一、前言

天鐵冶金集團有限公司焦化廠現(xiàn)有58型焦?fàn)t兩座和JN43-80型焦?fàn)t一座，以及配套的備煤、煤氣；凈化、輔助化工原料回收、污水處理等一套完善的生產(chǎn)系統(tǒng)，年產(chǎn)焦炭112萬噸，焦?fàn)t煤氣5億立方米，焦油45000噸，粗苯13000噸，硫酸銨15000噸，以及日處理污水2400噸的能力。

隨著焦炭產(chǎn)量提高，煤氣收集壓力增大，原抽氣鼓風(fēng)機一運兩備的運行方式在夏季高溫天氣情況下已不能滿足生產(chǎn)要求，主要原因是煤氣壓力增大、溫度增高，若不能及時排出將可能發(fā)生爆炸。焦?fàn)t生產(chǎn)工藝中，集氣管煤氣壓力的控制效果將直接影響焦?fàn)t的生產(chǎn)。如果爐內(nèi)壓力過高，會導(dǎo)致焦?fàn)t冒黑煙，煤氣外泄，嚴(yán)重污染環(huán)境，給現(xiàn)場工人的工作和健康造成極大影響和危害；如果爐內(nèi)壓力過低，炭化室將出現(xiàn)負(fù)壓操作，會吸入大量空氣，浪費大量的煤氣，嚴(yán)重影響焦炭和煤氣的產(chǎn)量和質(zhì)量，并且長期負(fù)壓操作將會影響焦?fàn)t的正常生產(chǎn)及壽命。

如果要鼓風(fēng)機實施兩運一備運行方式，通過調(diào)整回流閥（也稱小循環(huán)閥）的開度來調(diào)節(jié)煤氣總管壓力，由于鼓風(fēng)機前后壓差較大，使得調(diào)節(jié)閥輕微動作，總管壓力就會發(fā)生劇烈波動，超過工藝容許范圍。因此會引起回爐煤氣壓力及外網(wǎng)用戶煤氣量均發(fā)生劇變，造成焦?fàn)t煤氣量不足或外網(wǎng)用戶不能正常生產(chǎn)，并且煤氣回流造成能量浪費。通過多方調(diào)研，焦化廠的技術(shù)人員提出使用變頻調(diào)速來改變鼓風(fēng)機轉(zhuǎn)速，從而調(diào)節(jié)集氣管的壓力方案。

高壓變頻器的產(chǎn)業(yè)化在80年代中期才開始形成，但隨著大功率電力電子器件的迅速發(fā)展和巨大的市場推動力，高壓變頻器十多年來的發(fā)展非常迅速，使用器件已經(jīng)從SCR、GTR、GTO發(fā)展到IGBT、IECT、IGCT（SGCT）等，功率范圍從幾百kW到幾十MW，技術(shù)已經(jīng)成熟，可靠性得到保證，應(yīng)用越來越廣。天鐵冶金集團有限公司焦化廠在考察對比了國內(nèi)外多家高壓變頻器生產(chǎn)廠家后，決定選用北京利德華福電氣技術(shù)有限公司生產(chǎn)的HARSVERT-A系列高壓變頻器。 ARSVERT-A系列高壓變頻器性能穩(wěn)定，可靠性高，并且已在電力、冶金、石化、市政供水、水泥等多個領(lǐng)域成功應(yīng)用，得到了用戶的普遍認(rèn)可和市場的長久考驗。

二、系統(tǒng)方案設(shè)計

1.系統(tǒng)電氣設(shè)計

天鐵集團焦化廠有三臺D1350-1.237/0.887煤氣鼓風(fēng)機，平時采用一運兩備方式，夏季才用兩運一備方式。根據(jù)實際工況要求設(shè)計主回路電氣結(jié)構(gòu)圖，選用HARSVERT-A型高壓變頻器一拖一和一拖二成功方案。

1.1電氣主回路原理

以1#鼓風(fēng)機為例說明，工作原理是由3個真空接觸器KM11、KM12、KM13以及2個高壓隔離開關(guān)QS11、QS12組成（見圖一），其中KM11、KM12、KM13為高壓真空接觸器，用于變頻和工頻的電動切換。QS11和QS12為高壓隔離開關(guān)，一般情況下處于合閘狀態(tài)，僅在變頻器檢修時拉開，用于電機工頻運行情況下對變頻器進行安全檢修。3#、4#風(fēng)機的主回路工作原理也類似。

特點：

1）可以實現(xiàn)工/變頻自動切換功能。在變頻器出現(xiàn)嚴(yán)重故障時，系統(tǒng)能夠自動切入工頻電網(wǎng)中，斷開變頻器時，負(fù)載不用停機，滿足現(xiàn)場不能停機要求。

2）易實現(xiàn)一運兩備和兩運一備運行方式。即一臺變頻運行，一臺變頻備用，一臺工頻備用；兩臺變頻運行，一臺工頻備用。

1.2　HARSVERT-A高壓變頻器采用單元串聯(lián)多電平電壓源型拓樸方式

其優(yōu)點是采用輸入多重化設(shè)計，高次諧波含量非常小，輸出采用單元模塊串聯(lián)，使得諧波含量極低，在無輸出濾波器的情況下，可使THD《0.3％，堪稱“完善無諧波”高壓變頻器；極低的轉(zhuǎn)矩紋波和電機噪聲；功率因數(shù)可達0.95；對電機絕緣無損害，電纜長度無限制；便于冗余設(shè)計。中文操作界面便于維修。

2.自動化網(wǎng)路設(shè)計

控制系統(tǒng)由主控PLC、旁路柜控制PLC、高壓變頻器、上位機組成。其中主控系統(tǒng)采用西門子S7-300PLC、旁路柜內(nèi)置西門子S7-200-PLC、上位機監(jiān)控選用組態(tài)王軟件。通訊網(wǎng)路在底層采用Profibus DP總線，主控PLC和上位機監(jiān)控系統(tǒng)采用以太網(wǎng)通訊。西門子S7-300PLC作為整個系統(tǒng)的控制核心，處理人機界面對系統(tǒng)的各種請求，對整個系統(tǒng)的參數(shù)進行監(jiān)控，實現(xiàn)對集氣管壓力的PID調(diào)節(jié)，維持管網(wǎng)的壓力恒定。自動旁路柜集成有S7-200PLC，完成變頻工頻切換功能。上位機系統(tǒng)采用用戶熟悉的組態(tài)王監(jiān)控軟件，與PLC的連接采用以太網(wǎng)方式。考慮現(xiàn)場工況，對安全性、可靠性、穩(wěn)定性要求都很高，我們現(xiàn)場控制級采用Profibus DP總線連接，監(jiān)控操作級采用Ethernet方案，接入焦化廠局域網(wǎng)主服務(wù)器系統(tǒng)，實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)視。配置上：西門子S7-200配置EM277 Profibus 總線模塊，S7-300選用315-2 DP，并配置CP341-1T 以太網(wǎng)模塊，PLC集成的DP接口用于連接S7-200，以太網(wǎng)模塊CP343-1T用于和上位機的以太網(wǎng)連接。

控制網(wǎng)絡(luò)具有如下特點：良好的穩(wěn)定性、擴展性、軟硬件的開放性以及友好的人機界面，上位機按冗余控制配置等優(yōu)點。

3.軟件設(shè)計

上位機系統(tǒng)選用亞控公司生產(chǎn)的組態(tài)王軟件。該軟件具有友好的人機界面，支持以太網(wǎng)絡(luò)。可以很方便的實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)視等功能。報表、報警功能強大，支持OPC，支持多種型號的PLC通訊。

軟件設(shè)計過程中，由于上位機的程序組態(tài)王不直接支持西門子的以太網(wǎng)通訊協(xié)議，因此需要利用OPC Server來作為過渡。這樣也使得局域網(wǎng)上的機器可以方便調(diào)用該機的參數(shù)，便于遠(yuǎn)程監(jiān)視。

S7-300 PLC采用Step 7軟件編程。軟件采用模塊化編程方式，把系統(tǒng)的各個工作編成一個個功能塊，在一個OB中調(diào)用，方便易用，便于用戶理解修改。支持梯形圖、語句表。采用一些容錯程序設(shè)計，加強系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

4.主要控制設(shè)計

4.1 油路冷卻系統(tǒng)自啟控制

每次鼓風(fēng)機啟動前先啟動液壓油泵，讓油流入升速器中，冷卻摩擦產(chǎn)生熱量，否則鼓風(fēng)機不能啟動。在運行中如果主油泵壓力達不到要求，輔助油泵自動啟動，并能根據(jù)油溫自動加熱。并對油路的堵塞情況、不同點的油溫檢測。

4.2 鼓風(fēng)機變頻、工頻自動切換控制

一臺鼓風(fēng)機變頻運行，當(dāng)變頻器故障跳閘時，系統(tǒng)會自動切換工頻運行，同時，小循環(huán)回流閥立即打開，機前煤氣壓力控制靠調(diào)節(jié)的小循環(huán)閥開度來實現(xiàn)。為了減小機前壓力無擾動切換，小循環(huán)開度初始值設(shè)為50%。

4.3 兩臺鼓風(fēng)機無擾動切換控制

當(dāng)1#鼓風(fēng)機變頻運行，要停機檢修變頻器或風(fēng)機時，投入3#鼓風(fēng)機。操作先用2#變頻器啟動3#鼓風(fēng)機，同時停 1#變頻器。由于機前壓力實現(xiàn)PID閉環(huán)控制，使得1#變頻按照設(shè)定的減速時間，平滑停車，進口閥門流量緩慢減小。相反，3#鼓風(fēng)機按照設(shè)定加速時間，轉(zhuǎn)速平滑上升，進口閥門流量緩慢增加。這樣保證機前集氣母管壓力恒定，實現(xiàn)兩臺鼓風(fēng)機無擾動切換，解決原控制系統(tǒng)下兩臺鼓風(fēng)機切換時產(chǎn)生的系統(tǒng)管網(wǎng)壓力發(fā)生劇烈波動的問題。

4.4 機前壓力PID閉環(huán)控制

對于壓力、流量等被調(diào)參數(shù)來說，對象調(diào)節(jié)通道時間常數(shù)T0較小，而負(fù)荷又變化較快，這時微分作用和積分作用都要引起振蕩，對調(diào)節(jié)質(zhì)量影響很大，故不采用微分調(diào)節(jié)規(guī)律。因此，焦?fàn)t煤氣壓力自動調(diào)節(jié)控制、小循環(huán)閥自動調(diào)節(jié)都采用PI調(diào)節(jié)。P值越大，比例調(diào)節(jié)作用越強，I值越小，積分作用越強

4.5 壓力傳感器掉線控制

對于一些可靠性要求非常高的控制系統(tǒng)，被控對象提出多點采集的理論，因此在機前母管上取兩個壓力采集點。把這兩點的壓力值送入PLC S7-300中比較，如果差值大于某個值，就認(rèn)為壓力值小的傳感器故障。這樣保證采集壓力值的準(zhǔn)確性，從而保證系統(tǒng)可靠性。

4.6 緊急故障預(yù)案措施

鼓風(fēng)變頻控制系統(tǒng)在主控室設(shè)計有緊急操作箱。在控制系統(tǒng)癱瘓情況下，操作轉(zhuǎn)換開關(guān)，通過硬連接線斷開變頻器上下接觸器，甩開變頻直接工頻啟動，小循環(huán)系統(tǒng)自動倒入原來老控制系統(tǒng)，以防止事故擴大。例如：Profibus總線電纜故障了，鼓風(fēng)機處于失控狀態(tài)，機前壓力靠風(fēng)機慣性緩慢減小，這時控制系統(tǒng)會發(fā)出聲光告警，報通訊故障，需要人工迅速干預(yù)切換為老控制方式下。

4.7 兩臺上位機監(jiān)控系統(tǒng)熱冗余控制

兩臺上位機同時監(jiān)控整個系統(tǒng)，當(dāng)主上位機A故障退出時，從上位機B仍然能實時監(jiān)控系統(tǒng)，這樣保證系統(tǒng)的安全性、可靠性。

三、結(jié)束語

用高壓變頻器控制鼓風(fēng)機，實現(xiàn)鼓風(fēng)機機前集氣母管的壓力恒定控制，大大改善了焦?fàn)t生產(chǎn)及現(xiàn)場環(huán)境，完全達到了生產(chǎn)工藝要求。PLC控制技術(shù)、PROFIBUS總線技術(shù)和高壓變頻技術(shù)的完美結(jié)合，使得集成自動化程度高，運行穩(wěn)定，操作簡單，節(jié)能高效明顯等優(yōu)點。解決了兩臺鼓風(fēng)機并列運行靠調(diào)節(jié)回流閥無法實現(xiàn)壓力恒定和相互無擾動切換，這個始終困擾焦?fàn)t生產(chǎn)的難題。

焦?fàn)t鼓風(fēng)機高壓變頻器控制系統(tǒng)的成功應(yīng)用，對于改善環(huán)境、提高煤氣回收量和質(zhì)量，都具有很高的經(jīng)濟價值，值得推廣。

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