋风机目前实测节电率为40%以上。
（7）省原材料
在同等原材料和元器件配置前提下，本方案能提高电动机的额定功率1～3个等级，提高变频器的额定容量0.5～2个功率等级；在同等功率前提下，增容变频方案可节省制造高压电动机的钢材10%～20%，节约高压绝缘材料40%～60%。本项目4台电动机就是用250kW的原材料制造出280kW电动机。
全系统操作简便，设备维护量小，有效地减低了风机噪声，减小了电机起停过程对电网和风机的机械冲击，延长设备的使用寿命，提高了效益。此种方案在矿业风机控制具有的推广应用前景。