（通信与信息系统专业论文）高炉渣冲渣水余热供暖监控系统研究与开发.pdf

青岛理工大学工学硕土学位论文 g s ! ! ! ! ! ! j = ! ! ! ! ! e ! ! ! e = ! ! ! g ! ! ! = ! ! ! ! ! ! ! ! = = ! ! ! ! = ! ! ! ! ! ! = = ! ! ! ! = = = ! ! ! ! = = = ! ! ! ! ! = = = ! ! ! = = = ! 摘要 高炉渣是钢铁生产过程中产生的主要副产品，也是一种非常有利用价值的二 次资源。如果对高炉渣冲渣水进行余热回收，不但可以解决钢厂附近供暖热源问 题，还可以减少冲渣水的消耗，降低对环境的污染，具有显著的经济效益和社会 效益。 本文针对济钢17 5 0 m 3 高炉渣冲渣水余热供暖工艺流程现状，以及高炉渣出渣 不连续、温度波动大的难题，开发设计了一套高炉渣冲渣水余热供暖监控系统， 该系统实现了对整个工艺过程的监测与控制。本文基于系统工艺流程，进行了方 案设计，p l c 控制器、变频器、相关传感器的选型以及下位机、上位机软件开发。 系统构架采用以s i e m e n s ：s 7 3 0 0 系列p l c 为核心控制器的三层网络结构。并采 用模块化设计方法，便二于系统扩展、控制管理和日常维护。同时，针对系统控制 功能的需求，采用变频控制方法，达到了节能、稳定、可靠的控制效果。软件部 分采用与s i e m e n ss 7 3 0 0 系列p l c 配套的s i m a t i cs t e p 7 ，进行下位机程序开 发，通过变频器控制水泵和电机。上位机人机界面选用功能强大的w i n c c 组态软 件，实现了系统流程组态、人机界面动态显示、系统控制、数据报表打印、故障 诊断和报警功能等。 本文设计的高炉渣冲渣水余热供暖监控系统实现了智能化自动监控，能够满 足高炉出渣不连续工况下，连续供暖的设计要求。目前，本系统已经在济钢1 7 5 0 m 3 高炉冲渣水余热供暖系统获得应用，结果表明：整个系统可以实现换热站无人值 守、远程监控功能，有效地降低系统运行成本，节约能源，提高生产效率。 关键词：高炉渣；余热回收；p l c ；监控系统 青岛理工大学工学硕士学位论文 詈詈暑暑暑皇昌昌喜喜鲁喜皇鲁喜喜葛摹詈詈詈詈詈詈詈皇寡 暑篁置詈詈詈詈詈詈詈暑皇詈晕置! 詈! 詈詈葛詈暑詈詈詈詈皇詈詈詈寡墨墨詈詈詈詈詈詈詈兰詈詈暑墨霉詈詈皇詈皇皇詈詈詈皇詈詈! 詈e ! g 墨 a b s t r a c t t h eb l a s tf u r n a c es l a gi so n eo ft h eb y - p r o d u c t sd u r i n gt h ep r o d u c t i o no fs t e e la n d i ti sa l s oav e r yu s e f u ls e c o n d m yr e s o u r c e s i ft h eb l a s tf u r n a c es l a gw a s t ew a t e rc a nb e r e c y c l e da n de m p l o y e di nh e a t i n g ，i tc a nn o to n l ys o l v et h ep r o b l e mo fh e a t i n g r e s o u r c e sn e a r b yf a c t o r yb u ta l s oc a nr e d u c et h ea m o u n to fw a t e ru s e di nb l a s ts l a g f l u s h i n g ，a n dt h e n ，i t c a nm i n i m i z et h ee n v i r o n m e n tp o l l u t i o n t h e r e f o r e ，i th a s e x t r a o r d i n a r ye c o n o m i cb e n e f i ta n ds o c i a lb e n e f i t a c c o r d i n gt ot h et e c l m o l o g i c a lp r o c e s so f 17 5 0m 3b l a s tf u r n a c ew a s t ew a t e r r e s i d u a lh e a th e a t i n gi nj i n a ni r o na n ds t e e lc o r p o r a t i o na n dt h eh u g ef l u c t u a t i o n p r o b l e mo fh i g ht e m p e r a t u r ef l u s hs l a g ，a nm o n i t o rs y s t e mi sd e s i g n e df o rt h eb l a s t f u r n a c es l a gf l u s h i n gw a t e rh e a t i n g ，w h i c hp e r f o r mt h em o n i t o ra n dc o n t r o lo ft e c h n i c a l p r o c e s s t h i sp a p e re l a b o r a t e si nt h ef o l l o w i n ga s p e c t s ：t h es y s t e ms o l u t i o nd e s i g n ；t h e m o d e ls e l e c t i o nf o rp l c ，f r e q u e n c yc o n v e r t e ra n ds e n s o r s ；t h ei m p l e m e n to fu p p e r c o m p u t e ra n dl o w e rc o m pu t e r , t h eh a r d w a r ei sat h r e e l a y e rn e tf r a m e w o r kc o m p o s e d o fp l c ( s i e m e n ss 7 - 30 0 ) s e r i e sc o r ec o n t r o l l e r , t h ed e v i c e sa r ec h o s e no nt h eb a s i so f c o n t r o lt a s k m o d u l a r i z a t i o n d e s i g ni su s e d ，s oi ti sc o n v e n i e n tf o rt h eu p g r a d ea n d c o n t r o lm a n a g e m e n ta sw e l la s m a i n t e n a n c eo ft h ew h o l es y s t e m a tt h es a m et i m e ，d u e t ot h er e q u i r e m e n tf o rc o n t r o lf u n c t i o n ，t h ef r e q u e n c y - v a r i a b l ec o n t r o l l e rd e s i g ni s a p p l i e d ，w h i c ha c h i e v e de n e r g ys a v i n g ，s t a b l ea n dr e l i a b l ec o n t r o l l i n ge f f e c t t h e s o f t w a r ei sc o m p o s e do ft h es i m a t i cs t e p 7 ( m a t c hw i t ht h ep l co fs i e m e n s s 7 3 0 0s e r i e s ) ，t h ew a t e rp m n pa n de l e c t r i cm o t o ra r ec o n t r o l l e db ya d j u s t i n gt h e f r e q u e n c yo ft h et r a n s d u c e r , a st ot h eh u m a n - c o m p u t e ri n t e r f a c eo fh o s tc o m p u t e r , t h e p o w e r f u lw i n c cc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ei su s e d ，w h i c hc a ne n a b l et h er i c hp i c t u r e ，t h e m a n - m a c h i n ei n t e r f a c ed y n a m l i cd i s p l a y , s y s t e mc o n t r o lf u n c t i o n ，d a t ar e p o r td i s p l a y a n dp r i n t i n gf u n c t i o na sw e , l la st h ef a u l td i a g n o s i sa n da l a r m i n gf u n c t i o n t h em o n i t o r i n ga n dc o n t r o l l i n gs y s t e mo fr e s i d u a lh e a ti nb l a s tf u r n a c ew a s t ew a t e r f o rh e a t i n gd e s i g n e di nt h i sp a p e r , i sa b l et om e e tt h er e q u i r e m e n t so fc o n t i n u o u s h e a t i n gi nt h ec o n d i t i o no f 、b l a s tf u r n a c es l a gi sn o tc o n t i n u o u s a tp r e s e n t ，t h es y s t e m h a sb e e na p p l i e dt ot h e17 5 0n 1 3b l a s tf u r n a c ew a s t ew a t e rr e s i d u a lh e a th e a t i n gi nj i n a n i r o na n ds t e e lc o r p o r a t i o n t h er e s u l t ss h o w e dt h a t ：t h e s y s t e mc a na c h i e v eh e a t t r a n s f e rs t a t i o nu n m a n n e d ，r e m o t em o n i t o r i n g ，e f f e c t i v e l yr e d u c i n gs y s t e mo p e r a t i n g c o s t s ，s a v i n ge n e r g y , i m p r o v i n gp r o d u c t i o ne f f i c i e n c y i i i 青岛理工大学工学硕士学位论文 = ! ! ! = e e ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! = = ! ! ! ! ! ! = ! s e ! ! ! = 自= = ! = ! ! ! ! = = = = ! ! ! ! ! = = = = ! = ! ! ! ! ! = = = = = = = = ! = = = = = = ! ! ! k 叼7w o r d ：b l a s tf u r n a c es l a g ；w a s t eh e a tr e c o v e r y ；p l c ；m o n i t o r i n gs y s t e m i v 青岛理工大学工学硕士学位论文 1 1 研究背景及意义 第1 章绪论 1 1 1 研究背景 高炉渣是炼铁生产过程的主要副产品，每生产1 吨生铁要副产0 3 - 0 6 吨左右 的高炉渣【1 - 2 1 。每吨渣约含有( 1 2 6 - - 一1 8 8 ) 1 0 6 k j 的显热，相当于0 0 4 - 0 0 6 吨标 准煤的显热。以2 0 1 0 年我国高炉渣排量高达2 亿吨计算，每年造成1 千万吨标准煤 左右的热量浪费，还产刍- 2 4 0 万吨的硫化氢( h 2 s ) 、二氧化硫( s 0 2 ) 等有害气体3 一钉。 这些热量都是工艺过程中需要带走的废热，但可通过深层次技术改造，提取余热 达到冬季采暖的要求，并且可以减少大量的有害气体排放。由此看来，如果建筑 小区位置处于高炉冲渣：水余热供暖经济范围之内，回收高炉冲渣水余热，向小区 供暖是一个建筑节能减排的最佳选择。 济钢新苑位于济钢生活区南部，距生产区约两公里处，小区建筑面积约五十 万平方米，按照供热指标q = ：5 0 w m 2 计算，冬季供热总负荷为2 5 m w 。现冬季供暖 面临热源选择两大问题：一是厂内冬季已无多余蒸汽供暖，二是附近热电厂供热 困难。与此同时，济钢三台1 7 5 0 1 1 1 。高炉产生的高炉渣含有约折合标准煤1 0 万吨的 热量被浪费。为了解决济钢供暖，目前，济钢高炉渣冲渣水余热供暖系统( 如图 1 1 所示) 已经建成，如果集中供热中心项目全部实施，三年左右时间就能为济南 东部提供热源8 0 万平方米。因此高炉渣冲渣水余热用于供暖不但可以解决钢厂附 近供暖热源问题，还可以降低冲渣水的消耗，减少有害气体排放，具有显著的经 济效益和社会效益。 青岛理工大学工学硕士学位论文 1 - 1 济钢高炉渣冲渣水余热供暖系统 1 1 2 研究意义 水冲渣工艺存在高炉渣出渣不连续、水温波动大等问题，传统控制方式数据 的准确性、实时性、可靠性值得怀疑，控制精度很难达到系统要求。鉴于此，我 们设计开发了该套系统。该系统将计算机技术、网络技术、传统的自动化技术和 全局数据库技术等现代工业生产管理系统中必不可少的技术环节有机的结合起 来。以通信网络为纽带，采用标准化、模块化设计构成了一个显示和操作管理相 对集中，控制相对分散的计算机网络系统结构。这种计算机网络结构具有可靠性、 可扩充性和协调性，实现了供暖系统和数据处理系统的信息共享和协调工作【5 l 。 本课题研究的目的在于解决高炉渣出渣不连续、水温波动大的问题，并实现系 统的现场参数数据采集，出水温度压力等实时控制，系统自动优化，远程自动监 控，报警处理，自动生成报表文件，历史数据管理分析。该系统的建立，使管理 人员能够更及时地了解相关数据，方便实时监控；同时通过分析实时数据，帮助 管理人员做出更加合理的决策。从而准确、快速、高效、方便的实现高炉渣余热 供暖监控自动化系统的运行管理。系统达到了调节温度和恒定压力的目的，温度 控制精度小于2 ，压力控制精度小于1 ，更重要的是节约了能源。该系统大大 提高了设备管理水平，方便运行管理，节能降耗，自动优化运行，并能取得明显 2 青岛理工大学工学硕士学位论文 詈詈詈詈詈暑詈皇詈詈詈詈詈詈暑暑鲁掣詈詈詈詈詈暑詈詈篁皇詈! 詈暑暑皇掌篁詈! 詈詈! 詈葛鲁詈詈詈詈烹皇詈詈詈詈詈詈! ! 詈詈詈詈皇鼍暑詈詈詈皇兰墨詈詈詈詈兰詈置罩= 詈皇詈! = 暑詈 的经济效益。本系统不仅适合于高炉渣供暖余热利用监控，推而广之对大部分的 供暖系统都有普遍的意义。 1 2 国内外研究现状 传统的供暖系统主要采用燃煤燃油锅炉系统，监控系统在集中供热系统方面 的发展主要体现在以下几个阶段【6 。 ( 1 ) 纯手动阶段 在六十年代以前，由于自动化技术与电子技术发展不成熟，人们的自动化观念 还比较淡薄，这段时期的供热系统一般采用纯手动的控制方式，即操作工人通过 经验决定送风、给水、i 引风、给煤的多少，通过手动操作器等方式来达到控制锅 炉的目的，这就要求工人必须有丰富的经验。这种条件下不仅工人的劳动强度大， 而且事故率高。 ( 2 ) 自动化单元组合仪表控制阶段 随着自动化技术与电子技术的发展，国外己经开发并广泛应用全自动工业锅炉 控制技术。6 0 年代前期，我国工业锅炉的控制技术开始发展，后期我国引进了国 外的全自动燃油工业锅炉的控制技术，7 0 年代后期开始自主研制一些工业自动化 仪表，正式将自动化技：术应用于传统的供热系统，热效率有所提高，事故率也有 所下降。但是，这一阶段由于单元组合仪表靠硬件来实现控制功能，可靠性低， 精度不高，而且只能完成一些简单的控制算法，不能实现一些较先进的算法和控 制技术，控制效果仍然；卞理想。 ( 3 ) 采用微机测控阶段 随着电子技术的发展，7 苦集成度、高可靠性、价格低廉的微型计算机、单板机、 单片机、工业专用控制计算机的开始出现，我国的供热控制技术也有了很大的发 展空剐7 1 。通过计算机技术，进行高效率、高可靠性、全自动的微机工业测控系统 开发日益得到重视。8 0 年代后期至今，国内己经陆续出现了各种各样的供暖微机 测控系统，明显地改善了系统运行状况，但还不够完善，这种测控系统对环境和 抗干扰要求较高。 ( 4 ) 分散控制阶段 分散控制系统( d c s ) 亦称集成控制系统，其本质是采用分散控制和集中管理的 设计思想，分而自治和综合协调的设计，层次化的体系结构，从下到上依此将系 3 青岛理工大学工学硕士学位论文 统分为直接控制层、操作监控层、生产管理层和决策管理层。d c s 是以多台d d c 计算机为基础的分散型控制系统【8 1 。目前分散控制系统大多采用可编程控制器 ( p l c ) 进行系统设计，工控机p l c 的组合，不但系统体积小、可靠性高，而且造价 较低，得到了广大用户的青睐。 高炉渣冲渣不连续，温度波动大，所以高炉渣冲渣水余热供暖系统尚在探索 阶段，监控系统在这一领域基本上也处于空白状态，而监测系统在传统集中供热 方面的应用给这一方向奠定了基础。 1 3 课题主要任务及所要解决的问题 在对高炉渣冲渣水余热供暖技术进行了大量的探讨和调研后选择了该课题。 根据课题的相关背景和技术发展现状，开发了该套监控系统。 由于高炉渣冲渣不连续、温度波动大，导致供暖供水温度不稳定，而且高炉 冲渣水温度高、颗粒含量高、腐蚀性强使得高炉余热回收过程十分复杂。因此急 需开发一套软硬件实验平台，对冲渣水余热供暖工艺进行深入研究，对冲渣水参 数进行测试，掌握冲渣水流量、出口温度、进口温度、渣水池稳定温度、大气温 度、载热量等参数的变化规律对余热回收效率产生的影响。以保证系统得到更高 的经济效益，同时将生产过程系统与管理系统紧密结合起来，实现生产过程实时 信。息与管理的集成。 本文从硬件和软件两个方面来考虑，分别论述了系统在硬件软件方面的实现 及关键技术。研究的主要工作和所要解决的问题如下： ( 1 ) 对高炉渣余热供暖监控系统进行深入调研取得相关资料。 ( 2 ) 提出系统控制方案。本文针对高炉渣余热利用技术，设计一套基于变频 调速技术的自动化监控系统。经过充分的论证，提出了一种三层网络结构总体设 计：号案。 ( 3 ) 根据系统要求，进行仪表的选型，硬件配置，确定系统的主要参数。 ( 4 ) 进行下位机控制系统的设计。本文首先根据系统控制要求确定p l c 的选 型以及模块的选择；讨论p l c 与上位机之间、p l c 与变频器之间的通讯配置，设 计p l c 控制程序，给出主程序、基础功能块和各子程序的设计流程图和部分梯形 图程序。 ( 5 ) 进行上位机组态设计，离线进行程序编制及人机界面制作、历史趋势、 4 青岛理工大学工学硕士学位论文 = = = = ! ! = = = = ! ! 自= = = = = ! = 三；= = = = ! ! ! g = = ! ! = ! ! ! ! = ! ! ! ! ! ! ! ! ! e ! ! ! ! | ! ! ! ! e ! ! ! ! e 2 报警状态采集的工作。本文选用西门子w i n c c 设计，根据系统控制要求完成了操 作界面及控制程序、实现超温超压低温低压报警联动、历史数据查询等功能。 第2 章高炉渣冲渣水余热供暖监控系统 2 1 高炉渣冲渣水余热供暖工艺流程 高炉渣冲渣水余热供暖二 艺流程如下：渣浆泵从吸水池中抽取冲渣水，经全 自动反洗纤维过滤器过滤、自清洁板式冲渣水换热器换热后，排入沉淀池；清水 泵将采暖回水管道二次循f 环水加压后，进入自清洗板式冲渣水换热器换热后，进 入采暖供水管道供暖。工艺流程图如2 1 所示： 图2 - 1 高炉渣冲渣水余热供暖实验系统工艺流程图 2 2 高炉渣冲渣水余热供暖监控系统 2 2 1 监控系统组成 本实验监控系统由数据采集、信息管理、过程控制三部分组成，能够实时监 测过滤器和换热器的工作压：匀、流量变化和换热器的一、二次进出水温度、压力、 流量等关键参数，并能够对过滤器和换热器的工况进行分析、优化控制。 2 2 2 数据采集部分 该系统需要对如下数据进行采集： ( 1 )采暖供水泵出口压力检测； ( 2 )采暖供水泵出口总管压力检测； ( 3 )采暖供水泵出口总管温度检测； 7 青岛理工大学工学硕士学位论文 ! ! 詈! 詈! ! ! ! 詈皇鼍兰皇! 詈苎詈! 鼍詈詈詈曼皇詈詈! 皇詈詈! ! 詈詈! 詈詈詈詈! 詈霉詈詈兰皇! 詈詈皇罩詈詈詈皇= = 詈皇! = 詈皇= = ! 詈皇= = ! 皇詈= = 詈昔= 詈詈詈= = 詈皇皇= = 詈詈詈= 詈毫 ( 4 ) 采暖供水泵出口总管流量检测； ( 5 )采暖回水总管压力检测； ( 6 )采暖回水总管温度检测； ( 7 )采暖回水总管流量检测； ( 8 )冲洗供水泵出口压力检测； ( 9 )冲洗供水泵出口总管压力检测； ( 1 0 ) 冲洗供水泵出口总管流量检测； ( 11 ) 定压装置出口压力检测； ( 1 2 ) 渣水提升泵出口压力检测； ( 1 3 ) 渣水提升泵出口总管压力检测； ( 1 4 ) 渣水提升泵出口总管流量检测； ( 1 5 ) 渣水提升泵出口总管温度检测； 2 2 3 系统控制要求 系统所要实现的控制功能如下：一次循环水渣浆泵变频，改变渣浆泵电机转 速，从而改变过滤器、换热器渣水流量，保证二次供暖循环换热器出水温度；二 次泵变频调节补水泵电机转速，改变换热器进水流量；实时检测过滤器纤维束滤 芯前后段压差，达到设定压差值后，过滤器电动调节阀动作，切换过滤器渣水进 出口，一次循环供暖泵停泵，反冲洗渣浆泵打开，对过滤器进行反冲洗；对过滤 器进出口渣水、换热器进出口供暖水温度实时监测，分析过滤器、换热器热损失； 随着季= 节和气候的变化，供暖热负荷会发生变化。为了达到冬季供暖要求，系统 要求采暖水温度控制在6 7 以上。 2 2 4 i - 位机软件要求 上位机前端的监控显示，要求人机界面友好，方便操作，能够完成实时数据 的显示，历史数据的储存与查询，并且历史数据能按要求生成曲线图，能够对指 标数据进行分析，自动生成多种历史数据报表，提供友好的变频控制接口界面。 按要求实现数据的相关报警功能，分为压力报警，温度报警，低流量报警等六类。 报警信号同时具备声、光、汉字显示功能，并提示报警值。 8 青岛理工大学工学硕士学位论文 = = = ! ! 目e = = 目! ! ，目! ! | ! ! | ! e ! = ! ! = ! ! s = ! ! ! ! = = ! ! ! ! ! = ! ! ! ! ! ! = ! ! 暑詈! = 詈= = ! 皇= 詈! = ! = = = 2 3 交流电机的变频调速部分 传统的供水调节系统都是采用定速泵，由鼠笼式异步电机拖动进行恒速运转， 当需要改变流量时，调节节流阀和挡板，改变调节阀门开度来改变给水流量。这 种调节方式的缺点是给水泵消耗功率大，调节阀门承受的压力大，容易造成调节 阀门的迅速磨损，而且节能较差，不经济，动态跟踪性能也难以满足要求。为了 节约能源，确定在本系统中采用变频调节。变频调节是一种高效的交流调整方法， 它利用变频器异步电动机的无级变速，本系统控制采用变频调整是节能的有效途 径【9 - 10 1 。 2 3 1 变频调速的基本原理 当在一台三相异步电动机的定子绕组上加上三相交流电压时，该电压将产生 一个旋转磁场，其速度由定子电压的频率所决定。当磁场旋转时，位于该磁场中 的转子绕组将切割磁力线，并在转子绕组中产生相应的感应电动势和感应电流， 而此感应电流又将受到旋转磁场的作用而产生电磁力，即转矩，使转子跟随旋转 磁场旋转。当将三相异步电动机绕组的任意两相进行交换时，所产生的旋转磁场 的方向将发生改变。因此，电动机的转向也将发生改变。 异步电动机定子磁场的转速被称为异步电动机的同步转速，其同步转速由电 动机的磁极个数和电源频率所决定 n 12 6 0 卯( 2 - 1 ) 其中，n l 为同步转速值，f 为电源频率值，p 为磁极对数。 异步电动机的转速。恩疋e l 小于其同步转速，异步电机的实际转速可由下式给出 n - n 1 ( 1 。s ) = 6 0 f ( 1 - s ) p ( 2 2 1 其中，n 为电动机实际转速，s 为异步电动机的转差率。 由式( 2 2 ) 可知，改变参数f 、s 中的任意一个就可以改变电动机的转速，即对 异步电动机进行调速控制。因此，可以通过改变该电源的频率来实现对异步电动 机的调速控制。从某种意义上说，变频器就是一个可以任意改变频率的交流电源。 在电动机调速时，一个重要的因素是希望保持每极磁通量为额定值不变。 磁通太弱，没有充分利用电机的磁芯，是一种浪费；若要增大磁通，又会使磁通饱 和，从而导致过大的励磁电流，严重时会因为绕组过热而损坏电机。对于直流电 9 青岛理工大学工学硕士学位论文 ! = ! ! = ! ! ! ! = ! ! = ! = ! ! ! = ! ! ! ! = ! ! ! = = = ! = ! = ! ! = = = ! ! ! = = ! ! ! ! = ! ! ! = = ! ! ! = = ! ! = = = = = ! = = = = ! = = = = = ! = = = ! ! ! = = ! ! ! ! ! 机来说，励磁系统是独立的，所以只要对电枢反应的补偿合适，保持中不变是 很容易做到的，在交流异步电机中，磁通是定子和转子合成产生的。 三相异步电机定子每相电动势的有效值是： e g = 4 4 4 f 1 n 1 k n , c m ( 2 3 ) 其中，e 。为气隙磁通在定子每相中感应电动势有效值，单位为v ，f l 为定子 频率，单位为h z ，n ，为定子每相绕组串联匝数，k m 为基波绕组系数，为每极 气隙磁通t ，单位为w b 。 由公式可知，只要控制好e 。和f l ，便可以控制磁通不变。 变频器的控制电路包括主控制电路、信号检测电路、门极驱动电路、外部接 口电路以及保护电路等几个部分，是变频器的核心部分。控制电路的优劣决定了 变频器性能的优劣。控制电路的主要作用是完成对逆变器开关控制、对整流器的 电压控制以及完成各种保护功能。 随着电力半导体器件和微型计算机控制技术的迅速发展，促进了电力变频技 术新的突破性发展，7 0 年代后期发展起来的脉宽调制技术成了现在最常用的变频 器：叻率开关器件的控制策略。p w m 控制利用了采样控制理论中的一个重要结论： 冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性环节上时，其效果基本相同。冲量即 指窄脉冲的面积。这里所说的效果相同，指环节的输出响应波形基本相同。根据 这个原理，可以用一系列等幅而不等宽的脉冲来近似正弦波，且脉冲的宽度按正 弦规律变化，这种方法称为s p w m 1 。 2 3 ；2 水泵负荷变频调速节能分析 由流体力学可知，流量q 与转速n 的一次方成正比，风压h 与转速n 的平方 成正比，功率p 与转速n 的立方成正比，即： q = q e ( n r l e ) ( 2 - 4 ) h = h e x ( n r l c ) 2 ( 2 5 ) p = p e x ( 眈。) 3 ( 2 6 ) 式中，q e 为水泵的额定流量，h e 为水泵的额定压力，p 。为水泵的额定功率， n e ：勾水泵的额定转速。由上面的公式可知，调节水泵流量时，可通过转速进行调 节，此时水泵轴输出功率与转速的立方成正比。根据水泵系统特性曲线( 如图2 2 ) 加以分析。 10 青岛理工大学工学硕士学位论文 图2 2 水泵系统特性曲线 假定水泵最佳效率二 作点是a 点，当需减少水泵的供水量时，采用传统的阀 门调节方式，增加系统阻力来满足要求，使水泵工作点由a 点转移到b 点。这种 方法不但不能节能，反而会加快水泵的效率损耗，同时低效运行会引起较高的结 构振动，产生噪声及有损设备。采用变频调速技术后，通过变频调速，降低异步 电机的转速，使系统重新达到平衡，工作点由a 点转移到c 点。从c 点可看出， 电机转速虽然降低了，但对水泵效率影响不大。根据上述原理，当水泵流量在较 大范围内发生变化时，采用变频调速对水泵转速加以控制，将会取得非常显著的 节能效果。 2 3 3 变频器的应用及优势 变频器主要对一次循环水渣浆泵及二次泵变频调速，采用西门子 m i c r o m a s t e r4 2 0 。该变频器是全新一代模块化设计的多功能标准变频器，它 可以提供包括滑差补偿，磁通电流控制( f c c ) 以及多点u f 特性曲线，以此同时， 还包括为避免事故掉电而进行的快速限流以及过载监控。电机选择普通三相异步 电动机，型号为j b t 1 0 3 9 1 ，功率2 2 k w 。 采用变频器对一次循环水渣浆泵变频控制，改变渣浆泵电机转速，可以改变 过滤器、换热器的渣水流量，从而保证二次供暖循环换热器出水温度；二次泵变 频调节水泵电机转速，改变换热器进水流量。 使用了变频器后，本系统具备以下几点优势： ( 1 ) 节省了大量的电能，在使用变频器之前，泵类只能靠阀门来控制流量， 青岛理工大学工学硕士学位论文 而使用变频器后可以通过调整频率可以改变泵的转速，达到了改变流量的目的， 同时使用变频器可以使生产设备处于最佳状态下运行，减小了高腐蚀性冲渣水对 阀门、管道的磨损。一般使电机转速在额定转速下。 ( 2 ) 延长了电动机的使用寿命，由于三相异步电动机的起步电流为额定电流的 5 7 倍，对电机寿命有很大的损伤。而变频器的启动时候一种软启动发式，保护了 泵电机。 ( 3 ) 大大减轻操作人员的劳动强度，原来控制渣水流量只能靠倒阀来控制渣 水；疯量，现在自动变频情况下可以通过现场压差变送器和流量传感器反馈的信号 自动调节，在手动情况下，也只需调节面板上的电位器来改变电机频率，方便易 行。 ( 4 ) 减轻对电网谐波干扰，变频器反馈到电网的谐波是由无功功率，换流能 量：偕波电流组成，使用变频器能使反馈到电网的谐波分量限制在允许的幅值范围 内。 ( 5 ) 使用变频器后对电机有了可靠的保护，如过流、过压、欠压、缺相等保 护。 1 2 青岛理工大学工学硕士学位论文 第：；章系统硬件设计与实现 3 1 系统硬件平台构建 该系统采用三层网络结构。最上层为信息管理层，负责与下位机通信，动态 显示实时数据，同时在局域网中，作为数据库服务器，实现上层的过程信息管理； 中问层为过程控制层，即上位机通过m p 接口与i o 模块通信，主要负责与各测 控单元的数据传输；最下层为现场设备层，i o 模块通过现场总线与现场仪表通信， 完成现场数据的采集和实现对现场设备的基本控制。控制器选用西门子s 7 3 0 0 控 制器。系统构架如图3 】所示， 主控机斗用佳制i ：二二二二二二二二二f 二f ：二二二二二二二二二二二二二二：二二二二f 二f 二二二二二二 酉门子s 7 一：；1 0 0 系列可编程序控制器 上 。 l 。 上 。 变频器变频器变频器 j rj r上 电气控制回路电气控制回路电气控制回路 - - - 传惑器与变选传感器与变频传感器与变频 器器 l a , 口 诗 j l ，t t r 1 糯环泵2 船环泵3 糯环泵 图3 - 1硬件系统构架图 1 3 1liiii；j一1 - - - 青岛理工大学工学硕士学位论文 3 ：z 检测仪表是生产自动化系统最基础、最重要的组成部分之一，其可靠性和精 度会直接影响系统工作的可靠性和性能。熟悉检测仪表和执行机构，调节阀的工 作原理对正确的选择、合理的使用和维护仪表，以及正确的设计自动化系统有重 要：意义。 应用于高炉冲渣水余热利用的检测仪表及执行机构应满足钢铁厂生产技术条 件的要求。高炉渣冲渣水温度高、颗粒含量高、腐蚀性强，因此要求所用材料有 相应的耐腐蚀性能，如采用不锈钢、合金铜等材料制作的传感器；虽然生产过程 要：求平稳，但在做实验的时候难免会发生较高的压力波动，所以要求仪表有较高 的；承压能力和较好的动态工作特性。 本系统常用的检测仪表和执行机构主要有温度、压力、流量、电动阀门、启 动阀门、水泵、电机等。检测仪表一般均由传感器、变送器、显示部分三大功能 部件及传输通道组成。现代的智能仪表已将微处理器结合进来，使仪表具有智能 化，如自动补偿、自动校正、编码、数字通信等功能。 以温度仪表，压力仪表，流量仪表为例，简单介绍如下【1 2 。1 3 】。 3 五1 温度检测仪表 温度是表征物体冷热程度的物理量，是最具关键性的测量参数之一。常用的 远传接触式温度检测仪表有热电偶、热电阻、一体化温度变送器等。 一、测温仪表简介 ( 1 ) 热电偶温度计 热电偶温度计是基于热电效应这一原理测量温度的，它的测温范围很广，可 以测量生产过程中o 6 0 0 范围内液体、蒸汽和气体介质以及固体表面温度，较适 用于测量5 0 0 以上的较高温度。这类仪表结构简单、使用方便、测温准确可靠， 便j 于二远传、自动记录和集中控制。 热电偶测温系统主要由三部分组成：热电偶、导线和测量仪表。热电偶是由 两种材料不同的导体焊接而成，焊接的一端( 称为热端) 插入被测介质中感受被 测温度，另一端( 冷端) 与导线连接。由物理学中可知两种不同的金属电子密度 不同，当这两种金属接触时，由于电子的扩散作用，在接触面上形成接触电势， 这种接触电势仅和金属的材料以及接触点温度有关。当两种金属的材料确定时， 1 4 青岛理工大学工学硕士学位论又 = = = = = ! ! ! ! ! = = 自= = = = = = = = = ! ! ! ! 自= = = = = = = = = ! ! = = ! = 自= = ! ! ! = e = = ! ! ! ! ! ! = = = ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! = ! ! ! ! ! ! ! = s ! ! ! ! ! 接触点电势仅和接触点温度有关，故称为热电势。所以只要能测出热电势的大小 就能测出温度高低，这就是热电偶测温原理。热电偶测温仪表必须解决冷端补偿 问题，以保证测温的准确性。 ( 2 ) 热电阻温度计 热电阻是一种金属，热电阻温度计是利用热电阻具有电阻值随温度变化而改 变的特性进行温度测量的，热电阻温度对于3 0 0 。c 以下中、低温度的测量精度较高， 一般来说电阻值随温度变化的关系为： r ，= r o 1 + 口( 卜伽 ( 3 1 ) 或 a r r = c t r 。a t ( 3 2 ) 式中r t _ 温度为t c 时的电阻值； r 0 _ 温度：勾t 0 。c 时的电阻值； 口电阻温度系数； 出温度的变化量； 欲卜温度改变出时电阻的变化值。 热电阻温度计就是将温度变化所引起的导体电阻的变化，通过测量电桥转换 成电流信号，然后送至显示仪表显示或记录被测温度。常用的热电阻是铂电阻和 铜电阻。 ( 3 ) 一体化温度变送器 一体化温度变送器是将热电阻或热电偶检测出的温度或温差，通过温度变送 电路转换成标准的4 - 2 0 m ad c 电流信号或1 - 5 vd c 电压信号的温度检测仪表。现 在已利用集成电路技术，将变送器做成小型模块，安装在铂电阻或热电阻的接线 盒内，直接安装在现场，增加了抗干扰能力，节省正常传输用的电缆和补偿导线， 最大限度地减少了线路电阻的影响，从而获得较高的精确度，安装和使用十分方 便。一体化温度变送器可以不需要经过二次转换仪表，直接接入计算机，进行显 示和控制。 二、测温仪表选型 根据冲渣水温度以及采暖回水温度范围，本系统中采用济南华航仪表研究所 的h w b 现场指示性一体化温度变送器( 如3 - 2 图所示) ，铂电阻，1 5 0 1 3 0 0 。c ， 0 5 级。既可以在现场直接观察，又便于调控。安装的时候，测量元件的感温点位 1 5 青岛理工大学工学硕士学位论文 于管道中心。测量元件的安装点与被测板式换热器进出e l 法兰面的距离不大于 15 0 m r n 。测温点的上下游各3 0 0 m m 内与测温点之间管线，保温良好。 3 2 2 压力检测仪表 图3 - 2 温度变送器 高炉渣冲渣水余热供暖过程中，对设备及管道的运行压力是有严格要求的， 只有压力符合要求，才能保证生产效率和安全。常用的压力( 差压) 变送器有电 容式压力( 差压) 变送器、扩散硅压力( 差压) 变送器、振弦式压力( 差压) 变 送器等【1 4 】。 一、常用测压仪表简介 ( 1 ) 电容式压力( 差压) 变送器是一种位移式变送器，它将压力的变化转换 为电容量的变化，然后进行测量。这类变送器的精度较高，由于它的结构特点能 够经受振动和冲击，稳定性、可靠性好，所以也常用来测量差压。 ( 2 ) 扩散硅压力( 差压) 变送器是依据半导体的应变电阻效应原理制作的传 感器，压力改变时，半导体应变片的电阻随之改变，然后通过测量电桥检测。这 类变送器稳定性好，同时滞后性小、频率响应优势非常明显，但扩散硅传感器、p - n 结层在高温将会明显的降低电阻，所以不适合高温，一般大约1 0 0 * c 。 ( 3 ) 振弦式压力变送器是利用谐振元件( 振弦) 随压力变化改变其固有频率 的特性来测量压力的。振弦式压力变送器由振弦、磁铁、激振器、膜片及测频电 1 6 青岛理工大学工学硕士学位论文 路组成，振弦式压力传感器依靠测量频率来确定压力。而频率信号在传输过程中 可以忽略导线电阻、电感、电容等的影响，有较高的准确度，精度可达到o 0 1 级， 可作为高精度压力传感器来用。 二、测压仪表选型 在实验现场，选用1 1 5 1 系列电容式变送器( 如图3 。3 所示) ，0 2 5 级。因为它 具有抗过载能力强、防腐蚀、稳定性高，抗干扰能力强和具有过流保护电路等特 点。静压测量孔位于距离任何扰动区域( 弯头或阀门等) 下游至少5 倍管径，上 游至少2 倍管径处。 3 2 3 流量检测仪表 图3 3 电容式差压变送器 在本系统，高炉渣冲渣水的流量变化将直接影响换热量的大小，从而影响实 验结果。流量测量方法分类： ( 1 ) 利用伯努利方程原理，通过测量流体差压信号来反映的流量差压式流量 测量法； ( 2 ) 通过直接测量流体流速来得出流量速度式流量测量法； ( 3 ) 利用标准小容积来连续测量流量容积式测量法； ( 4 ) 用测量流体质量来测量流量。 流量测量采用电磁流量计和超声波流量控制器两种，流量计安装在水平直管 段，上游直管段长度大于2 0 倍管径，下游直管长度大于1 5 倍管径。 17 图3 4 电磁流量计 图3 - 5 超声波流量控制器 3 2 4 系统其它组件 系统除需各测量仪表外，还需要有循环泵、变频器、套管式加热器、不锈钢 电动蝶阀、电控箱等器件。 3 3 过程控制层介绍 过程控制层是p l c 系统与生产过程间的接口，它是整个系统的核心。一般是 标准的机柜式结构，其主要任务有：进行过程数据采集，即对被控设备中的每个 过程量和状态信息进行快速采集，使进行数字控制、开闭环控制、设备监测、状 态报告的过程等。 该系统过程控制层控制柜内安装s i e m e n s 的s 7 3 0 0 系列系统硬件、电源、 控制器、处理器、接线端子、继电器、接地保护装置等，高炉渣余热供暖监控系 统控制柜内模块安排图如图3 - 6 所示： 1 8 图3 6 系统控制柜 根据设计要求，此系统采用西门子硬件接口产品。主要硬件组成部分如表3 1 所示。 控制器监控层与现场设备之间通过现场总线协议通讯，如与电量采集模块的 联接通过r s 4 8 5 总线连接，以m o d b u s 协议进行通讯；与压力智能仪表以两线制 标准4 - 2 0 m a 信号联接，以h a r t 协议与现场仪表通讯【1 5 】。 1 9 青岛理工大学工学硕士学位论文 表3 1 控制柜硬件组成 3 4 信息管理层硬件配置 信息管理层是整个系统的人机对话部分，要求能够长期运行，完成预期的控 制要求。因此对于信息管理层设备的选择要求有以下几点： ( ：1 ) 可靠性：在满足预期的所有操作功能基础上，要求具有高度的工作可靠 性，能承受长期不问断工作。 ( 1 2 ) 实时性：要求系统能够在限定的时间内，对外部的事件及各种操作要求 做出及时的响应。， ( 1 3 ) 可扩充性好：要求系统硬件组态比较方便，便于做各种扩充和修改。能 够根据用户的要求做不同的配置。 根据以上分析，同时结合产品的性价比，我们在设计中，选用了d e l l 的工作 站作为服务器，配备联想1 7 寸显示器，并连接惠普激光打印机。 3 5 系统供电 高效、稳定、无干扰的交流供电系统是现场控制站正常工作的重要保证，所 以，每一个现场控制站均采用双相交流电源供电，两相互为冗余。由于考虑到要 2 0 青岛理工大学工学硕士学位论文 在电网电压波动的情况下保证系统对控制的高连续性，我们采用不间断供电电源 u p s 。机柜内的直流稳压电! 源为西门子p s 3 0 7 电源。对控制柜供电的电源与对现 场监测仪表供电的电源j 生电气上用隔离栅隔离。系统的交直流电源全部为独立双 路互为备份供电方式，从根本上保证系统的稳定、可靠运行。