变频器转炉煤气恒压输送过程中的设计及应用

变频器转炉煤气恒压输送过程中的设计及应用

黄守俭

珠海供排水管网有限公司       广东 珠海 519000

摘要：煤气输送过程中是生产重要环节，由于生产工况不稳定造成用气量大幅频繁波动，这就需要一种有效的控制系统和控制方法，本文根据生产需要恒压要求设计一套基于PID变频调速恒压系统，该系统操作简单，控制精度高等特点，在实际运行中达到良好效果。

关键字：PID调节  恒压控制  变频调速

引言：

  目前，随着我国科学技术，电子技术、计算机网络等高新技术不断发展，变频器的功能越来越丰富，制造商在开发、制造变频器时，充分考虑到用户需求，设计了多种可供用户选择功能，其中PID控制技术是过程控制的一种常用方法，在保证系统平稳安全运行方面起着十分关键的作用，本文针对变频器在转炉煤气输送过程中恒压控制的应用进行简要概述及部分优点进行分析。

某钢铁公司气柜一期煤气输送工程主要工艺为转炉产生煤气经除尘后输送到气柜储存后由四台加压风机输送到用户使用。但该工程中加压风机为工频运行，管网压力采用阀门调节，加之转炉生产具有间断性，阀门调节响应慢，周期长，造成煤气主管网压力波动较大，，用户经常反映煤气燃烧效果不好。为解决此问题某钢铁公司决定对现有煤气系统进行改造，使煤气官网压力恒定，确保用户良好使用，具体如下。

一、设计思路

为满足以上工艺要求，设计思路为将原四台工频风机改为“两备两用”用于建立初始压力，另增两台加压风机采用变频控制稳定煤气管网压力。工艺流程图如下

二、施耐德ATV71变频器介绍

（1）变频调速装置特点

变频调速装置是通过改变电机电源的电压及频率使电机在不同的频率下运行从而使电机转速改变。具有以下优点：

调速范围宽，可以从零转速到工频转速的范围内进行平滑调节。

具有自带PID功能进行计算自动调节。

在大电机上能实现小电流的软启动，启动时间和启动方式可以根据现场工况进行调整。

（2）变频器PID控制原理

  PID控制属于闭环控制是指将被控量的检测信号（即由传感器测得实际值）,反馈到变频器与被控量的目标值进行比例（P）积分（I）微分（D）运算来调整变频器的输出频率，如尚未达到则根据两者的差值进行调整，使被控量始终稳定在目标量上，通常适用于流量控制，压力控制及温度控制等。

（3）变频器PID恒压系统流程图：

  PID控制恒压供气主要有：变频器 压力传感器 和现场的加压机组在一起，组成一个完整的闭环调节系统如下图所示：

  从图中可看出系统可分为：执行机构、信号检测机构、控制机构三大部分，具体为：

执行机构：执行机构是由三相异步电机 风机组成它们作用是为转炉煤气增压，增压高低和流量大小跟电动机转速成正比变化来控制，而电动机的转速由变频器控制，可以进行变频调速用以根据生产所需压力变化而改变电动机转速，以维持系统的压力恒定。

信号检测机构：采用PDS403型压力变送器，在系统控制过程中实时检测煤气主管网的压力，把压力变化的信号转换为电流信号反馈给变频器。

控制机构：恒压控制系统一般安装在控制柜中，PID变频控制器是整个变频恒压控制系统的核心，控制器对采集的信号进行分析 计算 通过变频调速器对执行机构进行控制，其跟踪控制器送来的信号改变运行频率，完成转速控制。

三、本项目中具体设计及应用

（1）主要元器件选型配置

（2）回路设计

图一启动回路及风扇控制

图二PLC输入及端子设计

图三现场操作箱设计

图四变频器控制接线设计

（3）设计说明：

本设计中变频器采用端子控制

①启动 利用KA1控制，KA1吸合变频器按给定值启动，KA1断开变频器停止。

②调速变频器给定来自AI2端4-20mA电流输入，由PLC模块提供，由操作人员根据生产需要人为调整，不设置预设速度。

③反馈 变频器反馈来自扩展模块VW3A3202的AI4，由现场安装的压力变送器PDS403输出提供

④压力变送器 为适应本项目压力变送器PDS403H-1BS0D1NB的量程调整为1-25kPa

（4）变频器具体参数设置

基本参数设置如下表：

注释：除以上参数外其他均为默认值

（5）PID的调试

压力P:P=30%~70% Ti=24~180s（经验值）

  1：确定比例增益P：确定比例增益P时，首先去掉PID的积分项和微分项，一般是令Ti=0，Td=0，使PID为纯比例调节。输入设定为系统允许的最大值60%~70%，由0逐渐加大比例增益P，直至系统出现振荡；再反过来，从此时的比例增益P逐渐减小，直至系统振荡减少，记录此时的比例增益P，设定PID的比例增益P为当前值的60%~70%。比例增益P调试完成。

  2：确定积分时间常数Ti 比例增益P确定后，设定一个较大的积分时间常数Ti的初始值，然后逐渐减小Ti，直至系统出现振荡，之后在反过来，逐渐加大Ti，直至系统振荡消失，记录此时的Ti，设定PID的积分时间常数Ti为当前值的150%~180%,积分时间调试完成。如下图所示：

图一手动调节时压力趋势图

图二使用变频器PID控制时趋势图

（6）PID参数设置

四．实际应用效果

1：使用了变频器PID调节解决了管道压力波动，提高了系统的稳定性和可靠性。

2：变频器对加压机实现变频软启动，加压机在低频下启动，减少对机械设备的冲击有效延长了电机的寿命。

3：由于变频器通过变频调节加压机的转速来控制风机的送风量，不需要调节阀门来调节达到节能效果，调节阀门故障率减低减少了维修费用。

4：原来加压机一个星期至少更换3个轴承，使用变频加压机后减少了对机械的磨损，现在几乎只需要吹吹灰加下润滑油，按照一个轴承180元/个，一个月下来节省轴承开支2160元传动装置1500元。

5：新装加压机增加了管网的输送量，满足了生产前提下转炉煤气回收量由原来的吨钢回收指标155Nm*3/t提高到170Nm*3/t节约了能源，减少了放散对环境的污染。

五．结束语

  上述的PID控制方法在实际使用过程中，节能、环保、控制方便、对于要求较高的控制可以收到很好的效果，为现代企业提高生产效率和产品质量，获得更好的经济效益有着十分重要的意义。

参考文献

1：杨电功变频器应用一点通：电气控制从理论到实践机械工业出版社2013年6月

2：施耐德Altivar71说明书

3：雷春俊，袁川，张岩龙. 基于变频器PID控制的水泵闭环节能改造技术[J/OL]. 石油石化节能,2018(12):60-61+10[2019-01-24].

4：曾昊. PLC在变频器输出频率控制中的应用[J/OL]. 集成电路应用

5：李珍珍. 基于变频器的楼宇恒压供水实验模型设计的研究[J]. 电子元器件与信息技术,2018(10):10-13.