变频器自动控制在1880M3高炉循环水系统中的研究与应用

韩国新，盛丽娜，张 军

（山东钢铁莱芜钢铁集团有限公司自动化部，山东莱芜 271104）

0 引言

1880m3高炉循环水系统包括软水系统、净水系统、浊水系统，主要用于供高炉区冷却用水，其中软水用于供高炉冷却壁冷却水、高炉炉底及风口大套冷却水、高炉风口中套冷却水、热风炉热风阀冷却水、热风炉休风阀冷却水、热风炉混风阀冷却水。净水用于供高炉风口小套冷却水、高炉设备冷却水、热风炉工业设备冷却水、空压机冷却水、矿槽粉尘加湿机用水、矿槽除尘风机用冷却水、槽下液压站冷却水、双轴加湿机用水、眼睛阀冷却水、TRT冷却用水、喷煤系统冷却水、出铁场除尘系统冷却水、出铁场炉前液压站冷却水。浊水用于1880m3高炉炉喉钢砖、14-15铸钢冷却壁冷却水。所有水为循环使用。循环水系统全部采用了全新的PLC控制技术，来实现对高炉冷却壁、风口大中套以及高炉设备等的冷却，很好的对高炉冷却水的流量、压力、温度进行了控制。软水系统由四个循环水泵，两用两备，两台补水泵，两台紧急补水泵，以九个蒸发空冷器组成。由高炉回来的热水经蒸发空冷器冷却后，由循环水泵重新打到高炉上。两台补水泵由变频控制，当管道压力降低较小时，自动启动补水泵进行补水。压力降低较大时，将自动启动紧急补水泵。

本控制系统采用仪电合一方式，由ABB变频器完成高炉补水全部控制，同时，设立监控站，通过以太网对整个系统进行监视和管理。

在设计中，充分考虑了人机接口的完善，为易于操作工操作，画面监控、报警等功能得到充分完善。通过对高炉补充水控制系统的研究与应用，很好的解决了管道压力波动问题，另外，对水温的控制也起到了良好的效果。保证了高炉对冷却水的要求。

1 高炉补水自控系统方案设计

针对循环水系统设备精确度高、限制因素多等特点，为达到设计方案稳定可靠、经济实用，将企业的节能降耗目标向前不断推进的目的，决定采用ABB系列变频器控制系统。网络上采用光纤以太环网的方式实现信息传输。为生产操作人员提供了完善、实用的人机接口，并实现了补水系统的自动控制等功能。

1.1 系统软件及硬件配置

现场控制站计算机系统选用施耐德公司的Pentium系列的PLC产品，该软件技术成熟，经济性较好，使用方便，安全可靠，较好地实现了自控系统的高性能化、高可靠化、保养简便化。

（1）控制软件组态：根据硬件配置，进行了正确的、合理的地址分配及系统组态，数据采集由Vijeo Citect服务器通过Schneider Electric Quantum PLC硬件与现场设备状态连接；数据处理采用Pentium系列PC机；

（2）为满足生产要求，方便操作人员，绘制了工艺画面、操作画面、确定了报警点、历史数据采集、报表及报表打印。

1.2 变频器控制技术方案

控制策略确定及系统工作原理

高炉水冷却系统主要用于高炉冷却壁的冷却，当管道压力波动大以及冷水水温较高时，对冷却都有一定影响，直接会影响到高炉的寿命。因此，自动化系统对软水系统至关重要。基于PLC自控系统的控制，对软水泵的启停做出精准控制。因此，莱芜钢铁集团有限公司1880m3高炉循环水系统变频器自动控制系统设置为三电一体化（EIC）结构，上位监控机采用分布式设计，采用光纤连接成快速100M以太环网，通讯速度快且可靠。

2 计算机系统控制功能的实现

1880M3循环水系统控制由原来的机旁操作全部改为计算机操作，所有参数全部由画面进行显示。主泵的操作根据工艺需要，由画面点击启动，一般为一用一备，当一台泵出现故障时，程序会自动切换到另外一台泵，能有效的节约能源。整个控制的核心在于对补水泵的控制，详细介绍如下：

2.1 自动补水功能

1880m3循环水补水系统由两台泵组成，一用一备，当一台泵出现故障时，切换到另外一台泵使用。两台补水泵均由ABB变频控制，泵的启停是靠软水补水管道压力的大小来完成的。当压力低时，自动启动其中一台补水泵，目前设定值为0.31Mpa，但当到0.31 Mpa时，由于管道瞬间压力波动频繁，导致接触器动作频繁，电机时启时停，对设备伤害很大。为了避免这种现象，程序中采用了自锁功能，即当监测到0.31 Mpa时，瞬间自锁，保证程序输出的稳定，即保证了电机输出的稳定。电机是靠变频来调速的，由于管道压力较大，电机在30Hz以下工作时，补水效果很不明显，为了以最快时间达到工艺要求的压力值，对电机的旋转速度进行了调整。另外，若出现特殊情况，如压力变送器损坏，数据显示将变为零值，而变频将误认为现场压力过低，将输出50Hz频率给电机，会导致不停的给管道补水，造成管道压力增大，甚至会造成管道破裂，后果不堪设想。在这种情况下，程序中采用了两种处理方式，第一种是操作工及时发现切换到手动进行补水，第二种是又将软水回水压力串到程序之中，保证了管道压力的稳定性。

软水紧急补水泵的启停是根据高炉膨胀罐水位来实现的，系统采用了先进的网络传输技术，即把高炉本体的膨胀罐水位超低、低、高、超高信号分别传输到高炉软水PLC系统中，程序进一步处理，当水位超低时，自动启动其中一台紧急补水泵，当水位高时，自动停止紧急补水。若操作工将操作画面打到手动状态时，若出现紧急情况，如管道大量漏水，操作工来不及到现场启动电机，我们又将PLC输出与现场机旁操作箱输出并在一起，即在现场操作箱打在手动情况下，亦可在画面上启动电机，将保证给高炉的供水，防止因水压不足造成对高炉冷却壁烧坏的现象，采用了双保险的控制思路。

2.2 净水补水软启功能

在净水系统中，采用了软启功能。具体原理如下：

软起动器（软启动器）是一种集电机软起动、软停车、轻载节能和多种保护功能于一体的新颖电机控制装置，国外称为Soft Starter。软启器采用三相反并联晶闸管作为调压器，将其接入电源和电动机定子之间。这种电路如三相全控桥式整流电路。使用软启动器启动电动机时，晶闸管的输出电压逐渐增加，电动机逐渐加速，直到晶闸管全导通，电动机工作在额定电压的机械特性上，实现平滑启动，降低启动电流，避免启动过流跳闸。待电机达到额定转数时，启动过程结束，软启动器自动用旁路接触器取代已完成任务的晶闸管，为电动机正常运转提供额 定电压，以降低晶闸管的热损耗，延长软启动器的使用寿命，提高其工作效率，又使电网避免了谐波污染。软启动器具有以下特点：1.提高电机的起动性能、可靠性和自适应能力，根据本身的转速自动完成，无需人去干涉。

2.过载保护功能：软起动器引进了电流控制环，因而随时跟踪检测电机电流的变化状况。

3.过热保护功能：通过软起动器内部热继电器检测晶闸管散热器的温度，一旦散热器温度超过允许值后自动关断晶闸管，并发出报警信号。

2.3 监控画面

我们绘制了工艺流程画面、设备启停画面、工艺参数画面、历史记录、以及历史趋势画面。使操作人员可以通过画面监视整个生产过程，启停设备、监视参数、观察趋势，查询历史记录。

3 本系统的技术特色

（1）补水实现自动，采用先进的模糊控制理论。采用循环水自动控制大大节约了用水及用电量。

（2）计算机系统采用新的并行处理系统形式—机群系统。基础级采用I/O远程通讯网连接，实现各控制主机的分布式控制；监控级采用光纤以太环网，Client/Server结构，实现各监控终端的集中显示操作、管理、故障自诊断。确保系统高速、可靠运行及良好的扩展性。

（3）实现高性能化、高可靠化、保养简便化、节省配线，为用户提供更为灵活的系统集成主动权。

（4）软件技术成熟，稳定可靠，能及时对现场问题作出智能化反应。

（5）软硬件系统抗干扰功能，设置多种分段过滤处理方式，及时准确捕捉现场实时信号。

（6）电缆铺设严格按照强弱电区分原则，现场及柜内接地处理，有效防止了通信干扰。

（7）有效的避免生产成本的浪费，减轻职工的劳动轻度，极大地利于生产稳定顺行、节能降耗，取得了客观的经济和社会效益。

4 结语

高炉循环水自动补水系统采用先进的变频器自动控制技术，系统运行可靠，能够满足生产工艺要求，控制灵活、性能稳定可靠，便于操作维护。该系统采用三电一体化、光纤以太环网的系统结构，实现了数据共享，数据采集周期短，刷新速度快，网络稳定性好，并实现了生产工报警、历史趋势及报表打印等功能。降低了高炉的减风及休风率，故障处理时间降低，且系统稳定可靠，操作维护方便，提高了生铁的产量，在降低能耗、高产稳产、安全生产、保护环境等方面发挥了重要作用。

[1]姜永华，PLC与变频器控制系统设计与调试。2011.6。

[2]徐斌，施耐德PLC应用技术。2011.2。

[3]施利春，PLC与变频器。2007.6。