變頻器在棒線廠高線風(fēng)冷線上的應(yīng)用

0 引言

昆明鋼鐵集團(tuán)股份有限公司棒線廠原斯太爾摩(Stelmol)冷卻線采用11 臺(tái)型號(hào)為Y315M2-4，功率為160 kW的國(guó)產(chǎn)機(jī)組為冷卻風(fēng)量提供動(dòng)力，風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)管直徑為1 150 mm，額定流量33.33 m3/s，風(fēng)機(jī)風(fēng)量大小由機(jī)械進(jìn)風(fēng)擋板控制，調(diào)節(jié)精度低。

電機(jī)采用降壓?jiǎn)?dòng)，啟動(dòng)電壓值為額定電壓的85%，電能損耗較大，啟動(dòng)時(shí)電流峰值達(dá)1 000 A以上，容易損壞電機(jī)及損傷控制柜母牌。系統(tǒng)中擋板動(dòng)作不靈敏，風(fēng)門經(jīng)常卡死，位置檢測(cè)信號(hào)不正常。為適應(yīng)生產(chǎn)需要，提高資源利用率，降低生產(chǎn)成本，減少操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，及時(shí)掌握風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，棒線廠采用變頻器、PLC、人機(jī)界面與通信技術(shù)，對(duì)風(fēng)冷控制系統(tǒng)進(jìn)行了技術(shù)改造，不僅實(shí)現(xiàn)了在中控室直接對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，還取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

1 改造方案

從實(shí)際工藝要求出發(fā)，考慮自身特點(diǎn)，將該系統(tǒng)設(shè)計(jì)為三大部分：現(xiàn)場(chǎng)變頻控制、現(xiàn)場(chǎng)PLC控制、中控室人機(jī)界面HMI 觸摸控制。為最大限度滿足連續(xù)運(yùn)行的要求，降低成本，在進(jìn)行變頻改造時(shí)保留原工頻控制方式。

改造后，正常運(yùn)行時(shí)采用變頻方式控制，冷卻風(fēng)機(jī)的啟/停、風(fēng)量大小的調(diào)節(jié)除在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行控制外，主要通過中控室在人機(jī)界面HMI 觸摸屏上進(jìn)行操作，操作指令經(jīng)上位TWDLC-PLC 通過MODBUS 協(xié)議傳到下位PLC，由現(xiàn)場(chǎng)PLC 對(duì)變頻器實(shí)現(xiàn)控制，從而達(dá)到控制風(fēng)量的目的。當(dāng)變頻器發(fā)生故障無法繼續(xù)運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)將立即分?jǐn)嘧冾l器的輸入、輸出，將電機(jī)投入工頻運(yùn)行，以確保生產(chǎn)的連續(xù)性。

1.1 改造后的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及主設(shè)備選型

改造后的變頻控制系統(tǒng)如圖1所示，主要由變頻器、變頻控制柜、PLC 控制系統(tǒng)及通信系統(tǒng)，遠(yuǎn)程人機(jī)界面HMI操作系統(tǒng)構(gòu)成。

根據(jù)電機(jī)容量，考慮海拔高度及棒線廠產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、質(zhì)量，以安全、平穩(wěn)、節(jié)能降耗的控制原則出發(fā)，選擇了阿爾法變頻器ALPHA2000-37R5GB。

該系列變頻器具有高可靠性，低噪聲，高節(jié)能的特點(diǎn)，同時(shí)還具有保護(hù)功能完善和內(nèi)建功能強(qiáng)大的串行通信接口。

PLC 選用編程方便、通信功能強(qiáng)大的施耐德TWDLC系列PLC 及相應(yīng)擴(kuò)展模塊，由上位機(jī)和下位機(jī)構(gòu)成。上位PLC 的連接串口用一根專用電纜與觸摸屏連接，這種通信方式具有傳輸距離長(zhǎng)、抗干擾能力強(qiáng)和多站點(diǎn)能力的優(yōu)點(diǎn);下位PLC采用屏蔽雙絞線連接，數(shù)據(jù)處理通過通信模塊進(jìn)行。

人機(jī)界面HMI 采用施耐德公司的XBTG5330觸摸屏，它是新一代高科技可編程終端，是專為PLC 而設(shè)計(jì)的互動(dòng)式工作站，具備與各品牌PLC連線及監(jiān)控的能力，適用于各種工業(yè)環(huán)境之中，可代替普通計(jì)算機(jī)或工控計(jì)算機(jī)。此款HMI還具有可多幅畫面重疊或切換顯示功能，具備顯示文字、數(shù)字、圖形、字符、報(bào)警信息、動(dòng)作流程、歷史記錄、趨勢(shì)圖等功能。

1.2 控制方式

整個(gè)控制系統(tǒng)(PLC、人機(jī)界面和變頻器)，通過RS-485 串行通信方式組成一個(gè)實(shí)時(shí)通信網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)中11 臺(tái)變頻器的通信參數(shù)，如通信指令、通信地址、波特率、通信資料格式等依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工況設(shè)定。PLC 程序設(shè)計(jì)有即時(shí)參數(shù)設(shè)定、數(shù)據(jù)修改、寫入頻率值和啟/停變頻器等功能，采用四段轉(zhuǎn)速取代原用的四擋機(jī)械風(fēng)門控制方式。程序設(shè)計(jì)依據(jù)阿爾法變頻器ALPHA2000-37R5GB 通信協(xié)議，采用PLC 與變頻器間的RS-485 通信指令實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控，人機(jī)界面HMI 由多個(gè)操作界面組成，每個(gè)操作界面都有不同的操作和監(jiān)控功能，觸摸不同的按鍵可產(chǎn)生相應(yīng)的信號(hào)，傳輸給PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，從而產(chǎn)生相應(yīng)的輸出信號(hào)控制設(shè)備的運(yùn)行。通過觸摸屏，還能實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的在線監(jiān)控，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備實(shí)際工作電壓、電流的變化和頻率的大小等參數(shù)。

PLC 的控制軟件對(duì)人機(jī)界面的狀態(tài)控制區(qū)和通知區(qū)進(jìn)行讀寫，實(shí)現(xiàn)PLC 與人機(jī)界面之間的信息交互。PLC 通過讀人機(jī)界面狀態(tài)通知區(qū)中的數(shù)據(jù)，得到當(dāng)前畫面中的信號(hào)，通過給人機(jī)界面狀態(tài)控制區(qū)寫入數(shù)據(jù)，達(dá)到強(qiáng)制切換畫面的目的。電機(jī)的變頻控制及風(fēng)機(jī)風(fēng)量控制，是通過在控制軟件中編寫不同的風(fēng)機(jī)工作段位及設(shè)置不同的工作頻率值，由人機(jī)界面發(fā)出控制指令，經(jīng)上位TWIDOPLC將控制指令經(jīng)MODBUS 協(xié)議傳到現(xiàn)場(chǎng)的PLC，再由現(xiàn)場(chǎng)PLC實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻器的控制，從而達(dá)到對(duì)風(fēng)量大小的調(diào)節(jié)。其程序流程圖如圖2所示。

2 節(jié)能效益分析

2.1 風(fēng)機(jī)特性及節(jié)能效益分析

風(fēng)機(jī)是一種平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載，采用轉(zhuǎn)速控制時(shí)，風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n 與風(fēng)量q、風(fēng)壓h 及風(fēng)機(jī)軸功率P的關(guān)系為：q1越q2(n1/n2)，h1越h2(n1/n2)2，P1越P2(n1/n2)3，風(fēng)機(jī)的風(fēng)量q 與風(fēng)壓h 的關(guān)系曲線如圖3 所示。圖中曲線n1 為風(fēng)機(jī)在轉(zhuǎn)速n1 下風(fēng)壓—風(fēng)量(h—q)的特性;曲線n2 為風(fēng)機(jī)在轉(zhuǎn)速n2下風(fēng)壓—風(fēng)量(h—q)的特性;曲線R1、R2為管阻特性，靜壓為摩擦性質(zhì)的靜阻力。假設(shè)風(fēng)機(jī)在標(biāo)準(zhǔn)工作點(diǎn)A 點(diǎn)效率最高，輸出風(fēng)量q 為100%，風(fēng)機(jī)軸功率P1 與Ah1Oq1成正比。

根據(jù)生產(chǎn)工藝要求，當(dāng)風(fēng)量需從q1 減小到q2時(shí)，如果采用調(diào)節(jié)閥門的方法關(guān)小閥門(相當(dāng)于增加管阻)，使管阻特性從曲線R1 變到R2，系統(tǒng)由原來的標(biāo)準(zhǔn)工作點(diǎn)A 變到新的工作點(diǎn)B 運(yùn)行，此時(shí)風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓增加，風(fēng)機(jī)軸功率P2與Bh2Oq2 的面積成正比。如果采用變頻器控制方式，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速由n1降到n2，在滿足同樣風(fēng)量q2 的情況下，風(fēng)機(jī)風(fēng)壓h3大幅降低，軸功率P3與Ch3Oq2的面積成正比。

可見軸功率P3和P1、P2 相比顯著減小，節(jié)能的效果是十分顯著的。即用閥門控制流量時(shí)，有功功率被浪費(fèi)掉了，同時(shí)，隨著閥門不斷關(guān)小，這個(gè)損耗還要增加。因此上述兩者對(duì)比，采用改變調(diào)節(jié)閥開度的定速變壓運(yùn)行，沒有采用變速恒壓的變頻調(diào)節(jié)運(yùn)行效果好。

2.2 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

為進(jìn)一步了解風(fēng)機(jī)經(jīng)過變頻改造后的運(yùn)行和節(jié)能情況，特邀請(qǐng)?jiān)颇鲜∧茉蠢帽O(jiān)測(cè)中心對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行節(jié)能測(cè)試，以38 Hz、40 Hz、45 Hz 運(yùn)行工況作為節(jié)能對(duì)比，測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所列。

可見1#風(fēng)機(jī)38 Hz時(shí)節(jié)電率為51.36%，40 Hz時(shí)節(jié)電率為43.81%，45 Hz時(shí)節(jié)電率為22.89%。

也就是說，若原運(yùn)行狀態(tài)風(fēng)機(jī)擋板開度約為75%，變頻改造后，將風(fēng)門全開，調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速，頻率調(diào)至工頻頻率的75%，頻率按調(diào)至38 Hz 運(yùn)行，可大幅度提高節(jié)電效率。

3 經(jīng)濟(jì)效益

3.1 直接經(jīng)濟(jì)效益

在現(xiàn)場(chǎng)施工中，變頻器總電源采用接到現(xiàn)場(chǎng)的動(dòng)力電纜直接供電，采用下進(jìn)線方式引進(jìn)相應(yīng)的變頻柜，原工頻柜工作電源用新電纜由變頻柜分出后再引進(jìn)，改變了變頻器總電源要重放新電纜的計(jì)劃，從而節(jié)約動(dòng)力電纜約800余米，減少計(jì)劃投資約30萬元。

3.2 間接經(jīng)濟(jì)效益

1)改用變頻控制后，對(duì)電機(jī)實(shí)現(xiàn)了軟啟動(dòng)，使電機(jī)的最大啟動(dòng)電流控制在250 A以下，避免了大電流的沖擊，保護(hù)了電機(jī)，有助于產(chǎn)量的提高。

2)用四段轉(zhuǎn)速取代了原用的四擋機(jī)械風(fēng)門控制方式，轉(zhuǎn)速可由慢到快實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)過度，大幅度降低了因沖擊電流產(chǎn)生的能耗，降低了生產(chǎn)成本。

3)改造后，產(chǎn)品質(zhì)量有明顯的改善，提高了成材率。實(shí)現(xiàn)了不同鋼種不同頻率的選擇，品種鋼開發(fā)得以實(shí)現(xiàn)。達(dá)到了改造的預(yù)期效果。

4)在原工頻降壓控制柜與變頻控制柜之間采用各自的中繼互鎖，避免了因誤操作可能造成的事故，且實(shí)現(xiàn)了互為備用的效果。

4 改造后的系統(tǒng)特點(diǎn)

昆明鋼鐵集團(tuán)有限公司棒線廠Stelmol冷風(fēng)線風(fēng)機(jī)在變頻控制改造過程中，立足自身，考慮發(fā)展，設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了現(xiàn)場(chǎng)原有設(shè)備的可利用性及備件的互用性，力求使系統(tǒng)的整個(gè)改造具有較高性價(jià)比。自行設(shè)計(jì)的變頻柜、電氣控制原理圖具有簡(jiǎn)單、直觀、I/O點(diǎn)分配合理，中繼互鎖保護(hù)、急停保護(hù)等特點(diǎn)，確保了整個(gè)控制系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

對(duì)軟件控制系統(tǒng)的研究開發(fā)，在最大限度地滿足生產(chǎn)工藝要求的同時(shí)，發(fā)揮了變頻器節(jié)能環(huán)保的特點(diǎn)，整個(gè)變頻控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、選型、制圖、編程、安裝、調(diào)試均體現(xiàn)了先進(jìn)、安全、高效、可靠、方便的特性。設(shè)計(jì)的PLC控制軟件，功能性強(qiáng)，解決了生產(chǎn)設(shè)備中的許多問題，簡(jiǎn)化了現(xiàn)場(chǎng)的硬件連接，降低了投資及生產(chǎn)成本，增強(qiáng)了設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性。該項(xiàng)改造曾獲昆明鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司科技成果獎(jiǎng)。目前，在國(guó)內(nèi)的生產(chǎn)運(yùn)用中處于較為先進(jìn)的地位。

5 結(jié)語

采用變頻調(diào)速方式對(duì)風(fēng)冷線的風(fēng)機(jī)進(jìn)行節(jié)能改造，不但操作簡(jiǎn)單方便、節(jié)約電能，降低生產(chǎn)成本;

而且大幅度改善了風(fēng)機(jī)的運(yùn)行條件，減少了風(fēng)機(jī)電機(jī)、風(fēng)門和佳靈執(zhí)行器等的維護(hù)量。改造項(xiàng)目自投運(yùn)以來，運(yùn)行可靠平穩(wěn)，通信數(shù)據(jù)準(zhǔn)確及時(shí)，采用人機(jī)界面作為人機(jī)交互工具，簡(jiǎn)單直觀，便于操作，工作效率得以提高，實(shí)現(xiàn)了該系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控、手動(dòng)即時(shí)變頻和自動(dòng)段位變頻等功能。經(jīng)過兩年多的運(yùn)行測(cè)試，系統(tǒng)控制效果好，功能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，具有一定的實(shí)用性和推廣性。