摘 要：对基于PID算法的ABB Freelance2000控制系统在铁前焦化煤气鼓风机中的实现进行了介绍。首先，选择合适算法，实施参数整定，构建基于PID算法的变频调速系统；其次，搭建煤气鼓风机ABB Freelance 2000控制系统；最后，评估应用效果。系统实现了风机及其油泵的启停联锁，以及风机的PID自动调速功能。控制系统灵敏可靠，电气设备运行稳定，达到的效果是：年节电50.34万kWh、年节能3 016.19 t标准煤；年减排CO2451.39 t、年减排SO278.86 t。
关键词：煤气鼓风机；PID；Freelance 2000控制系统；组态
中图分类号：TH44 文献标识码：A 文章编号：2095-8412 （2017） 03-180-04
工业技术创新 URL： http： // DOI： 10.14103/j.issn.2095-8412.2017.03.051
引言
Freelance 2000是ABB公司推出的一种综合型开放式控制系统，它将集散控制系统（DCS）与可编程控制系统（PLC）的功能融于一体，同时具备DCS复杂模拟回路的调节能力和友好丰富的人机界面，以及与高档PLC指标相当的高速逻辑和顺序控制特性[1-15]。包钢稀土钢板材公司铁前焦化冷鼓工段煤气鼓风机选用了基于PID算法的ABB Freelance 2000控制系统，本文对其进行详细介绍。
1 基于PID算法的变频调速系统
1.1 算法选择
由于工况复杂、不稳定因素多，得到被控对象的精准数学模型是很困难的，系统中的大部分结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，因此选用了不需要精准系统模型的、有较好鲁棒性的经典PID控制算法。公式为：
（1）
其中，kp为比例系数，TI为积分时间常数，TD为微分时间常数。
现场压力信号经传感器变送反馈到DCS，根据实际工艺确定其给定值后，通过PID调节器功能块，经PID算法运算处理后，经模拟量输出模块输出到变频器。变频器接收到控制信号后改变煤气鼓风机电机的转速来改变了吸力，从而调节了煤气的流量和压力，实现初冷器前吸力的单闭环PID控制。
1.2 参数整定
设定值SP由工艺所要求的初冷器前压力确定，过程值PV为初冷器前压力传感变送器的反馈，则PID调节器输出MV由SP与PV的差值决定。煤气鼓风机变频调速系统保证初冷器前压力稳定的工作过程如下：
（1）当初冷器前压力超过设定值（即吸力降低，PV>SP）时，PID调节器输出MV增大，变频器的输出频率也会增大，电机转速升高，初冷器前压力减小（即吸力增大），直至与所要求的设定值大小相等为止；
（2）当初冷器前压力低于设定值（即吸力增大，PV 通过上述分析可知，这个闭环调节系统必然是负反馈，且调节器为正作用。 2 煤气鼓风机ABB Freelance 2000控制系统 2.1 系统配置 DCS采用ABB公司的Freelance 2000 V9.2控制系统。下位现场控制器采用4 MB AC 800F控制器，过程站资源gfj通过控制器冗余配置实现了主从AC 800F之间的无扰动切换。配置了3个S800 I/O站，其中电源、通信系统采用冗余配置。上位监控站采用3台西门子工控机，其中一台包括工程师站资源ES40、操作站资源OS41和趋势服务器资源trd，另外两台各包括操作站资源OS42和OS43。硬件结构如图1所示，网络配置如表1所示。 2.2 主要控制功能 2.2.1 油泵的启停联锁 铁前焦化冷鼓工段共有3台鼓风机，每台鼓风机配有两台油泵，正常工作时一用一备，在启动鼓风机前必须先启动油泵，待润滑油总管压力达到0.15 MPa，供油温度达到35℃（由工艺要求操作员可对其进行调整，需要升温时可通过油站电加热器进行加热）。 在解锁下，单启主泵后，可投联锁，在联锁状态下，两种情况下将自动启动备泵，一种是主泵有故障；另一种是总管压力低于0.07 MPa。 2.2.2 鼓风机的启停联锁及PID调速 每个鼓风机在高压柜合闸、变频器备妥、润滑油总管压力达到0.15 MPa、供油温度正常、各温度压力均未达到报警值等条件满足后，就可以以低频3～5 Hz启车。 在鼓风机启车正常运行后，停车联锁将自动投入，即当两个电机轴温≥80℃、三个电机定子温度≥155℃、四个变速器轴温≥90℃、三个鼓风机轴温≥85℃、两个鼓风机轴位移在±0.7 mm以外、四个鼓风机轴振动≥100.43 μm、供油总管压力≤0.05 MPa与变频故障发生时将自动停车，具体停车原因可通过历史趋势查看。 根据4座焦炉的负荷量，全面投产后，3台鼓风机将投运2台，其中1台投手动调速，另1台投自动PID调速，而未全面投产时则仅手动投1台。在FBD编辑器下选用C_CU通用连续调节控制器并进行相应参数设置，如图3所示。 由于工艺上要避开喘振区（30～39 Hz，对应风机转速是2 880～3 744 r/min），所以要设置死区。正常生产时鼓风机转速根据初冷器前压力大小进行调节，并能实现手动、自动两种调节方式。自动状态调节时需能人为限定调节范围，例如限定39～43 Hz，自动状态转速必须在此范围之内。生产时操作人员根据生产需要提出具体限定范围，由計算机维护人员进行设定。按生产工艺要求，利用常量功能块对输出高低限的范围进行设置。组态功能块并连接变量，完成FBD程序，下装控制器和操作员站，在DigiVis打开的组显示画面如图4。
3 应用效果评估
该系统投运以来，大幅度改善了现场作业环境，设备效率有所提高，彰显了重要意义。经济效益方面，预计年节电50.34万千瓦时、年节能3 016.19吨标准煤，不到一年即可收回投资。环境效益方面，年减排二氧化碳451.39吨、年减排二氧化硫78.86吨。
4 结论
该控制系统在包钢稀土钢板材公司铁前焦化煤气净化工段投运以来，系统运行平稳，各项功能完全符合生产，效果良好。特别是计算机控制结合变频器取代了过去的液力耦合器调节后，节能效果显著，体现了计算机控制技术和变频技术的综合，对企业发展进步有着积极意义。
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