摘    要：传统冶炼烟气风机控制系统普遍采用工频恒速运行模式，无法根据冶炼工况动态匹配风量需求，进而导致能耗偏高、设备磨损加剧、系统响应滞后等问题 。基于此，文章从硬件配置、软件设计两个方面出发，设计了基于 DCS 系统的冶炼烟气风机变频调速控制系统。实验结果表明，该系统控制精度高、响应速度快，相较于传统工频控制模式节能效果显著，且可适配不同冶炼负荷工况，有效提升了烟气风机运行的经济性与稳定性。

       关键词：DCS 系统；变频调速

       随着工业自动化技术的发展，集散控制系统（DCS）凭借其集中管控、分散控制的优势，已被广泛应用于冶炼过程的工艺监控，但在烟气风机调速控制领域，尚未形成成熟的“DCS+ 变频”协同方案［1］。冶炼烟气风机作为冶炼烟气净化系统的核心动力设备，其运行稳定性与能耗水平直接决定环保达标效率和企业生产成本。变频调速技术虽能实现风机无级调速、降低空耗损失，但单独应用时缺乏与冶炼工艺参数的联动控制，易导致风机运行与环保需求脱节，出现超量排风或达标波动等情况。基于此，文章提出了基于 DCS 系统的变频调速控制技术方案，旨在为冶炼行业环保设备的节能改造提供技术参考。

       1   冶炼烟气风机变频调速控制系统设计

       基于 DCS 系统的冶炼烟气风机变频调速控制系统总体架构设计主要包括硬件配置、软件设计两部分 。硬件配置包括 DCS 硬件和变频设备，为系统稳定运行提供基础支撑 。软件设计包括感知层、控制层、交互层 。其中， 感知层涵盖参数采集模块与数据预处理模块；控制层进一步细分为分布式控制节点部署与变频调速控制算法设计［2］；交互层构建集监控、操作与报警于一体的人机交互界面，助力操作人员及时掌握系统运行动态，实现对冶炼烟气风机变频调速过程的高效监控与管理。

       1.1   硬件配置

       DCS 硬件核心采用西门子 S7-400H 冗余控制器，配置 2 套 CPU 417-4H 模块，单模块处理速度达 0.04μs/指令，内置 2MB 工作内存与 16MB 装载内存，冗余切换时间 ≤ 100ms ，满足冶炼烟气风机控制的高可靠性要求 。为实现控制指令的精准执行与状态反馈，配置西门子 SM331模拟量输入模块（8 通道，输入信号 4~20mA/ 0~10V，精度 0.1%FS）、SM332 模拟量输出模块（4 通道，输出信号 4~20mA ，负载能力≤750Ω) 、SM321 数字量输入模块（16 通道，DC24V，响应时间≤1ms）及 SM322数字量输出模块（16 通道，DC24V/2A），各模块通过背板总线与控制器冗余连接。

       通信模块选用 CP443 -1  PROFINET 模块 ， 支 持100Mbps 全双工通信，实现与变频设备、检测设备的实时数据交互，通信周期≤ 100ms。变频设备基于风机额定功率 160kW 及冶炼车间 380V/690V 电压等级 ，选用ABB ACS880-01-310A-3 变频器，额定输出电流 310A，配置 12 脉冲整流单元以降低谐波干扰，THDi≤5%，具备 150%额定电流 60s 过载保护、过压/欠压保护及电机热保护功能，控制模式采用矢量控制，调速范围 1:100，转速控制精度±0.01%，满足风机 0~1450r/min 的调速需求。

       1.2   软件设计

       1.2.1   感知层

       感知层是 DCS 系统在冶炼烟气风机变频调速控制中的数据基础层，主要承担风机运行状态参数、烟气流量、温度、压力及电机电流、电压等信号的实时采集与预处理任务［3］。烟气温度采集采用 PT1000 铂电阻传感器，其精度等级达 Class A( ±0.1℃) , 且具备 -50~ 200℃宽温工作范围，通过铠装式外壳提升抗腐蚀与抗冲击能力。烟气压力采集选用罗斯蒙特 3051CD 差压式压力变送器，精度±0.075% FS，消除烟道静压波动对测量结果的影响。烟气流量采集采用 DN200~DN500 口径涡街流量计，确保不同工况下流量测量准确性 。SO2/NOx 浓度采集采用紫外差分吸收光谱传感器，抗粉尘干扰能力强，满足实时控制需求 。风机转速采集通过光电编码器（1024 线 / 转）实现，与风机主轴同轴安装，输出 A/B相正交脉冲信号，可实现转速与转向的双重监测 。轴承温度采集采用 K 型热电偶传感器，通过温度变送器将毫伏级信号转换为 4~20mA 标准电流信号。风机振动采集选用压电式加速度传感器，输出电荷信号经电荷放大器转换为4~20mA 电流信号。

       为避免现场电磁干扰导致的信号漂移，系统采用RS-485 隔离通信接口与 Modbus  RTU 协议，实现各传感器与 PLC 间的抗干扰通信。对于高速模拟量信号，采用 12-bitADC 模块进行数字化转换，并通过滑动均值滤波算法进行预处理 。设采样值为，则滤波后的输出如式（1）：

       式中：xt 为当前时刻 t 的滤波输出值；xt-i 为第 t-i 次

       采样的原始数据；N 为滑动窗口长度。式（1）通过对最近N 个采样值求算术平均，实现对高频随机噪声的抑制，使采样信号曲线更加平滑，增强 DCS 系统在冶炼烟气风机运行监测中的数据稳定性与抗干扰能力 。最后，引入基于Z-Score 的异常检测算法用于剔除异常数据点。所有采集数据经光纤以 100Mbps 速率传输至过程层PLC CPU 模块，实现实时数据更新。

       1.2.2   控制层

       （1）分布式控制节点部署 。控制层采用全冗余分布式控制架构（DCA），实现冶炼烟气风机系统的多层级分域自适应控制 。系统主控单元选用Siemens  S7-400H （CPU  416-5H）高性能冗余控制器，具备双 CPU 热备特性与冗余背板总线，主用与备用单元之间通过 Sync Module SM-400 光纤同步模块实现实时状态镜像同步，数据镜像周期 <10ms。该主控单元承担全局闭环调度、 PID 动态整定、自适应模糊修正及跨子站通信优化算法计算任务。

       下位分布式执行层采用 ET200SP 远程 I/O 站与S7-1200 智能子控制器构建节点化控制域，节点间通过Profinet 工业以太网实现实时通信， 通信周期固定为50ms，在控制回路采样周期内实现 1:4 通信采样比，保证闭环调度的时效性与稳定性。

       通信网络采用双光纤通道冗余环网结构 ，结合RSTP 快速重构机制，当任意一链路中断时，网络自愈时间 <30ms，确保控制数据无丢包 。各控制节点按功能模块化划分为：①风机驱动控制子站（实现变频器 VFD控制字下发、转速 / 电流 / 功率反馈采集，基于 Modbus- TCP 协议的异步通信结构）；②烟气阀门调节子站（负责比例阀 PID 控制与开度曲线拟合补偿，采用分段线性插值法保证阀门开度调节的非线性响应精度）；③安全监测子站（执行烟气温度、压力、流量等信号采集与超限联锁逻辑判断，联锁触发响应时间 <15ms）。

       控制系统的组态与逻辑编程基于 SIMATIC PCS 7平台完成，采用 CFC+SFC 混合编程结构，对 PID、逻辑、模糊控制及互锁功能模块进行对象化封装与实例化调用，实现控制算法的模块化、复用性与可维护性 。数据层交互通过统一 的 Process Image Table 映射实现 ，输入输出寄存器区按地址对齐方式组织，确保主从节点信号的同步触发与时序一致性。

       此外，各子节点内部设有事件缓存与时间戳机制，当采样频率超过通信频率时，系统自动启用时间同步功能，依据 IEEE 1588 PTP 精度协议进行毫秒级时间对齐，保证数据闭环的一致性与溯源性 。节点间故障诊断通过心跳包机制实现，当连续三次通信超时，系统触发自诊断报警并自动切换至冗余控制通道 ，确保风机控制不中断 。该分布式控制架构有效提高冶炼烟气风机调速系统的可靠性与容错能力。

       （2）变频调速控制算法设计 。针对冶炼烟气系统风量需求动态变化、负载扰动频繁的特点，设计一种融合MPC 模型预测控制与自适应模糊PID 的复合变频调速算法 。首先，基于风机特性曲线与烟气管道流体力学模型，构建风机-管网系统的离散时间状态空间模型，该状态空间模型由两个离散时间方程组成，用于描述冶炼烟气风机系统的动态行为，表达式如式（2）：

       v（k+1）=Av（k）+Bu(k)+w(k)

       y(k)=Cv(k)+e(k)                                               （2）

       式中：v（k）为系统在采样时刻 k 的状态向量，包含风机转速、烟气流量、管道压力等内部动态变量；u(k)为控制输入向量，即变频器输出的频率指令；y(k)为可测输出向量，对应传感器实际采集的烟气流量、压力等观测量；A 为状态转移矩阵 ，刻画系统内部状态的自然演化规律；B 为输入矩阵 ，描述控制输入对状态变化的影响；C 为输出矩阵，定义状态变量如何映射到可观测输出；w(k)和 e(k)分别为过程噪声与测量噪声，表征模型不确定性与传感器误差。

       在此基础上，MPC 控制器以最小化风量跟踪误差与能耗为目标函数，滚动优化未来 N步控制序列，最小化风量跟踪误差与能耗，其二次型目标函数 J 如式（3）：

       式中：Mp 为预测时域；Md 为控制时域；s（k+jk）为基于当前状态 v（k）预测的第 k+j 步输出；r（k+j）为风量设定值（参考轨迹）；u（k+j）用于抑制控制动作剧烈变化，Q、R 为权重矩阵，分别权衡跟踪精度与控制能耗（或变频器频率变化率）。

       为应对模型失配与外部扰动如炉况突变导致的烟气流量阶跃，引入自适应模糊 PID 作为内环补偿器：其输入为 MPC 输出与实际反馈的偏差及其变化率，模糊规则库基于专家经验与历史运行数据离线训练生成，并采用 Lyapunov 在线参数自整定机制动态调整比例、积分、微分系数 。此外，系统集成软启动 / 软停机逻辑、过载保护阈值自学习及谐波抑制策略，确保风机在全工况范围内高效、平稳、安全运行。

       1.2.3   交互层

       交互层作为人机接口与数据展示终端，承担实时监控、趋势分析、报警管理及操作控制功能。基于WinCC V7.5 构建 HMI 平台，采用客户端 - 服务器（C/S）架构，服务器安装在工业 PC（Intel i7-12700、16 GB RAM、1 TB SSD）上，客户端为控制室触摸屏与工程师站。交互层与控制层间通过 OPC  DA 协议通信，刷新周期为 1s，支持标签变量双向读写。

       界面设计上采用模块化布局，将风机系统划分为“ 运行监控区、参数调节区、趋势分析区、报警区、能耗统计区”五大功能模块 。其中，运行监控区实时显示烟气流量、压力、温度、转速、电流等关键参数；趋势分析区采用时序数据库存储历史数据，通过折线图、散点图方式展现 24h 运行曲线；报警区应用优先级分级机制 ( Ⅰ 级：紧急停机，Ⅱ级：高温或超压预警，Ⅲ级：通信异常），并通过声光报警模块发出提示 。操作员可在交互层实现变频器频率手动设定、PID 参数在线整定 、工况切换（ 自动/手动模式），所有操作均需经权限认证与日志记录。

       数据报表功能基于 SQL  Server 数据库生成日报、周报、月报，实现烟气处理效率、能耗比、风机运行时间等统计分析 。为提升系统的智能化程度，交互层还集成了基于 Python API 的能效分析插件，可根据实时数据计算单位烟气流量能耗指标，并自动生成优化建议 。网络通信采用冗余双网卡绑定模式，保证监控系统在网络故障下仍可稳定运行。

       2   对比实验

       为验证基于 DCS 系统的冶炼烟气风机变频调速控制技术在实际工况下的控制精度、响应速度及节能效果，开展对比测试实验 。实验准备阶段，选取某铜冶炼厂熔炼车间配套的 2 台 Y4-73-11No14D 烟气引风机（额定功率 160kW，额定电压 380V，额定电流 285A，额定转速 1180rpm）作为测试对象，其中 1# 风机采用传统入口挡板调节方式作为对照组，2# 风机接入 DCS 系统并配置 ABB ACS880-01-310A-3 作为实验组。

       实验前对两台风机进行 72h 空载运行调试，确保机械状态一致，并校准压力变送器、电流互感器及风量测量装置 。正式测试在连续 7d 冶炼周期内进行 ，涵盖高、中、低三种典型冶炼负荷工况，每种工况持续8h，记录风机运行电流、功率、转速、烟气负压、风量等关键参数 。实验结果如表 1 所示。

       由表 1 实验结果显示，本系统在控制精度、响应速度及节能效果上均显著优于传统挡板调节方式 。控制精度方面，在高、中、低负荷工况下，本系统的烟气负压实际波动范围远小于挡板调节，表明本系统能更稳定地维持设定负压（-1200Pa），减少因压力波动对冶炼烟气收集及后续处理工艺的干扰 。响应速度上，本系统响应时间均低于 26ms，可快速适配冶炼负荷变化，提升系统动态调节能力 。节能效果尤为突出，随负荷降低，优势更显著：高负荷时本系统功率降低 44.6kW，中负荷降低 126.5kW，低负荷降低 214.8kW，印证了变频调速通过调节转速按需输出功率的节能机理，相比挡板调节（转速恒定、靠节流耗能）更适用于多负荷波动的冶炼场景。

       3   结束语

       基于 DCS 系统的冶炼烟气风机变频调速控制系统，能够实现对风机运行状态的精准调控，不仅可以降低能源消耗，提高烟气风机运行效率，还有助于增强冶炼过程的稳定性和环保性能 。未来，在“双碳”目标背景下，变频调速系统将更深度集成于全流程能源管理系统中，推动冶炼工艺向高效、智能、可持续方向迈进。

参考文献

［1］吕超伦.基于 DCS 的电厂燃煤锅炉优化控制系统设计与实现［J］.科学技术创新，2025（19）：74-77.

［2］吴泽刚，王安熠.基于 DCS 系统的火电厂智慧监盘技术研究［J］.仪器仪表用户，2025，32（7）：110-112+115.

［3］郭晓娇.浅析核电厂 DCS 控制系统老化问题的优化管理策略［J］. 中国设备工程，2025（S2）：63-65.