1 引言
異步電動機是冶金、化工等生產(chǎn)企業(yè)最主要的動力設(shè)備。作為高能耗設(shè)備，其輸出功率不能隨負荷按比例變化，過去許多設(shè)備負載變化，只能依靠擋板或閥門的開度來調(diào)節(jié)，從而造成很大的能源損耗和電能浪費。近年來，隨著變頻器生產(chǎn)技術(shù)的成熟以及變頻器應(yīng)用范圍的日益廣泛，應(yīng)用變頻器對異步電動機控制進行技術(shù)改造，成為各企業(yè)節(jié)能降耗、提高效益的重要手段。
中鋁青海分公司碳素1#、2#和3#煅燒回轉(zhuǎn)窯，是1987年建成投產(chǎn)的。其系統(tǒng)控制落后，結(jié)構(gòu)不完善，控制器件、測量儀表老化嚴(yán)重。在實際運行中，設(shè)備故障頻繁，生產(chǎn)長期依靠現(xiàn)場手動和經(jīng)驗操作，生產(chǎn)方式落后，燒損率高，耗能大。為此，2003年應(yīng)用plc和變頻器對回轉(zhuǎn)窯控制系統(tǒng)改造。這種煅燒回轉(zhuǎn)窯控制技術(shù)，是目前國內(nèi)較為成熟和先進的控制方式之一。
回轉(zhuǎn)窯煅燒工藝控制比較復(fù)雜，其煅后焦產(chǎn)量、質(zhì)量及煅燒實收率等產(chǎn)品性能受煅燒帶溫度、煅燒帶位置、揮發(fā)份濃度、氧氣濃度、窯頭窯尾負壓、燃料（煤氣或天然氣）補給量、物料投入量及均勻性等各項工藝參數(shù)的綜合影響。而煅燒帶溫度、位置、二、三次風(fēng)給量有密切關(guān)系。在舊系統(tǒng)控制生產(chǎn)中，憑操作人員的實際經(jīng)驗進行調(diào)整窯頭窯尾負壓、給料量、窯體轉(zhuǎn)速、二三次風(fēng)量及燃料配比，實現(xiàn)煅燒帶溫度、位置的控制，易造成煅后焦熱處理波動較大，燒損率高等問題。對煅燒回轉(zhuǎn)窯產(chǎn)量、煅后焦質(zhì)量、窯內(nèi)襯壽命、燃料消耗、窯尾煙氣凈化等有不利影響。
2 系統(tǒng)的組成及原理
2.1 二、三次風(fēng)對回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)工藝的影響
回轉(zhuǎn)窯二、三次風(fēng)給量大小，決定著窯內(nèi)煅燒待溫度和其位置，在回轉(zhuǎn)窯控制中，一般要求窯內(nèi)煅燒帶溫度控制在1270（+-）30℃范圍，煅燒帶位于窯體中部（即二、三次風(fēng)嘴之間），而且保持較長距離最好。二次風(fēng)的給量決定著煅燒帶的溫度、長度，若風(fēng)量不足，會使窯內(nèi)煅燒帶的溫度降低，料中的揮發(fā)物揮發(fā)不充分，煅后焦品質(zhì)低；過量的給風(fēng)，又會使煅燒料燒損率過高。三次風(fēng)給量決定著窯尾溫度和煅燒帶的延續(xù)程度：如三次風(fēng)給定不足，會使揮發(fā)物燃燒不充分，窯尾溫度低，易結(jié)圈，熱量利用率低；過量又會使煅燒料燒損加劇，窯內(nèi)負壓降低。其二、三次風(fēng)供給裝置在回轉(zhuǎn)窯體上的位置如圖1所示。
圖1 回轉(zhuǎn)窯二、三次風(fēng)機設(shè)置位置圖
2.2 影響二、三次風(fēng)給定的因素
通過對回轉(zhuǎn)窯的綜合分析和測定，影響二次風(fēng)給定的有關(guān)因素很多，如圖2所示。其主要因素有：加料量；物料流動速度；窯頭、窯尾溫度；燃料流量；一、三次風(fēng)給定量等參數(shù)。影響三次風(fēng)量給定的因素與二次風(fēng)類似，其詳細內(nèi)容略。
圖2 影響回轉(zhuǎn)窯二次風(fēng)量給定的因素圖
2.3 二、三次風(fēng)機控制原理
隨著炭素生產(chǎn)過程的回轉(zhuǎn)窯控制系統(tǒng)的探索和發(fā)展，生產(chǎn)過程控制向大型、連續(xù)、多級和復(fù)合功能方向發(fā)展，對生產(chǎn)工藝操作規(guī)程的要求更加嚴(yán)格，參數(shù)間相互關(guān)系更加復(fù)雜。產(chǎn)品的品質(zhì)指標(biāo)的不斷提高，直接要求控制系統(tǒng)的精度和功能要有較大幅度的提升，同時對能源消耗和環(huán)境污染也要求更高。二、三次風(fēng)作為回轉(zhuǎn)窯的副控制回路:三次風(fēng)調(diào)節(jié)為前端的控制，承擔(dān)下料量波動時的“粗調(diào)”;二次風(fēng)調(diào)節(jié)主要承擔(dān)物料波動較大和燃燒帶溫度、位置波動等情況下的調(diào)整。
二、三次風(fēng)量原來采用工頻電源控制，風(fēng)量采用當(dāng)板開、閉調(diào)整，由于窯體旋轉(zhuǎn)，其調(diào)整時停窯，影響面廣、準(zhǔn)確性差，全憑操作人員經(jīng)驗操作。應(yīng)用變頻器調(diào)速控制，實現(xiàn)了遠程操作、微動細調(diào)節(jié)的功能，解決了舊系統(tǒng)調(diào)整方法對回轉(zhuǎn)窯的影響。實踐證明，應(yīng)用plc軟件對主要因素的綜合處理功能和變頻調(diào)速控制，實現(xiàn)閉環(huán)控制，使回轉(zhuǎn)窯的二、三次風(fēng)給定量更加準(zhǔn)確。其原理如圖3所示。
圖3 二、三風(fēng)機變頻器閉環(huán)控制原理圖
2.4 自動調(diào)節(jié)關(guān)系描述
在回轉(zhuǎn)窯多回路控制系統(tǒng)中，其控制方式是由多個測量值、多個調(diào)節(jié)器、補償器和解耦器等組成多回路、串級控制系統(tǒng)：負壓是主控制調(diào)節(jié)，二次風(fēng)變頻調(diào)節(jié)量和三次風(fēng)變頻調(diào)節(jié)量是副控制調(diào)節(jié)。為了保證煅燒產(chǎn)品質(zhì)量，必須嚴(yán)格控制揮引起煅燒熱力場溫度變化，其擾動因素主要來自兩個方面：物料和助燃風(fēng)量。在物料方面主要是物料下料流量、物料入口溫度、物料化學(xué)成分和物料停留時間；在助燃風(fēng)量方面主要是三次風(fēng)量偏差、二次風(fēng)量偏差和漏風(fēng)量。這些擾動量，由于作用地點不同，因此對于煅燒溫度的影響各不相同。如：當(dāng)物料下料流量波動時，會造成水分干燥段溫度的波動，它要跟蹤調(diào)節(jié)波動量的變化，不能在煅燒1號掃描系統(tǒng)反應(yīng)時才做出相應(yīng)的三、二次風(fēng)的調(diào)節(jié)，需要在煅燒2號掃描系統(tǒng)產(chǎn)生超限波動時，就進行相應(yīng)的三、二次風(fēng)的調(diào)節(jié)，最后調(diào)節(jié)負壓（采用變頻器控制風(fēng)機的轉(zhuǎn)速，達到調(diào)節(jié)負壓的目的）。從其控制特性來看，是一種典型的串級控制系統(tǒng)。設(shè)計負壓控制為主控制回路，三、二次風(fēng)為副控制回路，窯體變頻轉(zhuǎn)速為輔助主變頻控制回路，能夠加快系統(tǒng)控制速度和響應(yīng)時間。
在回轉(zhuǎn)窯總控制系統(tǒng)中為實現(xiàn)最佳煅燒過程控制，采用負壓控制和二、三次風(fēng)機風(fēng)量調(diào)節(jié)來實現(xiàn)。其控制對象主要是原料中揮發(fā)份最大析出溫度、煅燒最高溫度以及回轉(zhuǎn)窯壁溫度（窯體輻射熱量散失）。二、三次風(fēng)量采用變頻器控制風(fēng)機電機的轉(zhuǎn)速，達到調(diào)節(jié)目的。上位機通過現(xiàn)場傳感器獲得穩(wěn)定場的分布判斷和實際參數(shù)大小，并通過微處理器分析、比較、合成等綜合處理。并由plc發(fā)出控制電信號（4～20ma），控制二、三次風(fēng)機變頻器以及回轉(zhuǎn)窯其它裝置（燃燒室引風(fēng)電機的引風(fēng)功率、窯體轉(zhuǎn)速、下料量、燃燒嘴流量等參數(shù)），以保障整個回轉(zhuǎn)窯溫度、負壓等運行狀態(tài)，滿足最理想的煅燒生產(chǎn)工藝條件和要求。
2.5 系統(tǒng)組成
系統(tǒng)主要是由工控機、plc（s7-300）、稱量裝置（連續(xù)皮帶秤）、變頻器（mf-7.5kw-380）、現(xiàn)場信號采樣器及監(jiān)控器等組成。二、三次風(fēng)機拖動為5.5kw異步電機，分別采用7.5kva的變頻器獨立控制，其參數(shù)給定由回轉(zhuǎn)窯總系統(tǒng)控制器承擔(dān)。上位機根據(jù)plc采樣得到的實際物料溫度、煅燒帶高點溫度、煅燒帶界面溫度和窯內(nèi)負壓等參數(shù)，通過控制狀態(tài)的解析，將實際要求的給定數(shù)據(jù)發(fā)送給plc，然后plc發(fā)出控制二、三次風(fēng)供風(fēng)量的控制指令，變頻器驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)（風(fēng)機拖動電機），完成系統(tǒng)控制任務(wù)。其控制系統(tǒng)如圖4所示。
圖4 回轉(zhuǎn)窯二、三次風(fēng)機實際控制系統(tǒng)圖
2.6 控制回路調(diào)試和整定
在實際系統(tǒng)調(diào)試中,應(yīng)首先整定副環(huán),其次整定主環(huán),再循環(huán)進行，逐步接近主、副環(huán)的最佳整定的方法，其步驟如下:
（1）首先進行三次風(fēng)量整定值：首先斷開主環(huán)，按照單回路整定方法，求取副調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)，得到第一次整定值。
（2）其次進行二次風(fēng)整定值：把已整定好的副環(huán)作為二次風(fēng)副環(huán)中的一個環(huán)節(jié)，仍按單回路整定方法，求取二次風(fēng)的整定值。
（3）最后進行主環(huán)整定值：把整定好的二、三次風(fēng)量的副環(huán)作為主環(huán)的一個子系統(tǒng)，求取主閉環(huán)系統(tǒng)的整定值。
（4）煅前加料系統(tǒng)雖采用圓盤給料機變頻控制，但只能實現(xiàn)均勻加料的目的，無法滿足回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)工藝最佳控制要求，故需要實現(xiàn)煅前加料系統(tǒng)和整個回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)的自動閉環(huán)控制，根據(jù)回轉(zhuǎn)窯工況和各項工藝參數(shù)的要求，自動調(diào)節(jié)下料量。才能為整個控制系統(tǒng)的最優(yōu)控制創(chuàng)造條件。
2.7 二、三次風(fēng)機變頻控制的功能
（1）通過對二、三次風(fēng)機變頻調(diào)速控制，使二、三次風(fēng)量給定的調(diào)整更加迅速、準(zhǔn)確，并實現(xiàn)了連續(xù)微調(diào)功能。解決了過去采用擋板只能粗調(diào)風(fēng)量的缺點。
（2）二、三次風(fēng)機的變頻調(diào)速的應(yīng)用,降低了風(fēng)機電耗,節(jié)約了能源。
（3）變頻器的無級調(diào)速功能的利用，使二、三次風(fēng)量調(diào)整過程中，對回轉(zhuǎn)窯控制系統(tǒng)影響降低到最小。
（4）實現(xiàn)了遠程操作和調(diào)節(jié)的功能，更加方便分散控制操作。
（5）變頻技術(shù)的應(yīng)用，有利于回轉(zhuǎn)窯自動控制系統(tǒng)和最佳煅燒工藝的實現(xiàn)。
（6）變頻器的應(yīng)用,使二、三次風(fēng)機的運行狀態(tài)實現(xiàn)了在線監(jiān)控功能。
2.8 系統(tǒng)主要參數(shù)及要求
隨著生產(chǎn)過程向著大型、連續(xù)和高控制方向發(fā)展，對操作條件要求更加嚴(yán)格，參數(shù)間相互關(guān)系更加復(fù)雜，對控制系統(tǒng)的精度和功能有相當(dāng)多的要求，對能源消耗和環(huán)境污染也有明確的限制。二、三次風(fēng)量的控制過程中，其有關(guān)參數(shù)要求滿足附表規(guī)定。
3 結(jié)束語
