變頻器在煙道閘板換向中的應用

李緒杰+何小波

摘要：蓄熱室橫火焰窯爐的燃氣需要左右換火燃燒，煙道閘板左右交換是換火系統中必不可少的一步。閘板由于電機通過變速箱和鏈條帶動，在啟停過程中由于沖擊的存在常導致鏈條斷裂。文章介紹了一種把變頻器用于換向電機控制的方法來解決換向沖擊這一問題，并成功應用到窯爐換火控制系統中。

關鍵詞：煙道閘板；變頻器；閘板換向；換火系統

中圖分類號：TQ177文獻標識碼：A文章編號：1009-2374（2014）21-0051-02

煙道閘板左右換向是蓄熱室橫火焰熔窯換向燃燒控制系統中的重要組成部分，換火系統的正常交換，關系到窯內爐壓、溫度和液位三個重要控制參數的穩定，同時直接影響到助燃空氣與燃氣分配和燃燒工況。改造前，交換系統在生產運行期間發生多次閘板開關位置到位過頭、鏈條斷裂等情況，造成爐內燃燒工況異常和換向失敗，直接影響玻璃熔液質量。為了提高換向系統的安全性，增加了一臺交流變頻器在啟停過程中通過變速控制閘板交換電機。

1事故原因分析

換向時啟動電動機，電動機旋轉拖動變速箱，經變速箱減速后由鏈條拖動帶有閘門的輪盤拖動閘門運動，當再次換向時通過接觸器改變電機轉向。

圖1啟動前后鏈條狀態示意圖

改造前，電動機由接觸器啟動，接觸器閉合時，電機開始加速旋轉，開始時鏈條AD段處于松弛階段，見圖1，電機旋轉將鏈條AD段拉緊，在拉緊過程中電機速度快速上升但該過程中電機及鏈條受力很小，拉緊后鏈條將承載上升側閘門重力，突然受力將形成沖擊。

停止時電機運行于額定狀態，當下降側閘門撞擊到行程開關后，電機控制回路中斷，電機失電，但此時由于慣性作用下降側閘門將繼續保持原有方向運動，此時行程開關受到沖擊力很大，長期易于造成行程開關位置發生形變，從而失效。而與之反側閘門在動能作用下將向上做拋物線運動，上升距離，上升后閘門又將經歷自由落體階段。下落時的沖擊速度還會達到v，這時也將會給鏈條施加一個沖擊力。

換火系統20分鐘換一次向，鏈條長期受較大沖擊力會加速造成鏈條斷裂風險，通過以上分析知道減小啟動和停止時的速度可以大大減小沖擊，因此考慮增設變頻器，利用變頻器在啟動時低速輸出，減小啟動沖擊。在換向快到位時提前減速，減到某一低速度后，讓電機低轉速運行，閘門緩慢接觸到行程開關后，再將速度緩慢降至0，該過程沖擊減小，也更好地保護了行程開關。

2煙道閘板換向系統設計

2.1系統組成部分

原系統主要包括煙道閘板、三相異步電機、機械減速器、行程開關、PLC控制柜等。設計在PLC后加變頻器進行電機轉動控制，見圖2。

圖2控制系統示意圖

2.2控制工藝

設計規定燃燒左換右時，提升煙道閘板的三相異步電機為“正”轉，即右閘板放下，左閘板提起，變頻器顯示FWD；右換左時，電機為“反轉”，即左閘板放下，右閘板提起，變頻器顯示REV。定時燃燒時間一到，投入左右換火，煙道閘板開始運行。

根據事故原因分析，啟動時需要緩慢啟動，停止時需要減速停止這兩個階段都需要啟用變頻功能，速度曲線與時間軸圍成的范圍正比于閘門運行的距離，我們可以通過計算或現場試驗確定最高頻率及換火時間。考慮到誤差等原因，第一次設置好后，在后面的運行時有可能提前就撞擊到了行程開關，或換火不到位時電機就停止了，因此考慮使用五段式曲線如圖3。第一段加速段，用于緩慢啟動減少啟動沖擊，第二段高速運行用于控制換火時間，第三段減速運行使閘門接近位置檢測開關，第四段低速運行碰撞行程開關減少行程開關撞擊也保證換火到位，第五段換火停止，減少鏈條沖擊。

經過試驗在該項目中把啟動時間設為3.6s，見圖3，最高頻率定為30Hz運行5.4s，減速至5Hz的時間設置為3秒，低速運行時間會由于各方面原因有所誤差，由行程開關撞擊時間確定，在本工程中大約為1s，停機時間設置為0.6s，整個換火時間大概為14s，能滿足工藝要求。

圖3變頻器時間頻率圖

2.3控制原理

閘板換向到位主要靠行程開關來檢測，左右各2個，停止和報警，確保信號到位的正確檢測，把檢測到的信號通過接線箱送到PLC控制器。PLC輸出信號控制變頻器的輸入端子X1和X2，通過變頻器內部參數設置，實現多步變頻控制閘板電機的正或反轉。左右行程桿一旦撞擊行程開關到位，控制系統立即輸出停止命令，變頻器輸出變為0Hz。

變頻器內部通過X1端子至X9端子的功能組合實現多步頻率，多步頻率選擇SS1（對應“0”）、SS2（對應“1”）、SS3（對應“2”）、SS4（對應“4”），當SS1接點輸入信號為ON時，SS2為OFF時（SS3和SS4沒用，默認為OFF），選擇的頻率為C05，作為高速平率；當SS1接點輸入信號為ON時，SS2為ON時，選擇的頻率為C07，作為低速信號頻率，見圖4。

圖4外部端子控制信號頻率選擇圖

電機加速啟動時間F07和減速啟動時間F08，可由下列算式計算：

加/減速實際動作時間=加/減速時間×（設定頻率/最高頻率）

因此分別可求得變頻器參數F07、F08設置時間為6s。對于時間參數，可以根據不同窯爐的實際情況和工藝要求設定各階段頻率，滿足生產工藝需求。

2.4選型

設計的交流變頻器安裝在控制室內，環境溫度長期控制在25℃，保證了設備最佳運行環境。選用的交流變頻器是一種低噪聲、高性能、多功能變頻器，能實現電機正反轉運行控制，多步頻率設定，LED液晶運行監視、維護監視、報警監視等。本次技改設計，變頻器選用的是FRN11G11S-4CX，完全滿足設計要求。

3結語

窯爐的換火系統在使用交流變頻器后，運行三年來，沒發生一次因煙道閘板交換引起的左右燃燒換向失敗，不僅延長了煙道閘板換向裝置的正常工作周期和使用壽命，以及對電機的保護，還大大減少了員工日常工作維護量和保證了后工序生產線產品的穩定生產。

參考文獻

[1]FRENIC5000G11S/P11S操作說明書．

[2]張鳳岐，劉錫榮，等．鏈條抽油機的換向沖擊與預防[J]．石油機械，1999，27（6）．

作者簡介：李緒杰（1977-），男，四川瑞琦控制技術工程有限公司工程師，研究方向：自動化控制設計；何小波（1981-），男，四川瑞琦控制技術工程有限公司工程師，研究方向：自動化控制設計。

endprint

摘要：蓄熱室橫火焰窯爐的燃氣需要左右換火燃燒，煙道閘板左右交換是換火系統中必不可少的一步。閘板由于電機通過變速箱和鏈條帶動，在啟停過程中由于沖擊的存在常導致鏈條斷裂。文章介紹了一種把變頻器用于換向電機控制的方法來解決換向沖擊這一問題，并成功應用到窯爐換火控制系統中。

關鍵詞：煙道閘板；變頻器；閘板換向；換火系統

中圖分類號：TQ177文獻標識碼：A文章編號：1009-2374（2014）21-0051-02

煙道閘板左右換向是蓄熱室橫火焰熔窯換向燃燒控制系統中的重要組成部分，換火系統的正常交換，關系到窯內爐壓、溫度和液位三個重要控制參數的穩定，同時直接影響到助燃空氣與燃氣分配和燃燒工況。改造前，交換系統在生產運行期間發生多次閘板開關位置到位過頭、鏈條斷裂等情況，造成爐內燃燒工況異常和換向失敗，直接影響玻璃熔液質量。為了提高換向系統的安全性，增加了一臺交流變頻器在啟停過程中通過變速控制閘板交換電機。

1事故原因分析

換向時啟動電動機，電動機旋轉拖動變速箱，經變速箱減速后由鏈條拖動帶有閘門的輪盤拖動閘門運動，當再次換向時通過接觸器改變電機轉向。

圖1啟動前后鏈條狀態示意圖

改造前，電動機由接觸器啟動，接觸器閉合時，電機開始加速旋轉，開始時鏈條AD段處于松弛階段，見圖1，電機旋轉將鏈條AD段拉緊，在拉緊過程中電機速度快速上升但該過程中電機及鏈條受力很小，拉緊后鏈條將承載上升側閘門重力，突然受力將形成沖擊。

停止時電機運行于額定狀態，當下降側閘門撞擊到行程開關后，電機控制回路中斷，電機失電，但此時由于慣性作用下降側閘門將繼續保持原有方向運動，此時行程開關受到沖擊力很大，長期易于造成行程開關位置發生形變，從而失效。而與之反側閘門在動能作用下將向上做拋物線運動，上升距離，上升后閘門又將經歷自由落體階段。下落時的沖擊速度還會達到v，這時也將會給鏈條施加一個沖擊力。

換火系統20分鐘換一次向，鏈條長期受較大沖擊力會加速造成鏈條斷裂風險，通過以上分析知道減小啟動和停止時的速度可以大大減小沖擊，因此考慮增設變頻器，利用變頻器在啟動時低速輸出，減小啟動沖擊。在換向快到位時提前減速，減到某一低速度后，讓電機低轉速運行，閘門緩慢接觸到行程開關后，再將速度緩慢降至0，該過程沖擊減小，也更好地保護了行程開關。

2煙道閘板換向系統設計

2.1系統組成部分

原系統主要包括煙道閘板、三相異步電機、機械減速器、行程開關、PLC控制柜等。設計在PLC后加變頻器進行電機轉動控制，見圖2。

圖2控制系統示意圖

2.2控制工藝

設計規定燃燒左換右時，提升煙道閘板的三相異步電機為“正”轉，即右閘板放下，左閘板提起，變頻器顯示FWD；右換左時，電機為“反轉”，即左閘板放下，右閘板提起，變頻器顯示REV。定時燃燒時間一到，投入左右換火，煙道閘板開始運行。

根據事故原因分析，啟動時需要緩慢啟動，停止時需要減速停止這兩個階段都需要啟用變頻功能，速度曲線與時間軸圍成的范圍正比于閘門運行的距離，我們可以通過計算或現場試驗確定最高頻率及換火時間。考慮到誤差等原因，第一次設置好后，在后面的運行時有可能提前就撞擊到了行程開關，或換火不到位時電機就停止了，因此考慮使用五段式曲線如圖3。第一段加速段，用于緩慢啟動減少啟動沖擊，第二段高速運行用于控制換火時間，第三段減速運行使閘門接近位置檢測開關，第四段低速運行碰撞行程開關減少行程開關撞擊也保證換火到位，第五段換火停止，減少鏈條沖擊。

經過試驗在該項目中把啟動時間設為3.6s，見圖3，最高頻率定為30Hz運行5.4s，減速至5Hz的時間設置為3秒，低速運行時間會由于各方面原因有所誤差，由行程開關撞擊時間確定，在本工程中大約為1s，停機時間設置為0.6s，整個換火時間大概為14s，能滿足工藝要求。

圖3變頻器時間頻率圖

2.3控制原理

閘板換向到位主要靠行程開關來檢測，左右各2個，停止和報警，確保信號到位的正確檢測，把檢測到的信號通過接線箱送到PLC控制器。PLC輸出信號控制變頻器的輸入端子X1和X2，通過變頻器內部參數設置，實現多步變頻控制閘板電機的正或反轉。左右行程桿一旦撞擊行程開關到位，控制系統立即輸出停止命令，變頻器輸出變為0Hz。

變頻器內部通過X1端子至X9端子的功能組合實現多步頻率，多步頻率選擇SS1（對應“0”）、SS2（對應“1”）、SS3（對應“2”）、SS4（對應“4”），當SS1接點輸入信號為ON時，SS2為OFF時（SS3和SS4沒用，默認為OFF），選擇的頻率為C05，作為高速平率；當SS1接點輸入信號為ON時，SS2為ON時，選擇的頻率為C07，作為低速信號頻率，見圖4。

圖4外部端子控制信號頻率選擇圖

電機加速啟動時間F07和減速啟動時間F08，可由下列算式計算：

加/減速實際動作時間=加/減速時間×（設定頻率/最高頻率）

因此分別可求得變頻器參數F07、F08設置時間為6s。對于時間參數，可以根據不同窯爐的實際情況和工藝要求設定各階段頻率，滿足生產工藝需求。

2.4選型

設計的交流變頻器安裝在控制室內，環境溫度長期控制在25℃，保證了設備最佳運行環境。選用的交流變頻器是一種低噪聲、高性能、多功能變頻器，能實現電機正反轉運行控制，多步頻率設定，LED液晶運行監視、維護監視、報警監視等。本次技改設計，變頻器選用的是FRN11G11S-4CX，完全滿足設計要求。

3結語

窯爐的換火系統在使用交流變頻器后，運行三年來，沒發生一次因煙道閘板交換引起的左右燃燒換向失敗，不僅延長了煙道閘板換向裝置的正常工作周期和使用壽命，以及對電機的保護，還大大減少了員工日常工作維護量和保證了后工序生產線產品的穩定生產。

參考文獻

[1]FRENIC5000G11S/P11S操作說明書．

[2]張鳳岐，劉錫榮，等．鏈條抽油機的換向沖擊與預防[J]．石油機械，1999，27（6）．

作者簡介：李緒杰（1977-），男，四川瑞琦控制技術工程有限公司工程師，研究方向：自動化控制設計；何小波（1981-），男，四川瑞琦控制技術工程有限公司工程師，研究方向：自動化控制設計。

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摘要：蓄熱室橫火焰窯爐的燃氣需要左右換火燃燒，煙道閘板左右交換是換火系統中必不可少的一步。閘板由于電機通過變速箱和鏈條帶動，在啟停過程中由于沖擊的存在常導致鏈條斷裂。文章介紹了一種把變頻器用于換向電機控制的方法來解決換向沖擊這一問題，并成功應用到窯爐換火控制系統中。

關鍵詞：煙道閘板；變頻器；閘板換向；換火系統

中圖分類號：TQ177文獻標識碼：A文章編號：1009-2374（2014）21-0051-02

煙道閘板左右換向是蓄熱室橫火焰熔窯換向燃燒控制系統中的重要組成部分，換火系統的正常交換，關系到窯內爐壓、溫度和液位三個重要控制參數的穩定，同時直接影響到助燃空氣與燃氣分配和燃燒工況。改造前，交換系統在生產運行期間發生多次閘板開關位置到位過頭、鏈條斷裂等情況，造成爐內燃燒工況異常和換向失敗，直接影響玻璃熔液質量。為了提高換向系統的安全性，增加了一臺交流變頻器在啟停過程中通過變速控制閘板交換電機。

1事故原因分析

換向時啟動電動機，電動機旋轉拖動變速箱，經變速箱減速后由鏈條拖動帶有閘門的輪盤拖動閘門運動，當再次換向時通過接觸器改變電機轉向。

圖1啟動前后鏈條狀態示意圖

改造前，電動機由接觸器啟動，接觸器閉合時，電機開始加速旋轉，開始時鏈條AD段處于松弛階段，見圖1，電機旋轉將鏈條AD段拉緊，在拉緊過程中電機速度快速上升但該過程中電機及鏈條受力很小，拉緊后鏈條將承載上升側閘門重力，突然受力將形成沖擊。

停止時電機運行于額定狀態，當下降側閘門撞擊到行程開關后，電機控制回路中斷，電機失電，但此時由于慣性作用下降側閘門將繼續保持原有方向運動，此時行程開關受到沖擊力很大，長期易于造成行程開關位置發生形變，從而失效。而與之反側閘門在動能作用下將向上做拋物線運動，上升距離，上升后閘門又將經歷自由落體階段。下落時的沖擊速度還會達到v，這時也將會給鏈條施加一個沖擊力。

換火系統20分鐘換一次向，鏈條長期受較大沖擊力會加速造成鏈條斷裂風險，通過以上分析知道減小啟動和停止時的速度可以大大減小沖擊，因此考慮增設變頻器，利用變頻器在啟動時低速輸出，減小啟動沖擊。在換向快到位時提前減速，減到某一低速度后，讓電機低轉速運行，閘門緩慢接觸到行程開關后，再將速度緩慢降至0，該過程沖擊減小，也更好地保護了行程開關。

2煙道閘板換向系統設計

2.1系統組成部分

原系統主要包括煙道閘板、三相異步電機、機械減速器、行程開關、PLC控制柜等。設計在PLC后加變頻器進行電機轉動控制，見圖2。

圖2控制系統示意圖

2.2控制工藝

設計規定燃燒左換右時，提升煙道閘板的三相異步電機為“正”轉，即右閘板放下，左閘板提起，變頻器顯示FWD；右換左時，電機為“反轉”，即左閘板放下，右閘板提起，變頻器顯示REV。定時燃燒時間一到，投入左右換火，煙道閘板開始運行。

根據事故原因分析，啟動時需要緩慢啟動，停止時需要減速停止這兩個階段都需要啟用變頻功能，速度曲線與時間軸圍成的范圍正比于閘門運行的距離，我們可以通過計算或現場試驗確定最高頻率及換火時間。考慮到誤差等原因，第一次設置好后，在后面的運行時有可能提前就撞擊到了行程開關，或換火不到位時電機就停止了，因此考慮使用五段式曲線如圖3。第一段加速段，用于緩慢啟動減少啟動沖擊，第二段高速運行用于控制換火時間，第三段減速運行使閘門接近位置檢測開關，第四段低速運行碰撞行程開關減少行程開關撞擊也保證換火到位，第五段換火停止，減少鏈條沖擊。

經過試驗在該項目中把啟動時間設為3.6s，見圖3，最高頻率定為30Hz運行5.4s，減速至5Hz的時間設置為3秒，低速運行時間會由于各方面原因有所誤差，由行程開關撞擊時間確定，在本工程中大約為1s，停機時間設置為0.6s，整個換火時間大概為14s，能滿足工藝要求。

圖3變頻器時間頻率圖

2.3控制原理

閘板換向到位主要靠行程開關來檢測，左右各2個，停止和報警，確保信號到位的正確檢測，把檢測到的信號通過接線箱送到PLC控制器。PLC輸出信號控制變頻器的輸入端子X1和X2，通過變頻器內部參數設置，實現多步變頻控制閘板電機的正或反轉。左右行程桿一旦撞擊行程開關到位，控制系統立即輸出停止命令，變頻器輸出變為0Hz。

變頻器內部通過X1端子至X9端子的功能組合實現多步頻率，多步頻率選擇SS1（對應“0”）、SS2（對應“1”）、SS3（對應“2”）、SS4（對應“4”），當SS1接點輸入信號為ON時，SS2為OFF時（SS3和SS4沒用，默認為OFF），選擇的頻率為C05，作為高速平率；當SS1接點輸入信號為ON時，SS2為ON時，選擇的頻率為C07，作為低速信號頻率，見圖4。

圖4外部端子控制信號頻率選擇圖

電機加速啟動時間F07和減速啟動時間F08，可由下列算式計算：

加/減速實際動作時間=加/減速時間×（設定頻率/最高頻率）

因此分別可求得變頻器參數F07、F08設置時間為6s。對于時間參數，可以根據不同窯爐的實際情況和工藝要求設定各階段頻率，滿足生產工藝需求。

2.4選型

設計的交流變頻器安裝在控制室內，環境溫度長期控制在25℃，保證了設備最佳運行環境。選用的交流變頻器是一種低噪聲、高性能、多功能變頻器，能實現電機正反轉運行控制，多步頻率設定，LED液晶運行監視、維護監視、報警監視等。本次技改設計，變頻器選用的是FRN11G11S-4CX，完全滿足設計要求。

3結語

窯爐的換火系統在使用交流變頻器后，運行三年來，沒發生一次因煙道閘板交換引起的左右燃燒換向失敗，不僅延長了煙道閘板換向裝置的正常工作周期和使用壽命，以及對電機的保護，還大大減少了員工日常工作維護量和保證了后工序生產線產品的穩定生產。

參考文獻

[1]FRENIC5000G11S/P11S操作說明書．

[2]張鳳岐，劉錫榮，等．鏈條抽油機的換向沖擊與預防[J]．石油機械，1999，27（6）．

作者簡介：李緒杰（1977-），男，四川瑞琦控制技術工程有限公司工程師，研究方向：自動化控制設計；何小波（1981-），男，四川瑞琦控制技術工程有限公司工程師，研究方向：自動化控制設計。

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