1 引言
異步電動機是冶金、化工等生產企業最主要的動力設備。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，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，成為各企業節能降耗、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年建成投產的。其系統控制落后，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，生產長期依靠現場手動和經驗操作，生產方式落后，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改造。這種煅燒回轉窯控制技術，是目前國內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，其煅后焦產量、質量及煅燒實收率等產品性能受煅燒帶溫度、煅燒帶位置、揮發份濃度、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。在舊系統控制生產中，憑操作人員的實際經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。對煅燒回轉窯產量、煅后焦質量、窯內襯壽命、燃料消耗、窯尾煙氣凈化等有不利影響。
2 系統的組成及原理
2.1 二、三次風對回轉窯生產工藝的影響
回轉窯二、三次風給量大小，決定著窯內煅燒待溫度和其位置，在回轉窯控制中，一般要求窯內煅燒帶溫度控制在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，會使窯內煅燒帶的溫度降低，料中的揮發物揮發不充分，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程度：如三次風給定不足，會使揮發物燃燒不充分，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
2.2 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。影響三次風量給定的因素與二次風類似，其詳細內容略。
圖2 影響回轉窯二次風量給定的因素圖
2.3 二、三次風機控制原理
隨著炭素生產過程的回轉窯控制系統的探索和發展，生產過程控制向大型、連續、多級和復合功能方向發展，對生產工藝操作規程的要求更加嚴格，參數間相互關系更加復雜。產品的品質指標的不斷提高，直接要求控制系統的精度和功能要有較大幅度的提升，同時對能源消耗和環境污染也要求更高。二、三次風作為回轉窯的副控制回路:三次風調節為前端的控制，承擔下料量波動時的“粗調”;二次風調節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，全憑操作人員經驗操作。應用變頻器調速控制，實現了遠程操作、微動細調節的功能，解決了舊系統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，實現閉環控制，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、三風機變頻器閉環控制原理圖
2.4 自動調節關系描述
在回轉窯多回路控制系統中，其控制方式是由多個測量值、多個調節器、補償器和解耦器等組成多回路、串級控制系統：負壓是主控制調節，二次風變頻調節量和三次風變頻調節量是副控制調節。為了保證煅燒產品質量，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，它要跟蹤調節波動量的變化，不能在煅燒1號掃描系統反應時才做出相應的三、二次風的調節，需要在煅燒2號掃描系統產生超限波動時，就進行相應的三、二次風的調節，最后調節負壓（采用變頻器控制風機的轉速，達到調節負壓的目的）。從其控制特性來看，是一種典型的串級控制系統。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，能夠加快系統控制速度和響應時間。
在回轉窯總控制系統中為實現最佳煅燒過程控制，采用負壓控制和二、三次風機風量調節來實現。其控制對象主要是原料中揮發份最大析出溫度、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，達到調節目的。上位機通過現場傳感器獲得穩定場的分布判斷和實際參數大小，并通過微處理器分析、比較、合成等綜合處理。并由plc發出控制電信號（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），以保障整個回轉窯溫度、負壓等運行狀態，滿足最理想的煅燒生產工藝條件和要求。
2.5 系統組成
系統主要是由工控機、plc（s7-300）、稱量裝置（連續皮帶秤）、變頻器（mf-7.5kw-380）、現場信號采樣器及監控器等組成。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，其參數給定由回轉窯總系統控制器承擔。上位機根據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負壓等參數，通過控制狀態的解析，將實際要求的給定數據發送給plc，然后plc發出控制二、三次風供風量的控制指令，變頻器驅動執行機構（風機拖動電機），完成系統控制任務。其控制系統如圖4所示。
圖4 回轉窯二、三次風機實際控制系統圖
2.6 控制回路調試和整定
在實際系統調試中,應首先整定副環,其次整定主環,再循環進行，逐步接近主、副環的最佳整定的方法，其步驟如下:
（1）首先進行三次風量整定值：首先斷開主環，按照單回路整定方法，求取副調節器的整定參數，得到第一次整定值。
（2）其次進行二次風整定值：把已整定好的副環作為二次風副環中的一個環節，仍按單回路整定方法，求取二次風的整定值。
（3）最后進行主環整定值：把整定好的二、三次風量的副環作為主環的一個子系統，求取主閉環系統的整定值。
（4）煅前加料系統雖采用圓盤給料機變頻控制，但只能實現均勻加料的目的，無法滿足回轉窯生產工藝最佳控制要求，故需要實現煅前加料系統和整個回轉窯系統的自動閉環控制，根據回轉窯工況和各項工藝參數的要求，自動調節下料量。才能為整個控制系統的最優控制創造條件。
2.7 二、三次風機變頻控制的功能
（1）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，并實現了連續微調功能。解決了過去采用擋板只能粗調風量的缺點。
（2）二、三次風機的變頻調速的應用,降低了風機電耗,節約了能源。
（3）變頻器的無級調速功能的利用，使二、三次風量調整過程中，對回轉窯控制系統影響降低到最小。
（4）實現了遠程操作和調節的功能，更加方便分散控制操作。
（5）變頻技術的應用，有利于回轉窯自動控制系統和最佳煅燒工藝的實現。
（6）變頻器的應用,使二、三次風機的運行狀態實現了在線監控功能。
2.8 系統主要參數及要求
隨著生產過程向著大型、連續和高控制方向發展，對操作條件要求更加嚴格，參數間相互關系更加復雜，對控制系統的精度和功能有相當多的要求，對能源消耗和環境污染也有明確的限制。二、三次風量的控制過程中，其有關參數要求滿足附表規定。
3 結束語
