變頻器在棒線廠高線風冷線上的應用

0 引言

昆明鋼鐵集團股份有限公司棒線廠原斯太爾摩(Stelmol)冷卻線采用11 臺型號為Y315M2-4，功率為160 kW的國產機組為冷卻風量提供動力，風機進風管直徑為1 150 mm，額定流量33.33 m3/s，風機風量大小由機械進風擋板控制，調節精度低。

電機采用降壓啟動，啟動電壓值為額定電壓的85%，電能損耗較大，啟動時電流峰值達1 000 A以上，容易損壞電機及損傷控制柜母牌。系統中擋板動作不靈敏，風門經常卡死，位置檢測信號不正常。為適應生產需要，提高資源利用率，降低生產成本，減少操作人員的勞動強度，及時掌握風機的運行狀態，棒線廠采用變頻器、PLC、人機界面與通信技術，對風冷控制系統進行了技術改造，不僅實現了在中控室直接對現場設備進行實時監控，還取得了良好的經濟效益。

1 改造方案

從實際工藝要求出發，考慮自身特點，將該系統設計為三大部分：現場變頻控制、現場PLC控制、中控室人機界面HMI 觸摸控制。為最大限度滿足連續運行的要求，降低成本，在進行變頻改造時保留原工頻控制方式。

改造后，正常運行時采用變頻方式控制，冷卻風機的啟/停、風量大小的調節除在現場進行控制外，主要通過中控室在人機界面HMI 觸摸屏上進行操作，操作指令經上位TWDLC-PLC 通過MODBUS 協議傳到下位PLC，由現場PLC 對變頻器實現控制，從而達到控制風量的目的。當變頻器發生故障無法繼續運行時，系統將立即分斷變頻器的輸入、輸出，將電機投入工頻運行，以確保生產的連續性。

1.1 改造后的系統結構及主設備選型

改造后的變頻控制系統如圖1所示，主要由變頻器、變頻控制柜、PLC 控制系統及通信系統，遠程人機界面HMI操作系統構成。

根據電機容量，考慮海拔高度及棒線廠產品結構、質量，以安全、平穩、節能降耗的控制原則出發，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，高節能的特點，同時還具有保護功能完善和內建功能強大的串行通信接口。

PLC 選用編程方便、通信功能強大的施耐德TWDLC系列PLC 及相應擴展模塊，由上位機和下位機構成。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、抗干擾能力強和多站點能力的優點;下位PLC采用屏蔽雙絞線連接，數據處理通過通信模塊進行。

人機界面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 而設計的互動式工作站，具備與各品牌PLC連線及監控的能力，適用于各種工業環境之中，可代替普通計算機或工控計算機。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、數字、圖形、字符、報警信息、動作流程、歷史記錄、趨勢圖等功能。

1.2 控制方式

整個控制系統(PLC、人機界面和變頻器)，通過RS-485 串行通信方式組成一個實時通信網絡，系統中11 臺變頻器的通信參數，如通信指令、通信地址、波特率、通信資料格式等依據現場工況設定。PLC 程序設計有即時參數設定、數據修改、寫入頻率值和啟/停變頻器等功能，采用四段轉速取代原用的四擋機械風門控制方式。程序設計依據阿爾法變頻器ALPHA2000-37R5GB 通信協議，采用PLC 與變頻器間的RS-485 通信指令實現系統的遠程監控，人機界面HMI 由多個操作界面組成，每個操作界面都有不同的操作和監控功能，觸摸不同的按鍵可產生相應的信號，傳輸給PLC進行數據處理，從而產生相應的輸出信號控制設備的運行。通過觸摸屏，還能實現對設備運行狀態的在線監控，實時監測現場設備實際工作電壓、電流的變化和頻率的大小等參數。

PLC 的控制軟件對人機界面的狀態控制區和通知區進行讀寫，實現PLC 與人機界面之間的信息交互。PLC 通過讀人機界面狀態通知區中的數據，得到當前畫面中的信號，通過給人機界面狀態控制區寫入數據，達到強制切換畫面的目的。電機的變頻控制及風機風量控制，是通過在控制軟件中編寫不同的風機工作段位及設置不同的工作頻率值，由人機界面發出控制指令，經上位TWIDOPLC將控制指令經MODBUS 協議傳到現場的PLC，再由現場PLC實現對變頻器的控制，從而達到對風量大小的調節。其程序流程圖如圖2所示。

2 節能效益分析

2.1 風機特性及節能效益分析

風機是一種平方轉矩負載，采用轉速控制時，風機的轉速n 與風量q、風壓h 及風機軸功率P的關系為：q1越q2(n1/n2)，h1越h2(n1/n2)2，P1越P2(n1/n2)3，風機的風量q 與風壓h 的關系曲線如圖3 所示。圖中曲線n1 為風機在轉速n1 下風壓—風量(h—q)的特性;曲線n2 為風機在轉速n2下風壓—風量(h—q)的特性;曲線R1、R2為管阻特性，靜壓為摩擦性質的靜阻力。假設風機在標準工作點A 點效率最高，輸出風量q 為100%，風機軸功率P1 與Ah1Oq1成正比。

根據生產工藝要求，當風量需從q1 減小到q2時，如果采用調節閥門的方法關小閥門(相當于增加管阻)，使管阻特性從曲線R1 變到R2，系統由原來的標準工作點A 變到新的工作點B 運行，此時風機的風壓增加，風機軸功率P2與Bh2Oq2 的面積成正比。如果采用變頻器控制方式，風機轉速由n1降到n2，在滿足同樣風量q2 的情況下，風機風壓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，節能的效果是十分顯著的。即用閥門控制流量時，有功功率被浪費掉了，同時，隨著閥門不斷關小，這個損耗還要增加。因此上述兩者對比，采用改變調節閥開度的定速變壓運行，沒有采用變速恒壓的變頻調節運行效果好。

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