基于PLC與變頻器的煤氣加壓機控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

張 娟,蔡永飛,陳東華

（江蘇永鋼集團有限公司，江蘇張家港 215600）

引言

轉爐煤氣是轉爐煉鋼過程中產(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，回收轉爐煤氣的量能指標、控制技術也在不斷提高和優(yōu)化，因此對轉爐煤氣回收控制系統(tǒng)的深入研究具有重要意義[2]。同時轉爐煤氣的回收利用，也創(chuàng)造了顯著的經(jīng)濟效益，更是保證“負能煉鋼”實現(xiàn)的重要基礎，是技術革新的重要方向。

轉爐煤氣回收系統(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，達到保持供需平衡，降低能耗，保護環(huán)境的目的。

煤氣加壓機作為煤氣回收系統(tǒng)的重要設備，加壓機的控制直接影響著回收系統(tǒng)的運行效率和安全性。本文以江蘇永鋼集團12萬m3轉爐煤氣儲配站回收控制系統(tǒng)為研究背景，3臺加壓機均采用變頻器調速控制，既實現(xiàn)了恒壓供氣的控制目標同時也達到了節(jié)能的目的。

1 變頻器的選型

電動機通過變頻器進行變頻調速，具有調速范圍廣、調速性能穩(wěn)定、調速曲線平滑，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，獲得需要的轉矩特性。一般適合應用于調速要求不高的風機、水泵類負載，而且它的控制方式、控制回路簡單，成本也較低，是目前應用最廣泛的一種控制方式。

本控制系統(tǒng)主要是實現(xiàn)煤氣加壓機的變頻調速，加壓機屬于風機、水泵類負載，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，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

當變頻器獨立拖動單臺電機時，需選擇與電機匹配、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的大，要么變頻器額定功率比電動機額定功率大，至少大一個功率等級。

變頻器容量選擇可按照連續(xù)性恒定負載運轉時，電動機軸輸出功率的計算公式進行推算：

式中PM—負載所要求的電動機的軸輸出功率；

η—電動機的效率（通常約0.85）;

cosφ—電動機的功率因數(shù)（通常約0.75）;

UM—電動機的電壓，V；

IM—電動機的電流，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個算式的相互關系。因此根據(jù)上述公式，代入回收系統(tǒng)煤氣加壓機電機相關參數(shù)：電機額定電壓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)設計

永鋼集團12萬m3轉爐煤氣柜3臺加壓機用變頻器的電氣系統(tǒng)設計原理是三相電源依次經(jīng)斷路器、接觸器、濾波器和進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行，有效保證了整個轉爐煤氣回收系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。同時，在電源輸入側與變頻器之間安裝了進線交流電抗器，以減少電網(wǎng)電壓波動對變頻器的影響。

2 煤氣加壓機變頻控制功能的設計與實現(xiàn)

2.1 控制系統(tǒng)總體結構設計

本控制系統(tǒng)組態(tài)了由監(jiān)控操作層與現(xiàn)場設備層組成的兩級控制系統(tǒng)網(wǎng)絡結構。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，以完成煤氣加壓機控制程序編寫和人機界面組態(tài)。

PLC硬件系統(tǒng)總體結構如圖1，系統(tǒng)控制單元采用CPU414-2DP作為DP主站，CPU內置DP通訊接口，DP接口通過Profibus總線與遠程分布式I/O設備ET200M和MM440構成單主-從結構的DP總線網(wǎng)絡，同時通過CP443-1通訊模塊與上位機組態(tài)以太網(wǎng)通信網(wǎng)絡。

圖1 PLC硬件總體結構框圖

2.2 MM440變頻器本地 /遠程控制的參數(shù)設定

對于轉爐煤氣回收系統(tǒng)變頻器的端子控制，通訊板CB控制模式的切換，本文采用本地遠程控制模式加以實現(xiàn)。從加壓機變頻器電氣系統(tǒng)設計的接線圖可知，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)中分別設置不同的給定源和命令源，從而實現(xiàn)本地（端子控制）和遠程（通訊板CB控制）的切換。其控制邏輯框圖見圖2所示，詳細參數(shù)設置見表1。

圖2 控制邏輯框圖

表1 MM440本地/遠程功能實現(xiàn)參數(shù)設置

2.3 基于PLC與變頻器的通訊程序設計

在熟悉工藝流程基礎上，結合整體方案設計要求和模塊化、結構化編程思路，所設計煤氣回收系統(tǒng)用戶程序主要包含OB1主循環(huán)程序組織塊，主循環(huán)程序對FC、FB等子程序按設定周期進行循環(huán)掃描。其中實現(xiàn)加壓機變頻通信控制的核心程序FC47、FC48嵌套調用主從站通信數(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/寫程序設計

調用 SFC14和 SFC15完成對 MM440變頻器數(shù)據(jù)的讀寫 (以1#加壓機變頻器為例)。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#加壓機為例)。程序中控制命令賦值W#16#47F，表示啟動變頻器運行。

圖4 MM440變頻器啟/?？刂?/p>

2.4 加壓機變頻控制畫面設計

加壓機變頻控制畫面如圖5所示，在冷卻風機電源正常的條件下，在畫面上點擊“冷卻風機啟動”，這時加壓機才具備了啟動條件，另外當柜容低低時聯(lián)鎖停加壓機。加壓機變頻控制設有通訊控制（通訊板CB）和硬接線連接兩種控制方式，通過機旁箱轉換開關進行切換。通過監(jiān)控畫面設計，能遠程控制加壓機的啟停和頻率調節(jié)，并實時了解設備運行狀態(tài)，保證生產(chǎn)穩(wěn)定，減少故障誤時。

3 總結

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，目前已成功應用于永鋼12萬m3轉爐煤氣儲配站回收系統(tǒng)的煤氣加壓機控制。變頻器采用端子控制和DP通信雙重控制方式，確保了煤氣加壓機調速控制系統(tǒng)的實時性和安全性，顯著提高了煤氣回收的控制技術及平衡利用率，為公司創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟效益。

圖5 加壓機變頻控制畫面