AV50 風(fēng)機(jī)自動(dòng)化控制改造

郭億祥

（廣東中南鋼鐵股份有限公司煉鐵廠，廣東韶關(guān) 512123）

0 引言

AV50 風(fēng)機(jī)透平機(jī)組使用時(shí)間超過19 年，系統(tǒng)存在控制邏輯落后、設(shè)備故障率高的問題，近年來系統(tǒng)在正常運(yùn)行時(shí)頻繁進(jìn)入“安全模式”，嚴(yán)重影響高爐生產(chǎn)，需對控制系統(tǒng)進(jìn)行改造。

1 AV50 風(fēng)機(jī)存在的問題

（1）控制系統(tǒng)軟、硬件使用年限較長，硬件產(chǎn)品老化嚴(yán)重、故障率較高，軟件及操作系統(tǒng)版本較低，部分PLC 及儀表設(shè)備硬件廠家因升級換代而停產(chǎn)，無可靠的備件保證。

（2）控制系統(tǒng)設(shè)備組成復(fù)雜，高壓系統(tǒng)最先設(shè)計(jì)為電機(jī)定子串水電阻降壓起動(dòng)，后改為磁控軟起動(dòng)器起動(dòng)，靜葉控制由PLC、手操器、伺服控制器、伺服閥組成，控制設(shè)備過多，增加了設(shè)備的故障點(diǎn)。

（3）防喘振控制算法落后，當(dāng)運(yùn)行點(diǎn)越過防喘線時(shí)，防喘振PID 未能從當(dāng)前閥門開度進(jìn)行調(diào)節(jié)，存在死區(qū)；防喘閥打開后，由于沒有進(jìn)行預(yù)先調(diào)節(jié)，防喘振PID 增益調(diào)節(jié)不合理，一旦防喘振調(diào)節(jié)功能激活，閥門開度過大，直接將工況點(diǎn)風(fēng)壓、風(fēng)量拉低，導(dǎo)致后端工藝生產(chǎn)極不穩(wěn)定。

（4）風(fēng)機(jī)在正常運(yùn)行過程中，在外界條件無任何明顯變化，且無人工干預(yù)的情況下，風(fēng)機(jī)靜葉發(fā)生關(guān)閉，導(dǎo)致進(jìn)氣流量減小，工況點(diǎn)越過喘振線進(jìn)入不安全區(qū)域，控制系統(tǒng)聯(lián)鎖觸發(fā)進(jìn)入安全運(yùn)行模式，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)放風(fēng)，影響高爐正常運(yùn)行生產(chǎn)，監(jiān)控系統(tǒng)采用大量腳本語言進(jìn)行編制，存在軟件漏洞的風(fēng)險(xiǎn)，需要進(jìn)行修改糾正。

（5）風(fēng)機(jī)在送風(fēng)過程中，送風(fēng)壓力隨熱風(fēng)爐切換而出現(xiàn)送風(fēng)壓力波動(dòng)，對高爐生產(chǎn)造成影響。

（6）撥風(fēng)系統(tǒng)集成于AV50 機(jī)組控制系統(tǒng)內(nèi)部，兩個(gè)系統(tǒng)的接口部分不夠清晰，撥風(fēng)控制邏輯需要進(jìn)行完善，提高撥風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行可靠性。

2 進(jìn)入安全模式原因分析

風(fēng)機(jī)正常時(shí)，靜葉出現(xiàn)自動(dòng)關(guān)閉至22°，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)直接進(jìn)入安全模式。

2.1 自動(dòng)控制程序

通過解讀程序，在操作人員無操作失誤的情況下，控制系統(tǒng)程序不會發(fā)出靜葉關(guān)閉指令，此處操作失誤特指將靜葉控制模式由自動(dòng)模式轉(zhuǎn)為手動(dòng)模式，因程序不具備無擾切換功能，所以當(dāng)工作模式發(fā)生改變后，可能出現(xiàn)靜葉關(guān)閉或打開的情況。通過現(xiàn)場分析，風(fēng)機(jī)進(jìn)入安全模式時(shí)，靜葉控制模式在自動(dòng)模式，故操作人員操作失誤的可能性不存在。

2.2 外界設(shè)備故障

靜葉控制設(shè)備是由PLC、靜葉手操器、靜葉伺服閥（伺服控制器、電液伺服閥）組成。手操器和伺服控制器出現(xiàn)故障可能性相對較小，經(jīng)停機(jī)及在線試驗(yàn)，以上設(shè)備動(dòng)作可靠，電液伺服閥出故障可能性不大。

機(jī)組配置為電機(jī)+變速箱+軸流壓縮機(jī)，控制系統(tǒng)由PLC、低壓電氣系統(tǒng)、高壓電氣系統(tǒng)、勵(lì)磁系統(tǒng)、潤滑油動(dòng)力油控制系統(tǒng)、靜葉控制系統(tǒng)（靜葉手操器、靜葉伺服器）組成（圖1）。

圖1 AV50 風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)

2.3 控制系統(tǒng)信號干擾問題

靜葉控制信號由PLC 通過靜葉手操器、伺服控制器控制電液伺服閥動(dòng)作，信號在傳輸過程中存在受到電磁干擾的可能，經(jīng)查AV50 風(fēng)機(jī)PLC 系統(tǒng)為單獨(dú)接地，接地電阻<1 Ω，符合國家標(biāo)準(zhǔn)，故障時(shí)周圍設(shè)有電焊設(shè)備工作，故信號干擾造成系統(tǒng)故障的可能性可以排除。

2.4 PLC 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)軟件可能存在漏洞，因控制靜葉開關(guān)按鈕采用腳本語言進(jìn)行編制，結(jié)合腳本程序的執(zhí)行周期和監(jiān)控軟件的通信狀態(tài)異常，原因可能為畫面軟件經(jīng)過多次升級，西門子編程軟件從STEP7v5.0 逐級升級到STEP7v5.6，畫面程序由WinCC6.2 逐級升級到WinCC7.4，腳本語言升級過程可能出現(xiàn)問題，控制系統(tǒng)軟件可能存在漏洞，極有可能是控制系統(tǒng)內(nèi)部故障，造成靜葉出現(xiàn)自動(dòng)關(guān)閉至22°，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)直接進(jìn)入安全模式的原因。

3 改造方案

（1）機(jī)組軟硬件升級改造，PLC 模塊更換，軟件升級到最新版本，對控制系統(tǒng)軟件進(jìn)行版本升級，控制系統(tǒng)軟件采用WinCC7.5+STEP7v5.6 編程。

（2）取消靜葉控制手操器，將手操器功能由WinCC 畫面控制功能進(jìn)行替代，更換伺服控制器、電液伺服閥。

（3）高/低壓電氣控制系統(tǒng)改造：①磁控軟起動(dòng)器控制優(yōu)化；②高壓柜控制優(yōu)化，與磁控軟起動(dòng)器一次控制不變，二次信號直接由PLC 控制；③低壓電氣控制系統(tǒng)原樣恢復(fù)。

（4）更換勵(lì)磁柜，將勵(lì)磁柜狀態(tài)信號接入PLC 系統(tǒng)，對勵(lì)磁控制方式進(jìn)行優(yōu)化：①勵(lì)磁柜采用恒磁控制，星點(diǎn)柜短接后自動(dòng)投入；②勵(lì)磁柜保證當(dāng)控制器出現(xiàn)故障時(shí)，輸出電流恒定不變，同時(shí)報(bào)警提示系統(tǒng)故障。

（5）壓縮機(jī)控制軟件包進(jìn)行控制系統(tǒng)程序及監(jiān)控畫面的重新開發(fā)：①防喘振線動(dòng)態(tài)補(bǔ)償算法，應(yīng)用簡化能量頭和簡化流量平方的防喘線算法，實(shí)現(xiàn)喘振線在不同進(jìn)口溫度、進(jìn)口壓力下動(dòng)態(tài)補(bǔ)償；②允許工況點(diǎn)貼近防喘振曲線運(yùn)行，擴(kuò)大了現(xiàn)有風(fēng)機(jī)運(yùn)行的工況范圍；③在正常運(yùn)行期間消除放風(fēng)量，降低能量消耗；④通過自動(dòng)精確調(diào)節(jié)靜葉和防喘振閥的解耦控制，保證熱風(fēng)爐送風(fēng)壓力穩(wěn)定，避免了誤操作的可能性；⑤壓縮機(jī)控制軟件重新編制。

4 改造后的主要控制功能

4.1 風(fēng)機(jī)系統(tǒng)啟動(dòng)

在正式起動(dòng)風(fēng)機(jī)前可以對機(jī)組進(jìn)行試驗(yàn)，對系統(tǒng)中的油泵可進(jìn)行備自投試驗(yàn)、靜葉釋放試驗(yàn)、勵(lì)磁自投試驗(yàn)，防止起動(dòng)后靜葉無法打開等故障出現(xiàn)。優(yōu)化風(fēng)機(jī)起動(dòng)過程，清晰地顯示起動(dòng)條件，方便操作人員判斷，起動(dòng)過程實(shí)時(shí)顯示各種設(shè)備動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。

4.1.1 油泵控制

潤滑、動(dòng)力油泵電機(jī)當(dāng)出口壓力低于閥值時(shí)備自投。

4.1.2 機(jī)組靜葉釋放功能

在主電機(jī)運(yùn)行后，按下靜葉釋放按鈕執(zhí)行靜葉釋放動(dòng)作，靜葉角度由14°釋放至22°，若在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)靜葉角度沒有由14°釋放至22°，顯示靜葉釋放失敗，復(fù)位后重新釋放靜葉。

4.1.3 機(jī)組允許加載操作功能

主電機(jī)運(yùn)行情況下，按下允許加載按鈕，則閉鎖標(biāo)志撤消，放空電磁閥得電，止回閥電磁閥失電。

4.1.4 機(jī)組逆流保護(hù)功能

在主電機(jī)運(yùn)行，靜葉角度＞22°情況下，若風(fēng)機(jī)喉部差壓過低信號持續(xù)1 s，系統(tǒng)發(fā)出機(jī)組喘振報(bào)警信號，若在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)機(jī)組喘振報(bào)警信號仍然存在，則發(fā)出機(jī)組逆流報(bào)警信號。在規(guī)定的時(shí)間后，若機(jī)組喘振報(bào)警信號仍然存在，則發(fā)出機(jī)組持續(xù)逆流信號。機(jī)組逆流報(bào)警信號和機(jī)組持續(xù)逆流信號用存儲器位按鈕清除，逆流實(shí)驗(yàn)按鈕閉合，可以模擬產(chǎn)生喘振報(bào)警、逆流報(bào)警、持續(xù)逆流報(bào)警信號。

4.1.5 機(jī)組安全運(yùn)行功能

當(dāng)機(jī)組逆流報(bào)警或按下手動(dòng)安全運(yùn)行按鈕時(shí)，機(jī)組發(fā)出安全運(yùn)行報(bào)警信號，同時(shí)進(jìn)入安全運(yùn)行狀態(tài)。由按下手動(dòng)安全運(yùn)行按鈕時(shí)，機(jī)組發(fā)出的安全運(yùn)行報(bào)警信號，可以由存儲器復(fù)位按鈕清除。

4.1.6 機(jī)組停機(jī)聯(lián)鎖

當(dāng)閉合手動(dòng)緊急停機(jī)按鈕、動(dòng)力油壓過低、潤滑油壓過低、風(fēng)機(jī)軸位移過大、風(fēng)機(jī)軸振動(dòng)過大、機(jī)組持續(xù)逆流報(bào)警、主電機(jī)由運(yùn)行至停止?fàn)顟B(tài)其中之一發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出聯(lián)鎖停機(jī)信號及機(jī)組停機(jī)標(biāo)志，同時(shí)存儲器置1。

4.1.7 機(jī)組防喘振功能

防喘閥調(diào)節(jié)采取手動(dòng)設(shè)定與自動(dòng)控制低選輸出方式，當(dāng)喘閥調(diào)節(jié)手動(dòng)設(shè)定為關(guān)狀態(tài)，并且工況點(diǎn)達(dá)到防喘振曲線時(shí)，防喘閥自動(dòng)打開，具有快開功能；當(dāng)防喘閥調(diào)節(jié)手動(dòng)設(shè)定為關(guān)狀態(tài)，并且工況點(diǎn)離開防喘振曲線時(shí)，防喘閥自動(dòng)關(guān)閉，具有慢關(guān)功能；當(dāng)工況點(diǎn)未達(dá)到防喘振曲線時(shí)，手動(dòng)調(diào)節(jié)防喘閥，防喘閥開度受手動(dòng)設(shè)定控制。

4.1.8 機(jī)組靜葉控制

當(dāng)機(jī)組停機(jī)或開機(jī)后未進(jìn)行靜葉釋放之前，靜葉閉鎖至14°。當(dāng)開機(jī)并進(jìn)行靜葉釋放之后，靜葉釋放至22°。若無停機(jī)狀態(tài)產(chǎn)生，進(jìn)行靜葉釋放之后，靜葉角度無法關(guān)閉至22°以下。

4.2 報(bào)警系統(tǒng)

4.2.1 實(shí)時(shí)報(bào)警查詢

在報(bào)警畫面中各種報(bào)警發(fā)生時(shí)，其相應(yīng)的報(bào)警燈會變紅且蜂鳴器報(bào)警提示，用戶可在此畫面中查詢報(bào)警信息，并在報(bào)警紀(jì)錄中查詢報(bào)警具體時(shí)間，然后根據(jù)工藝要求做出相應(yīng)處理。

4.2.2 報(bào)警歷史查詢

選擇報(bào)警信息文本對話框彈出窗口，會顯示報(bào)警編號及信息文本，可實(shí)現(xiàn)歷史記錄查詢。

4.2.3 報(bào)警音響

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生報(bào)警時(shí)，PLC 機(jī)柜中的報(bào)警器將會發(fā)出聲音報(bào)警，操作人員檢查相應(yīng)的設(shè)備，排除故障，然后點(diǎn)擊報(bào)警消音按鈕，暫時(shí)消音。此時(shí)報(bào)警系統(tǒng)的工作狀態(tài)為：如果有新的報(bào)警點(diǎn)發(fā)生報(bào)警時(shí)，報(bào)警器會再次響起警報(bào)，若無其他報(bào)警發(fā)生則無報(bào)警音。

4.3 靜葉工作

靜葉的正常工作角度為22°～79°，調(diào)節(jié)靜葉將會直接影響喉部差壓（圖2）。根據(jù)高爐的要求控制風(fēng)量，圖中的兩條曲線分別是：最上部的曲線為喘振線，中間的線為防喘振線。正常情況下工況點(diǎn)應(yīng)該處于中間的曲線以下，當(dāng)工況點(diǎn)處于中間的曲線之上時(shí)防喘閥自動(dòng)調(diào)節(jié)，打開一定開度，直到工況點(diǎn)再次下降到線以下，當(dāng)工況點(diǎn)達(dá)到上部曲線以上時(shí)，進(jìn)入安全運(yùn)行狀態(tài)，下部曲線是防阻塞線，只做報(bào)警和提示，沒有其他聯(lián)鎖，提示操作人員工況點(diǎn)在該線之上運(yùn)行。

圖2 工況點(diǎn)運(yùn)行趨勢

4.4 控制功能

（1）定風(fēng)壓操作控制（自動(dòng)沖風(fēng)），可以實(shí)現(xiàn)根據(jù)工藝風(fēng)壓要求達(dá)到自動(dòng)調(diào)節(jié)壓縮機(jī)出口壓力，實(shí)現(xiàn)在保護(hù)壓縮機(jī)的前提下，保證工藝壓力穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)在熱風(fēng)爐換爐時(shí)穩(wěn)定送風(fēng)。

（2）風(fēng)機(jī)逆流保護(hù)功能，保護(hù)風(fēng)機(jī)，使風(fēng)機(jī)快速脫離逆流狀態(tài)并在嚴(yán)重情況下觸發(fā)聯(lián)鎖停機(jī)。

（3）防喘振線動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，根據(jù)實(shí)際溫度和壓力對整條防喘振線進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，以達(dá)到客觀合理的反應(yīng)風(fēng)機(jī)性能變化的狀況。

（4）重要信號點(diǎn)的斷線保護(hù)功能，以保護(hù)不致因熱電阻斷線等原因而造成風(fēng)機(jī)意外跳閘。

（5）防喘振信號濾波處理，可以避免由于干擾信號造成的防喘閥誤動(dòng)作。

（6）防喘振階躍保護(hù)功能，提高防喘振安全系數(shù)，避免閥門卡阻引起的防喘振調(diào)節(jié)不及時(shí)。

4.5 撥風(fēng)系統(tǒng)

修改撥風(fēng)系統(tǒng)控制邏輯，根據(jù)現(xiàn)場現(xiàn)有的設(shè)備情況，優(yōu)化撥風(fēng)控制邏輯，提高撥風(fēng)系統(tǒng)的可靠性。

4.6 風(fēng)機(jī)系統(tǒng)停車

（1）在事故停機(jī)的情況下，由PLC 控制系統(tǒng)發(fā)出事故停機(jī)信號，首發(fā)故障提示，可使維檢崗位快速查出跳閘原因。

（2）正常停機(jī)時(shí)在歷史趨勢做好停機(jī)記錄，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的報(bào)警系統(tǒng)可做出相應(yīng)提示。

5 改造效果

（1）本次對AV50 風(fēng)機(jī)的控制系統(tǒng)高壓部分進(jìn)行改造，PT 小母線去綜保斷線后，輸出報(bào)警信息。

（2）定值方面，風(fēng)機(jī)軸位移進(jìn)行校正，靜葉喘振曲線試驗(yàn)、定值設(shè)定。

（3）勵(lì)磁控制方面，增加保護(hù)措施，當(dāng)勵(lì)磁控制出現(xiàn)故障時(shí)，出現(xiàn)報(bào)警至上位機(jī)，主勵(lì)磁系統(tǒng)不停機(jī)，保護(hù)電機(jī)正常運(yùn)行。

（4）人機(jī)界面友好，報(bào)警信息完善，初始故障明確，操作畫面簡潔。

（5）動(dòng)力/潤滑油泵實(shí)現(xiàn)了備自投功能，保證機(jī)組正常運(yùn)行。

（6）靜葉控制方面，取消了手操器，減少設(shè)備，簡化操作步驟，降低人為操作故障概率。

（7）撥風(fēng)系統(tǒng)用獨(dú)立CPU 控制，保證了備用風(fēng)機(jī)換機(jī)方便，提高撥風(fēng)系統(tǒng)的可靠性，同時(shí)便于AV50 風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的檢修。

（8）AV50 風(fēng)機(jī)系統(tǒng)與外部CPU 的通信采用網(wǎng)絡(luò)通信，提高了系統(tǒng)的可靠性，降低了故障率，減少了維護(hù)量。

（9）設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定。

6 結(jié)束語

設(shè)備自2021 年10 月20 日投入運(yùn)行以來，靜葉工作穩(wěn)定，防喘振線根據(jù)實(shí)際溫度和壓力，對整條防喘振線進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，控制程序進(jìn)行了自動(dòng)調(diào)節(jié)調(diào)整，避免了風(fēng)機(jī)在防喘振線附近運(yùn)行，自改造以來未發(fā)生無故進(jìn)入安全模式的故障，為高爐生產(chǎn)穩(wěn)定供風(fēng)，效果良好。