異步電動機是冶金、化工等生產(chǎn)企業(yè)最主要的動力設備。作為高能耗設備，其輸出功率不能隨負荷按比例變化，過去許多設備負載變化，只能依靠擋板或閥門的開度來調節(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)技術的成熟以及變頻器應用范圍的日益廣泛，應用變頻器對異步電動機控制進行技術改造，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#煅燒回轉窯，是1987年建成投產(chǎn)的。其系統(tǒng)控制落后，結構不完善，控制器件、測量儀表老化嚴重。在實際運行中，設備故障頻繁，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年應用PLC和變頻器對回轉窯控制系統(tǒng)改造。這種煅燒回轉窯控制技術，是目前國內(nèi)較為成熟和先進的控制方式之一。

　　回轉窯煅燒工藝控制比較復雜，其煅后焦產(chǎn)量、質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、三次風給量有密切關系。在舊系統(tǒng)控制生產(chǎn)中，憑操作人員的實際經(jīng)驗進行調整窯頭窯尾負壓、給料量、窯體轉速、二三次風量及燃料配比，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。對煅燒回轉窯產(chǎn)量、煅后焦質量、窯內(nèi)襯壽命、燃料消耗、窯尾煙氣凈化等有不利影響。

　　二、系統(tǒng)的組成及原理

　　1 二、三次風對回轉窯生產(chǎn)工藝的影響

　　回轉窯二、三次風給量大小，決定著窯內(nèi)煅燒待溫度和其位置，在回轉窯控制中，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、三次風嘴之間），而且保持較長距離最好。二次風的給量決定著煅燒帶的溫度、長度，若風量不足，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，煅后焦品質低；過量的給風，又會使煅燒料燒損率過高。三次風給量決定著窯尾溫度和煅燒帶的延續(xù)程度：如三次風給定不足，會使揮發(fā)物燃燒不充分，窯尾溫度低，易結圈，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、三次風供給裝置在回轉窯體上的位置如圖1所示。

　　圖1  回轉窯二、三次風機設置位置圖

　　2 影響二、三次風給定的因素

　　通過對回轉窯的綜合分析和測定，影響二次風給定的有關因素很多，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、三次風給定量等參數(shù)。影響三次風量給定的因素與二次風類似，其詳細內(nèi)容略。

　　圖2  影響回轉窯二次風量給定的因素圖

　　3 二、三次風機控制原理

　　隨著炭素生產(chǎn)過程的回轉窯控制系統(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)程的要求更加嚴格，參數(shù)間相互關系更加復雜。產(chǎn)品的品質指標的不斷提高，直接要求控制系統(tǒng)的精度和功能要有較大幅度的提升，同對能源消耗和環(huán)境污染也要求更高。二、三次風作為回轉窯的副控制回路:三次風調節(jié)為前端的控制，承擔下料量波動時的“粗調”;二次風調節(jié)主要承擔物料波動較大和燃燒帶溫度、位置波動等情況下的調整。

　　二、三次風量原來采用工頻電源控制，風量采用當板開、閉調整，由于窯體旋轉，其調整時停窯，影響面廣、準確性差，全憑操作人員經(jīng)驗操作。應用變頻器調速控制，實現(xiàn)了遠程操作、微動細調節(jié)的功能，解決了舊系統(tǒng)調整方法對回轉窯的影響。實踐證明，應用PLC軟件對主要因素的綜合處理功能和變頻調速控制，實現(xiàn)閉環(huán)控制，使回轉窯的二、三次風給定量更加準確。其原理如圖3所示。

　　圖3  二、三風機變頻器閉環(huán)控制原理圖

　　4 自動調節(jié)關系描述

　　在回轉窯多回路控制系統(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)：負壓是主控制調節(jié)，二次風變頻調節(jié)量和三次風變頻調節(jié)量是副控制調節(jié)。為了保證煅燒產(chǎn)品質量，必須嚴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、物料化學成分和物料停留時間；在助燃風量方面主要是三次風量偏差、二次風量偏差和漏風量。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，它要跟蹤調節(jié)波動量的變化，不能在煅燒1號掃描系統(tǒng)反應時才做出相應的三、二次風的調節(jié)，需要在煅燒2號掃描系統(tǒng)產(chǎn)生超限波動時，就進行相應的三、二次風的調節(jié)，最后調節(jié)負壓（采用變頻器控制風機的轉速，達到調節(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)。設計負壓控制為主控制回路，三、二次風為副控制回路，窯體變頻轉速為輔助主變頻控制回路，能夠加快系統(tǒng)控制速度和響應時間。

　　在回轉窯總控制系統(tǒng)中為實現(xiàn)最佳煅燒過程控制，采用負壓控制和二、三次風機風量調節(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窯壁溫度（窯體輻射熱量散失）。二、三次風量采用變頻器控制風機電機的轉速，達到調節(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、三次風機變頻器以及回轉窯其它裝置（燃燒室引風電機的引風功率、窯體轉速、下料量、燃燒嘴流量等參數(shù)），以保障整個回轉窯溫度、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。

　　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)給定由回轉窯總系統(tǒng)控制器承擔。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、三次風供風量的控制指令，變頻器驅動執(zhí)行機構（風機拖動電機），完成系統(tǒng)控制任務。其控制系統(tǒng)如圖4所示。

　　圖4  回轉窯二、三次風機實際控制系統(tǒng)圖

　　6 控制回路調試和整定

　　在實際系統(tǒng)調試中,應首先整定副環(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）首先進行三次風量整定值：首先斷開主環(huán)，按照單回路整定方法，求取副調節(jié)器的整定參數(shù)，得到第一次整定值。

　?。?）其次進行二次風整定值：把已整定好的副環(huán)作為二次風副環(huán)中的一個環(huán)節(jié)，仍按單回路整定方法，求取二次風的整定值。

　?。?）最后進行主環(huán)整定值：把整定好的二、三次風量的副環(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。

　?。?）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)和整個回轉窯系統(tǒng)的自動閉環(huán)控制，根據(jù)回轉窯工況和各項工藝參數(shù)的要求，自動調節(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。

　　7 二、三次風機變頻控制的功能

　?。?）通過對二、三次風機變頻調速控制，使二、三次風量給定的調整更加迅速、準確，并實現(xiàn)了連續(xù)微調功能。解決了過去采用擋板只能粗調風量的缺點。

　?。?）二、三次風機的變頻調速的應用,降低了風機電耗,節(jié)約了能源。

　?。?）變頻器的無級調速功能的利用，使二、三次風量調整過程中，對回轉窯控制系統(tǒng)影響降低到最小。

　?。?）實現(xiàn)了遠程操作和調節(jié)的功能，更加方便分散控制操作。

　?。?）變頻技術的應用，有利于回轉窯自動控制系統(tǒng)和最佳煅燒工藝的實現(xiàn)。

　?。?）變頻器的應用,使二、三次風機的運行狀態(tài)實現(xiàn)了在線監(jiān)控功能。

　　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格，參數(shù)間相互關系更加復雜，對控制系統(tǒng)的精度和功能有相當多的要求，對能源消耗和環(huán)境污染也有明確的限制。二、三次風量的控制過程中，其有關參數(shù)要求滿足附表規(guī)定。

　　三、結束語

　　變頻器的高精度、寬范圍的無級調速功能，解決了舊的二、三次風量調節(jié)的方法所存在的調整困難、只能粗調、能源浪費的問題;變頻器的多保護功能的利用，使回轉窯二、三次風機電機燒壞的次數(shù)幾乎降為零。變頻器在我廠3臺回轉窯上應用3年來，6臺電機無1臺被燒;變頻技術的應用，對回轉窯控制系統(tǒng)的的多極控制方式實現(xiàn)，提供了幫助;變頻器的應用，使系統(tǒng)控制更加準確、可靠、操作便利，設備使用壽命延長，維修量減少;同時降低了操作人員的勞動強度，達到了節(jié)能降耗、降低燒損率、提高煅燒質量的效果。