AV45-12型轴流式高炉鼓风机的PLC控制

1 引言

　　高炉鼓风机是高炉生产的一个至关重要的环节，目前安钢炼铁厂建有380m3高炉两座，配备有两台风机，分别为d1300高压离心式鼓风机和av-40全静叶可调式轴流风机。

　　风机的运行情况随着高炉生产情况的变化而变化，同时也制约着高炉生产的顺利进行。随着120t转炉的建成，公司对炼铁的产量也提出了更高的要求。为实现高炉稳产、高产的目标，公司对风机进行了改造，在保留原有av-40全静叶可调式轴流风机的基础上，增加了一套av45-12型全静叶可调式轴流风机，代替原有的d1300高压离心式鼓风机。

　　为了适应高炉连续可靠的生产要求，确保高炉产出高质量、高产量的铁水，势必要求鼓风机具有良好的处理突发事件的能力。考虑到风机和高炉的安全生产和方便操作，系统采用了计算机进行集中监控。

2 系统配置

　　轴流风机控制系统硬件上采用modicon quantum 系列140 cpu 671 60高端plc冗余控制，系统由两台操作站、以太网交换机、plc主站以及远程分站构成。其中冗余cpu构成主/备体系结构，对plc中数据处理和通讯提供了基于硬件的自动冗余，它可保证出现故障时切换不会造成任何过程控制的损失。系统硬件组成如图1所示。

图1 系统硬件

　　新的quantum 140 cpu 671 60热备处理器设计用于要求有高可靠性控制系统结构、不能出现系统停机的关键场合，能够实现无扰切换。这种模块有两项主要功能：plc处理器和一个专门用于冗余控制的协处理器。主/备体系结构对管理plc中数据处理和通讯提供了基于硬件的自动冗余。这种可靠性的提高可以保证无间断的过程管理与确保控制的关键功能。主备两个plc之间的数据交换使用了cpu模板上标配的100mbps以太网端口。在每个扫描周期中对所有数据进行交换，而对系统循环时间只有最低程度的影响。

　　另外在软件上，本次采用在unity pro 2.3编程环境中设计开发plc应用程序，在工控组态软件ifix4.0中设计编制控制系统hmi应用程序，操作站与plc之间通过工业以太网通讯。

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/定风压控制、逻辑联锁控制、润滑油控制、动力油控制、机组轴系监测及报警等。

　　3.1 防喘振控制

　　喘振是轴流压缩机固有的特性之一。形成喘振工况的原因是由于工况超过了压缩机固有的允许范围，使气体不能顺利地从压缩机内部通过，在转子、叶片和静叶的表面形成气流分离，气流在压缩机内部呈紊乱状态，并同时产生强烈的振动和大量的热能积聚。喘振工况对压缩机具有很强的危害性，如不能及时消除，会对机组的转子和静叶造成损害，严重时，甚至可能导致转子和静叶全部报废。

　　防喘振控制的基本原理是在机组接近喘振工况时，通过调整压缩机出口处的防喘振阀，使防喘阀打开至一定角度，以增加压缩机内部通过的流量，适当降低出口压力，使工况点远离喘振区域。

　　在风机准备投运时，由陕西鼓风机厂对风机做风机特性试验和喘振试验，根据实测出的风机入口差压(δp)与排气压力p的函数关系得出风机的特性曲线和喘振曲线。如图2所示。

图2 风机的特性曲线和喘振曲线

　　根据风机的特性曲线和喘振曲线，在计算机中设定了报警、放散、紧急放风三个函数发生器。为确保风机安全运行，在实际中我们将喘振线平行下移2%、7%、10%得出三条同样形状的曲线作为防喘振调节系统的紧急放风线、放散线和报警线。系统的工作原理是：进口流量和出口压力经变送器测出送至计算机，经计算后得出控制防喘阀的pv值(即：测量值)，该值分别与函数发生器计算出对应流量下的报警值、放散值、紧急放风值(即：设定值sp)进行比较，当pv值达到报警值时，系统发出报警信号，提醒操作人员注意工况变化;当pv值达到或超过放散值时，防喘振调节系统起调节作用，放散阀打开，使工况点重新回到放散线以下运行；若放散阀开启仍旧不能使工况点回到放散线以下，工况继续恶化，当pv值达到紧急放风值时，计算机输出信号使电动放风阀快速开启，实行紧急放风。

　　3.2 定风量/定风压控制

　　控制原理：轴流压缩机对风量和风压的调节是通过调整压缩机静叶角度的变化来实现。静叶角度的调节回路由内环控制和外环控制形成的串级回路组成。内环部分通过pid调节控制器完成：外环部分包括静叶位置变送器、静叶伺服控制器和静叶伺服机构。

　　在内环控制部分，操作人员可选择定压力或定流量控制、手动或自动控制，对目标值进行设定，由pid调节器完成对压力或流量的自动调节。

　　通过调节静叶角度的变化，可按工艺状态的要求增降压缩机的出力，在工艺对风量要求不大时，压缩机组的功耗负荷也随之降低，从而达到节能的效果。

　　伺服放大器：在外环控制部分，静叶伺服控制器通过比较来自位置变送器和plc的控制信号，并输出伺服指令信号驱动静叶伺服机构，推动静叶承缸按指定方向动作，从而完成对风机流量、压力的控制。

3.3 逻辑联锁控制

　　压缩机安全运行联锁用于控制对压缩机启停和运行状态最为重要的关键设备，主要控制对象包括主汽电磁阀、调速器、高压电气联锁(电拖机组)、可调静叶、防喘阀快开电磁阀、逆止阀。在机组运行过程中，各种联锁功能按一定时序相互关联，用以实现对压缩机组的联锁控制，以保证机组的安全。其功能主要包括：启动联锁、静叶释放、自动操作、逆流保护、联锁停机。

　　启动联锁：用于保证机组在启动前必须具备的外部条件和内部状态全部符合要求。外部条件主要有润滑油温度(>20℃)、润滑油压力(>150kpa)、动力油压力(>11.0mpa)、静叶位置(全关)、防喘阀位置(全开)等。内部条件是指用于机组安全联锁的各种内部存储器的状态在开机前必须全部复位。

　　自动操作：指机组在解除安全开锁后的工作状态。在机组启动过程中，可调静叶、防喘阀和逆止阀必须闭锁在安全位置，当达到额定转速稳定运行后，按下“自动操作”，机组解除闭锁后，向工艺加载送风，可调静叶、防喘阀都可以开始自动调节。

　　逆流保护：在防喘阀调节的作用下，在机组接近喘掁时防喘阀自动调节，可保证机组工况不致达到喘掁点。考虑到特殊情况(如防喘阀调节失灵)，机组也有进入喘掁区的危险，所以设置逆流保护。这样在运行过程中自动判别机组是否发生喘掁和逆流用于在确实发生喘掁的情况下执行安全联锁，以确保机组的绝对安全。

　　联锁停机：当机组发生重大故障时，为避免造成重大设备事故，必须立即停机。联锁停机的外部条件主要是润滑油压过低(<60kpa)、动力油压过(<9mpa)低、主电机跳闸、轴位移过大(>+0.6mm或<-0.6mm)、压缩机持续逆流、手动停机。当以上任一条件满足，则启动联锁停机，联锁停机在关闭机组驱动能源的同时，将可调静叶、逆止阀、防喘阀自动诸锁在安全位置，同时记录并保持造成停机的原因，直至存储器复位。

　　3.4 油系控制

　　油系控制主要包括：润滑油系统、动力油系统以及电加热器的控制。

　　润滑油系统设置两台油泵，互为备用，其中一台为主泵，另一台为备用泵，当油压低时，备用泵自动启动，补充油压的不足；当油压恢复正常、主泵运行正常，备用泵停止工作。动力油系统油泵也是如此工作。

　　电加热器由plc控制，当润滑油或动力油温低时电加热器工作，当油温高时，电加热器接触器断开，停止工作。

4 系统关键

　　应用了modicon plc设计安钢380m3高炉自动化控制系统，具有如下一些显著特点。

　　4.1 热备处理器

　　硬件上新的quantum 140 cpu 671 60热备处理器，具有强大的处理和存储能力，并且双机热备具有高效率高可靠性、易扩展特性。在生产过程中能够无扰切换，确保关键功能的可靠性。

　　quantum热备意味着：

　　(1) 特制的cpu，热备功能不附加任何专门的硬件模块；

　　(2) 热备时无需编程，系统参数仅通过一个对话框加以定义；

　　(3) 清晰的操作模式，有cpu模块前端的微型终端、一台编程pc；

　　(4) 主备两个cpu的应用程序可以不同，但这样也不会中断冗余连接。

　　这样的热备可满足用户的生产率要求，这意味着管理系统可靠性可以得到完全的保障，确保关键设备的可靠运行。

　　4.2 自动化软件平台unity pro 2.3

　　软件上采用了施耐德电气新一代自动化软件平台unity pro 2.3编程软件，unity中提供了完整的功能和工具集，将应用程序结构对应到过程或设备的结构上，包括程序段、数据监视表、操作画面等等。联机修改，可以在保证程序连续性的基础上将所做的修改分组，并在运行中一次直接传输到plc上，这样所做的修改可以在一个扫描周期中同时生效，通过减少停机时间缩减开发成本并优化运行。运行期间画面通过以图形对象的形式来表达变量状态，使得调试易于进行。unity pro在开发和兼容性方面提供无可匹敌的潜力，用户界面友好，使得开发软件容易，用户能够快速掌握易于降低培训成本。

　　另外以ifix4.0监控工具软件开发的监控系统，能够很好地满足生产工艺的要求，同时调整、移植较为方便。

　　4.3 ups供电

　　在采用了plc双机热备的基础上，为进一步提高系统的可靠性，以上设备采用一台ups供电，在主电源故障的情况下，保证风机正常工作，允许有一个小时的处理时间不会影响高炉的正常顺行。

5 结束语

　　安钢380m3高炉轴流风机自控系统自2007年12月投运以来，运行状况良好，检测精度高，抗干扰能力强，特别是防喘振曲线的在线显示和控制已在风机的安全可靠和经济运行方面发挥了重要作用，表现了良好的实用性、稳定性、安全性、可靠性，整个系统不但具有很高的自动化水平，而且充分满足了生产工艺的要求，对高炉的重要生产环节实现了集中全面的实时监控，为高炉的稳产、高产提供了良好的设备保证，为安钢集团公司的增铁增效创造了良好的条件。