石化行业中主备双变频拖动设计的冗余应用

石化行业中主备双变频拖动设计的冗余应用

吴桂林 1 张钊 2 杨国 1 陈敬灿 1 许坤 1

（ 1湖北三宁化工股份有限公司， 443206，湖北宜昌

2施耐德电气（中国）有限公司，102205，北京昌平）

【摘要】湖北三宁化工股份公司在乙二醇项目锅炉引风机控制中，目前的配置是一台功率达5000kW引风机，采用施耐德ATV1200C系列高压变频调速系统拖动。当变频器发生故障或需要维护时，设置“变切工”切换程序。由于该引风机功率较大，启动时受变电站总降容量制约，“变切工”在实现降压切换过程中，易受炉膛压力保护动作而跳闸，会严重影响生产连续性，因此适时提出本热备双变频器运行方案，以确保生产的连续性。

【关键词】双变频器冗余 控制探讨

0引言

多年来，针对高压变频器的运用控制问题引发过众多的讨论，在这里提出的是两台高压变频器冗余互为备用，正常切换在不切除变频器进出开关动作的前提下，能实现5-10ms内两台间无扰切换，任一台变频器重故障时，需切换先切换其两侧开关断开情况下，能在45-50ms完成切换成另一台工作同频率工作状态，瞬间达到电机不停机运行，系统的可靠性与经济性得到了很大的提升，这是本变频控制方案的技术优势。

1锅炉引风机两台A/B变频器控制采用“一主供一热备”的方案

图1 主回路一次方案

图1为其主回路接线示意图，图中控制方案分降压起动和变频、工频运行等三个部分。

①降压起动：

降压进QF1和降压出QF3启动后，液阻柜极板移动，降压启动运行。根据所需降压要求进行控制，极板到位或设置的控制时间到，合QF2短接柜，全压运行，之后极板返回。

②变频运行：前提是工频柜QF6断开状态。

变频器A的两侧开关变频进1开关QF4与变频出1开关QF5、激流涌磁开关合闸即为变频器A运行。

变频器B的两侧开关变频进2开关QF7与变频出2开关QF8、激流涌磁开关合闸即为变频器B运行。

③工频运行：

双变频器的变频进、变频出开关均断开时，工频柜QF6合闸运行。

2两变频器内主控箱实现双光纤通讯控制功能

图2 A/B 变频器内主控箱通讯

图2中由主控PLC柜收到先启动的那台变频器就是主供，将其运行数据通过两变频器内主控箱间的双光纤，实时通讯传输给热备变频器。

切换指令发出后，热备变频器将按主供切换前实时数据触发冗余运行（注意：故障切换时将实时跳开主变频两侧开关后才能触发）。

3 A/B双变频器控制开关及主控PLC、集控柜外围控制

图3 A/B变频器控制开关与主控机PLC、集控柜外围控制信号

图3中所有主控开关QF1\2\3\4\5\6的开关量、控制量均接入主控PLC柜；QF7\8的开关量、控制量均接入集控柜的施耐德PLC内，与主控PLC柜硬接线控制。主控PLC柜程序逻辑智能执行方案。以变频器A机为例，变频器B控制亦然。

3.1变频器A运行

①DCS上启动变频器A指令→→主控PLC柜执行→→QF4变频进合闸→→QF3降压出合闸→→QF1降压进合闸→→软启动极板移动（时间1s）→→变频器A内部控制激磁涌流抑制柜开关合闸→→QF2短接柜合闸（后软启动返回退出）→→变频器A自检待机→→QF5变频出柜合闸。

②主控PLC柜执行，延时发出变频器A启动指令→→变频器A启动。

③DCS给定4-20mA调节信号，两路输出分别给到主控PLC柜，再分别到变频器A/B输入端）→→一直发出指令，控制变频器A运行。

④变频器A反馈至DCS量显示。

3.2变频器A\B运行设定默认主机形式

主控PLC柜程序上设定，在DCS上先按变频器A启动，变频器A即为主机，变频器B在DCS上启变频器B后，则为备机，程序控制详见表1。

变频器A正常工作后，DCS启动变频器B运行：

DCS启动变频器B开关合闸指令→→主控PLC柜PLC柜执行→→QF7变频进合→→变频器B内部控制激磁涌流抑制柜开关合闸→→变频器B自检待机→→QF8变频出柜合闸→→发出已作备机信号。

表1 变频A\B单启运行设定编程说明

3.3A\B变频主控箱通讯运行

变频器A在运行，变频器B待机备用。两变频器内的主控箱（IGBT管的控制系统），采用互为备用全智能冗余控制的光纤实时通讯方案，通讯速率最高可达10M，而传递的关键参数时间也可在毫秒级别内完成。双路光纤当一路故障时，同时切换到备用光纤继续通讯，并通过本变频器的PLC发出故障报警信号。

变频器A/B内控制功率模块的主控箱具备一定的信息储存能力。将变频器A的控制运行数据，能实时复制到变频器B控制箱上存储。主要包括：参考电压的幅值和角度、运行频率、输出电压、电流等重要电气参数。

一旦变频器B收到人为DCS上指令“A切B ”（注意：“变频A重故障”发信号时，主控PLC柜会迅速判断发出跳开QF4和QF5指令，急停变频器A运行，DCS发出“人为互切”不停两侧开关）。

之后迅速发出“变频器B启动”命令，充分利用DSP无速度传感矢量控制技术，变频器B按读取的数据，飞车启动调速运行，切换时间在毫秒级别内完成，相对于如此惯性体量的风机而言，不会对锅炉稳定运行带来影响；对于此类电压源型的中压变频器可以在额定频率范围内，直接输出变频器A停机前的频率，由变频器B拖动电机运行，从而实现负载从变频器A向B的转移，主控PLC柜程序智能发出主/备机信号已切换，保证设备稳定运行。

正常情况下，可进行两变频器间轮值拖动负载运行，实现有计划的检修和维护，简单可靠智能无扰切换，完全满足运行的需求。

表2为A\B变频人为或重故障互切设定编程说明。

表2 A\B变频人为或重故障互切设定编程说明

3.4“工切变”或“变切工”运行

本控制方案具备“变切工”、“工切变”功能，程序控制详见表3。

正常情况下，当DCS系统上发出“变切工”命令后，主控PLC柜迅速发出停变频器A/B所有进出口断路器，变频器停机。

同时触发启动工频降压、自动投全压运行模式：DCS发出“变切工”→→主控PLC柜执行→→跳变频器两侧开关QF4\QF5\QF7\QF8→→QF6工频柜合→→QF3降压出合→→QF1降压进合→→软启动极板移动下行到位→→QF2短接柜合（软启动返回退出）→→工频运行。

3.5变频器A/B互切

当变频器A/B一台正常运行，另一台正常热备，DCS上均可人为A/B互切，并且两侧开关不需断电。

如果变频器A正在运行，B有故障或条件不具备，程序自动判别“A切B”无效不切换。若B备妥，但在切换启B过程中，如报故障未启起来，立即切除变频器B两侧开关。优先考虑又回切A运行，程序中设定一个总延时，如A还未运行，同时总延时又到，将自动实行“变切工”。

表3 变频A\B与工频互切设定编程说明

3.6变频器A/B内PLC与集控柜施耐德PLC通讯、DCS与主控PLC柜间控制关系

变频器A/B功率模块主控箱运行所有数据，如运行电流、电压、功率、频率、故障信息等，通过其控制的PLC与集控柜PLC通讯，利用工控机实时通讯采集、传输、处理、储存、调用等变频器运行信号。在后台上实时查询主备变频器的各运行数据、各开关状态，快捷准确判断开关的遥测量、故障信息等。达到“人工智能化”查询，实时上传或下载监控程序。具备传输速率快、画面直感强、可读性高的超大功能。

充分利用工控机储存容量超大、处理能力超强的特点，有效分析比较各种储存的数据，以备实时调用。

集控系统控制的高可靠性要得到充分保证。一则变频器运行时，应具备不受变频输出时磁场辐射干扰，绝不能死机及延缓控制等各种干扰。二则各类电子印刷板的防潮、防尘、防腐、防凝露、防振动、防雷击（加装防雷设施）必须得到保证。三则集控柜采用UPS不间断交流和220V直流等双电源无扰冗余供电。

图4中变频器A/B内PLC与集控柜内施耐德PLC实时通讯，利用后台工控机监视监控。

图4 A/B 变频器PLC与集控柜通讯、DCS与主控机PLC间控制信号

3.7电网失压保护功能

变频器在移相变压器端采集数据转换，具备自检“有无高压电”，检测到“有电”或“无电”时，各输出无源闭合触点，与进线开关柜合位状态接入变频器内PLC，程序输出“网电失压”信息，直接封锁，发停机命令，停对应的各高压开关。

4总结

本文阐述了基于双变频器控制采用“一主供一热备”无扰切换的控制方案，还可设计成“一拖一”、“二拖一”等几种工作模式，灵活性强，确保设备运行稳定，均可在线可靠操作，满足了石化行业生产连续的工艺要求。

参考文献

[1] 张燕宾  -  《自动化博览》 变频器的控制方式，2003年

[2] 韩亚军 ， 段莉 ， 陶洪春  -  机械工业出版社  PLC与变频器，2011年

[3] 李方园  -  《变频器世界》 变频器的功能设置概述，2007年

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