AV45-12型軸流式高爐鼓風機的PLC控制

1 引言

　　高爐鼓風機是高爐生產的一個至關重要的環節，目前安鋼煉鐵廠建有380m3高爐兩座，配備有兩臺風機，分別為d1300高壓離心式鼓風機和av-40全靜葉可調式軸流風機。

　　風機的運行情況隨著高爐生產情況的變化而變化，同時也制約著高爐生產的順利進行。隨著120t轉爐的建成，公司對煉鐵的產量也提出了更高的要求。為實現高爐穩產、高產的目標，公司對風機進行了改造，在保留原有av-40全靜葉可調式軸流風機的基礎上，增加了一套av45-12型全靜葉可調式軸流風機，代替原有的d1300高壓離心式鼓風機。

　　為了適應高爐連續可靠的生產要求，確保高爐產出高質量、高產量的鐵水，勢必要求鼓風機具有良好的處理突發事件的能力。考慮到風機和高爐的安全生產和方便操作，系統采用了計算機進行集中監控。

2 系統配置

　　軸流風機控制系統硬件上采用modicon quantum 系列140 cpu 671 60高端plc冗余控制，系統由兩臺操作站、以太網交換機、plc主站以及遠程分站構成。其中冗余cpu構成主/備體系結構，對plc中數據處理和通訊提供了基于硬件的自動冗余，它可保證出現故障時切換不會造成任何過程控制的損失。系統硬件組成如圖1所示。

圖1 系統硬件

　　新的quantum 140 cpu 671 60熱備處理器設計用于要求有高可靠性控制系統結構、不能出現系統停機的關鍵場合，能夠實現無擾切換。這種模塊有兩項主要功能：plc處理器和一個專門用于冗余控制的協處理器。主/備體系結構對管理plc中數據處理和通訊提供了基于硬件的自動冗余。這種可靠性的提高可以保證無間斷的過程管理與確保控制的關鍵功能。主備兩個plc之間的數據交換使用了cpu模板上標配的100mbps以太網端口。在每個掃描周期中對所有數據進行交換，而對系統循環時間只有最低程度的影響。

　　另外在軟件上，本次采用在unity pro 2.3編程環境中設計開發plc應用程序，在工控組態軟件ifix4.0中設計編制控制系統hmi應用程序，操作站與plc之間通過工業以太網通訊。

3 主要控制回路

　　plc完成的主要控制功能：防喘振控制、定流量/定風壓控制、邏輯聯鎖控制、潤滑油控制、動力油控制、機組軸系監測及報警等。

　　3.1 防喘振控制

　　喘振是軸流壓縮機固有的特性之一。形成喘振工況的原因是由于工況超過了壓縮機固有的允許范圍，使氣體不能順利地從壓縮機內部通過，在轉子、葉片和靜葉的表面形成氣流分離，氣流在壓縮機內部呈紊亂狀態，并同時產生強烈的振動和大量的熱能積聚。喘振工況對壓縮機具有很強的危害性，如不能及時消除，會對機組的轉子和靜葉造成損害，嚴重時，甚至可能導致轉子和靜葉全部報廢。

　　防喘振控制的基本原理是在機組接近喘振工況時，通過調整壓縮機出口處的防喘振閥，使防喘閥打開至一定角度，以增加壓縮機內部通過的流量，適當降低出口壓力，使工況點遠離喘振區域。

　　在風機準備投運時，由陜西鼓風機廠對風機做風機特性試驗和喘振試驗，根據實測出的風機入口差壓(δp)與排氣壓力p的函數關系得出風機的特性曲線和喘振曲線。如圖2所示。

圖2 風機的特性曲線和喘振曲線

　　根據風機的特性曲線和喘振曲線，在計算機中設定了報警、放散、緊急放風三個函數發生器。為確保風機安全運行，在實際中我們將喘振線平行下移2%、7%、10%得出三條同樣形狀的曲線作為防喘振調節系統的緊急放風線、放散線和報警線。系統的工作原理是：進口流量和出口壓力經變送器測出送至計算機，經計算后得出控制防喘閥的pv值(即：測量值)，該值分別與函數發生器計算出對應流量下的報警值、放散值、緊急放風值(即：設定值sp)進行比較，當pv值達到報警值時，系統發出報警信號，提醒操作人員注意工況變化;當pv值達到或超過放散值時，防喘振調節系統起調節作用，放散閥打開，使工況點重新回到放散線以下運行；若放散閥開啟仍舊不能使工況點回到放散線以下，工況繼續惡化，當pv值達到緊急放風值時，計算機輸出信號使電動放風閥快速開啟，實行緊急放風。

　　3.2 定風量/定風壓控制

　　控制原理：軸流壓縮機對風量和風壓的調節是通過調整壓縮機靜葉角度的變化來實現。靜葉角度的調節回路由內環控制和外環控制形成的串級回路組成。內環部分通過pid調節控制器完成：外環部分包括靜葉位置變送器、靜葉伺服控制器和靜葉伺服機構。

　　在內環控制部分，操作人員可選擇定壓力或定流量控制、手動或自動控制，對目標值進行設定，由pid調節器完成對壓力或流量的自動調節。

　　通過調節靜葉角度的變化，可按工藝狀態的要求增降壓縮機的出力，在工藝對風量要求不大時，壓縮機組的功耗負荷也隨之降低，從而達到節能的效果。

　　伺服放大器：在外環控制部分，靜葉伺服控制器通過比較來自位置變送器和plc的控制信號，并輸出伺服指令信號驅動靜葉伺服機構，推動靜葉承缸按指定方向動作，從而完成對風機流量、壓力的控制。

3.3 邏輯聯鎖控制

　　壓縮機安全運行聯鎖用于控制對壓縮機啟停和運行狀態最為重要的關鍵設備，主要控制對象包括主汽電磁閥、調速器、高壓電氣聯鎖(電拖機組)、可調靜葉、防喘閥快開電磁閥、逆止閥。在機組運行過程中，各種聯鎖功能按一定時序相互關聯，用以實現對壓縮機組的聯鎖控制，以保證機組的安全。其功能主要包括：啟動聯鎖、靜葉釋放、自動操作、逆流保護、聯鎖停機。

　　啟動聯鎖：用于保證機組在啟動前必須具備的外部條件和內部狀態全部符合要求。外部條件主要有潤滑油溫度(>20℃)、潤滑油壓力(>150kpa)、動力油壓力(>11.0mpa)、靜葉位置(全關)、防喘閥位置(全開)等。內部條件是指用于機組安全聯鎖的各種內部存儲器的狀態在開機前必須全部復位。

　　自動操作：指機組在解除安全開鎖后的工作狀態。在機組啟動過程中，可調靜葉、防喘閥和逆止閥必須閉鎖在安全位置，當達到額定轉速穩定運行后，按下“自動操作”，機組解除閉鎖后，向工藝加載送風，可調靜葉、防喘閥都可以開始自動調節。

　　逆流保護：在防喘閥調節的作用下，在機組接近喘掁時防喘閥自動調節，可保證機組工況不致達到喘掁點。考慮到特殊情況(如防喘閥調節失靈)，機組也有進入喘掁區的危險，所以設置逆流保護。這樣在運行過程中自動判別機組是否發生喘掁和逆流用于在確實發生喘掁的情況下執行安全聯鎖，以確保機組的絕對安全。

　　聯鎖停機：當機組發生重大故障時，為避免造成重大設備事故，必須立即停機。聯鎖停機的外部條件主要是潤滑油壓過低(<60kpa)、動力油壓過(<9mpa)低、主電機跳閘、軸位移過大(>+0.6mm或<-0.6mm)、壓縮機持續逆流、手動停機。當以上任一條件滿足，則啟動聯鎖停機，聯鎖停機在關閉機組驅動能源的同時，將可調靜葉、逆止閥、防喘閥自動諸鎖在安全位置，同時記錄并保持造成停機的原因，直至存儲器復位。

　　3.4 油系控制

　　油系控制主要包括：潤滑油系統、動力油系統以及電加熱器的控制。

　　潤滑油系統設置兩臺油泵，互為備用，其中一臺為主泵，另一臺為備用泵，當油壓低時，備用泵自動啟動，補充油壓的不足；當油壓恢復正常、主泵運行正常，備用泵停止工作。動力油系統油泵也是如此工作。

　　電加熱器由plc控制，當潤滑油或動力油溫低時電加熱器工作，當油溫高時，電加熱器接觸器斷開，停止工作。

4 系統關鍵

　　應用了modicon plc設計安鋼380m3高爐自動化控制系統，具有如下一些顯著特點。

　　4.1 熱備處理器

　　硬件上新的quantum 140 cpu 671 60熱備處理器，具有強大的處理和存儲能力，并且雙機熱備具有高效率高可靠性、易擴展特性。在生產過程中能夠無擾切換，確保關鍵功能的可靠性。

　　quantum熱備意味著：

　　(1) 特制的cpu，熱備功能不附加任何專門的硬件模塊；

　　(2) 熱備時無需編程，系統參數僅通過一個對話框加以定義；

　　(3) 清晰的操作模式，有cpu模塊前端的微型終端、一臺編程pc；

　　(4) 主備兩個cpu的應用程序可以不同，但這樣也不會中斷冗余連接。

　　這樣的熱備可滿足用戶的生產率要求，這意味著管理系統可靠性可以得到完全的保障，確保關鍵設備的可靠運行。

　　4.2 自動化軟件平臺unity pro 2.3

　　軟件上采用了施耐德電氣新一代自動化軟件平臺unity pro 2.3編程軟件，unity中提供了完整的功能和工具集，將應用程序結構對應到過程或設備的結構上，包括程序段、數據監視表、操作畫面等等。聯機修改，可以在保證程序連續性的基礎上將所做的修改分組，并在運行中一次直接傳輸到plc上，這樣所做的修改可以在一個掃描周期中同時生效，通過減少停機時間縮減開發成本并優化運行。運行期間畫面通過以圖形對象的形式來表達變量狀態，使得調試易于進行。unity pro在開發和兼容性方面提供無可匹敵的潛力，用戶界面友好，使得開發軟件容易，用戶能夠快速掌握易于降低培訓成本。

　　另外以ifix4.0監控工具軟件開發的監控系統，能夠很好地滿足生產工藝的要求，同時調整、移植較為方便。

　　4.3 ups供電

　　在采用了plc雙機熱備的基礎上，為進一步提高系統的可靠性，以上設備采用一臺ups供電，在主電源故障的情況下，保證風機正常工作，允許有一個小時的處理時間不會影響高爐的正常順行。

5 結束語

　　安鋼380m3高爐軸流風機自控系統自2007年12月投運以來，運行狀況良好，檢測精度高，抗干擾能力強，特別是防喘振曲線的在線顯示和控制已在風機的安全可靠和經濟運行方面發揮了重要作用，表現了良好的實用性、穩定性、安全性、可靠性，整個系統不但具有很高的自動化水平，而且充分滿足了生產工藝的要求，對高爐的重要生產環節實現了集中全面的實時監控，為高爐的穩產、高產提供了良好的設備保證，為安鋼集團公司的增鐵增效創造了良好的條件。