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，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m3轉(zhuǎn)爐煤氣儲配站回收控制系統(tǒng)為研究背景，3臺加壓機(jī)均采用變頻器調(diào)速控制，既實現(xiàn)了恒壓供氣的控制目標(biāo)同時也達(dá)到了節(jié)能的目的。

1 變頻器的選型

電動機(jī)通過變頻器進(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，避免對電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊影響的優(yōu)點，真正實現(xiàn)電機(jī)軟啟動，對實現(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)、水泵類負(fù)載，而且它的控制方式、控制回路簡單，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)、水泵類負(fù)載，且控制要求不太高，因此確定選用西門子通用型Micromaster 440（簡稱MM440）變頻器。而且采取一臺變頻器拖動一臺加壓機(jī)，控制回路相互獨立。3臺變頻器工作方式為兩用一備，正常生產(chǎn)時，兩臺并聯(lián)運(yùn)行，故障時備用變頻器投入使用。

1.1 Micromaster 440變頻器容量選擇

當(dāng)變頻器獨立拖動單臺電機(jī)時，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機(jī)的大，要么變頻器額定功率比電動機(jī)額定功率大，至少大一個功率等級。

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

式中PM—負(fù)載所要求的電動機(jī)的軸輸出功率；

η—電動機(jī)的效率（通常約0.85）;

cosφ—電動機(jī)的功率因數(shù)（通常約0.75）;

UM—電動機(jī)的電壓，V；

IM—電動機(jī)的電流，A，工頻電源時的電流；

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個公式是統(tǒng)一的，計算變頻器容量時，必須同時滿足這3個算式的相互關(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，計算出變頻器額定容量值為225 kW，綜合計算值和工程應(yīng)用經(jīng)驗選擇額定功率200 kW變頻器，型號為6SL6440-2UD42-0GB1。

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

永鋼集團(tuán)12萬m3轉(zhuǎn)爐煤氣柜3臺加壓機(jī)用變頻器的電氣系統(tǒng)設(shè)計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，端子控制指通過硬接線接收并發(fā)送I/O信號至西門子S7-400PLC模塊。DP通信是通過在變頻器正面安裝Profibus模板，作為遠(yuǎn)程DP從站，通過Profibus-DP現(xiàn)場總線實現(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，變頻器及時切換控制模式后正常運(yùn)行，有效保證了整個轉(zhuǎn)爐煤氣回收系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。同時，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)電壓波動對變頻器的影響。

2 煤氣加壓機(jī)變頻控制功能的設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

本控制系統(tǒng)組態(tài)了由監(jiān)控操作層與現(xiàn)場設(shè)備層組成的兩級控制系統(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)場總線組成混合型通信網(wǎng)絡(luò)體系。 編程軟件采用西門子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)，同時通過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)程控制模式加以實現(xiàn)。從加壓機(jī)變頻器電氣系統(tǒng)設(shè)計的接線圖可知，數(shù)字量輸入3（DIN3）作為切換源，通過與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。其控制邏輯框圖見圖2所示，詳細(xì)參數(shù)設(shè)置見表1。

圖2 控制邏輯框圖

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

2.3 基于PLC與變頻器的通訊程序設(shè)計

在熟悉工藝流程基礎(chǔ)上，結(jié)合整體方案設(shè)計要求和模塊化、結(jié)構(gòu)化編程思路，所設(shè)計煤氣回收系統(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，實現(xiàn)PLC與傳動之間的數(shù)據(jù)讀寫功能，通信數(shù)據(jù)存儲在DB47、DB48中。

2.3.1 MM440變頻器數(shù)據(jù)讀/寫程序設(shè)計

調(diào)用 SFC14和 SFC15完成對 MM440變頻器數(shù)據(jù)的讀寫 (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)寫入 Profibus從站（變頻器 MM440）。

S7-400與mm440通訊讀寫程序如圖3所示。

圖3 MM440變頻器數(shù)據(jù)讀/寫程序

2.3.2 MM440變頻器啟/停的控制實現(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，表示啟動變頻器運(yùn)行。

圖4 MM440變頻器啟/?？刂?/p>

2.4 加壓機(jī)變頻控制畫面設(shè)計

加壓機(jī)變頻控制畫面如圖5所示，在冷卻風(fēng)機(jī)電源正常的條件下，在畫面上點擊“冷卻風(fēng)機(jī)啟動”，這時加壓機(jī)才具備了啟動條件，另外當(dāng)柜容低低時聯(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，通過機(jī)旁箱轉(zhuǎn)換開關(guān)進(jìn)行切換。通過監(jiān)控畫面設(shè)計，能遠(yuǎn)程控制加壓機(jī)的啟停和頻率調(diào)節(jié)，并實時了解設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，保證生產(chǎn)穩(wěn)定，減少故障誤時。

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，目前已成功應(yīng)用于永鋼12萬m3轉(zhuǎn)爐煤氣儲配站回收系統(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)的實時性和安全性，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)變頻控制畫面