基于PLC和變頻器的高爐礦槽除塵節能改造控制系統

鄧小春

福建三鋼鐵有限公司，福建泉州　362411

基于PLC和變頻器的高爐礦槽除塵節能改造控制系統

鄧小春

福建三鋼鐵有限公司，福建泉州362411

本文簡要介紹三安鋼鐵有限公司高爐礦槽除塵風機高能耗問題，綜合其運行狀況及特點，提出利用PLC及高壓變頻技術的改造方案，并通過改造方案改造前后風機運行狀況的比較分析，驗證變頻節能改造效果顯著，具有較高的經濟效益和社會效益。

PLC；高壓變頻器；礦槽除塵；節能

礦槽除塵系統主要負責高爐配料系統中各種揚塵點集塵采集、空氣凈化、環保排放的功能。目前在正常生產情況下，礦槽除塵風機一直不間斷的運行，入口檔板開度100%，耗電量非常大；各揚塵點閥門均手動開關，無法做到自動控制，人員操作強度大，有些工序還需多人才能協調完成，人力成本巨大。無法兼顧節能與環保，系統除塵效率低。

因此，在礦槽除塵系統中針對礦槽分布的除塵點進行實時工況管理，通過自動化監控提高各除塵點的工作效率、系統利用率，結合利用高壓變頻調速技術實現除塵風機高效節能運行，則有助于提高礦槽除塵系統的節電效果。

1　工藝概述

根據三安鋼鐵有限公司1#高爐礦槽除塵系統，首先對礦槽配料系統各揚塵點的運行工況進行分析：1#礦槽槽上與皮帶有關的布料、分料、轉運等環節的揚塵點有43個，槽下振動篩的揚塵點有12個。所有的揚塵點都要根據高爐的生產工藝要求進行分時間歇性工作。

鑒于上述分析，結合生產工藝實際，對所有集塵風管管道蝶閥進行更換，采用控制靈活的氣動蝶閥來替代手動蝶閥，并且采用PLC集中控制的方式，來實現生產工藝對各集塵管道口風量需求，提高自動化管理水平，降低職工的勞動強度。

根據1#礦槽除塵風機參數（如表1），可知除塵風機功率大，啟動時會產生很大的沖擊電流，對電機和電網都會有很大的沖擊等因素影響。經過考察，采用高壓變頻器對風機實行一拖一控制，采用與電動機相同功率等級的高壓變頻器拖動。利用變頻器作為風量的調節，從而達到最佳的節能目的。

表1　風機參數

額定功率KW 1250工作電壓KV 10KV額定電流A 77.4功率因數0.88

2　控制方案設計

2.1系統結構

利用除塵系統原有的PLC系統進行改造。在原來的PLC系統中加上蝶閥的控制和變頻器的控制。該系統包括原有的下位機PLC以及上位機監控軟件部分，在硬件部分需要增加通訊電纜、Modbus/Profibus-DP適配器、獨立模塊等，上位機WINCC軟件通過工業以太網訪問PLC，實現上位機與PLC數據的動態交互。系統結構圖如圖1所示。

2.2蝶閥的控制

除塵蝶閥控制原系統是以手動操作蝶閥開關，現將揚塵點集塵罩管道的手動操作蝶閥更換為氣動蝶閥，然后由PLC根據下料情況來自動開關。

1）分料和轉運皮帶的機頭和機尾的揚塵點25個，當皮帶運行時會產生大量的粉塵，需要蝶閥打開集塵；當皮帶停止運行，延時10s再關閉。

2）槽上布料小車卸料有18個揚塵點。當布料小車向貯礦倉卸料時，由于落差大會產生劇烈的揚塵；布料皮帶運行，小車移到指定貯礦倉卸料，打開該貯礦倉除塵管道上的蝶閥，當停止卸料時延時10s關閉。

3）槽下振動篩的揚塵點12個，當振動篩工作，除塵蝶閥打開，振動篩停止除塵閥延時10s關閉。

2.3變頻器的控制

系統需要PLC和除塵風機變頻器之間進行數據交換。由于變頻器與PLC控制系統距離較遠，且長度不一的控制電纜會造成信號衰減的不同程度，基于成本及系統的穩定性和可靠性考慮，采用現場總線控制。原有的西門子300PLC采用PROFIBUS DP協議［1］，而高壓變頻器只支持Modbus RTU協議，因此，兩者之間采用Modbus轉PROFIBUS DP適配器PM-125作為中間轉換，實現2種不同協議之間的通訊（圖2）。通過通訊，上位機實現遠程啟停、狀態監視、自動調速等功能，從而，降低除塵風機電耗，達到環保、節能、高效的目的。

本系統有遠程與本地控制切換，遠程可以在上位機進行變頻器的啟停，切到本地時，變頻系統觸摸屏操作，并實時顯示工作狀態并進行記錄。如果變頻出現嚴重故障，可恢復至原工頻運行而不影響安全生產。

1）變頻啟停控制。變頻遠程啟停控制程序設計如下：

2）變頻調速控制。由于除塵蝶閥是間歇性工作，而且蝶閥打開的時間長短不一，除塵管道的大小也不一樣，因此，根據不同型號風管上的蝶閥打開的個數來計算礦槽除塵系統的實時風量需求。PLC通過遠傳轉速調節指令至高壓變頻器進行變頻調速［2］，調節系統的風量平衡。從而，大大提高系統的自動化控制水平，減少運行人員的操作維護量。完善畫面監控系統，全程自動控制，并且可以根據實際的應用效果，不斷的調整各個參數的設定，以達到最大使用效率，保證良好的除塵效果和最佳節能收益。

表3　變頻改造前后各項數據

變頻調速遠程控制流程如圖3。

4　應用效果

高爐礦槽除塵系統經改造后，從本質上解決了安全問題和人員短缺問題，保證了除塵系統的正常運行，并且大大減少了工作量，降低了勞動強度，改善了作業環境，有利于保障職工的身體健康，取得了巨大的環保效益。尤其是使用變頻器后，風機電機消耗功率明顯減小，實現了風機電機軟起動，沒有起動電流沖擊，避免了對電機及電網的沖擊，且變頻調速精度高。隨著電機轉速的降低，電機前軸溫度后軸溫度也隨著下降，機械的磨損也減小，從而延長了風機的使用壽命，降低了設備的維護成本。各個風管集塵口的集塵效果良好，粉塵嚴重的現象得到根治。

1#高爐礦槽除塵風機變頻節能改造項目已于2015年12月全部完成并投入運行，2016年4月完成驗收，經過幾個月的測試和對比煉鐵廠提供的風機沒改變頻控制之前的用電量統計（如表2），計算得出每月可以節約電量17.167 2萬度，節電率大于23%，整個項目投資基本已經收回。從實際應用結果可以得出，系統的除塵效果明顯工作環境得到改善，且達到了預期的節能的效果，兼顧了節能與環保的理念，具有良好的經濟效益和社會效益。

5　結論

該系統采用高壓變頻技術和PLC集中控制相結合的方式，提高自動化水平、降低設備故障率，為減員增效提供條件；除塵管上加裝氣動蝶閥自動開關，也節省了很多風量，風機的風壓增大，提高系統除塵效率，實現了高效節能。綜上所述，采用基于PLC集中控制及變頻器為核心部件的除塵系統具有很強的實用性。

［1］廖常初.S7-300/400PLC應用技術［M］.北京：機械工業出版社，2011.

［2］楊長英.高壓變頻器在高爐礦槽除塵系統中的應用［J］.變頻器世界，2013（2）.

［3］楊長英.高壓變頻器在高爐礦槽除塵系統中的應用［J］.有色冶金節能，2012，28（5）：44-46.

［4］陳建行，王文森，陳裕華.唐山寶泰鋼鐵公司風機高壓變頻技改紀實［J］.變頻器世界，2011（3）：72-75.

TN77

A

1674-6708（2016）166-0210-03

鄧小春，福建三鋼鐵有限公司。