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西 安 工 程 科 技 学 院 学 报 J o u r n a l o f Xi ’ a n Un i v e r s i t y o f En g i n e e r i n g S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y 第 2 O卷第 1 期 总 7 7 期 2 0 0 6年 2月 Vo 1 ． 2 0 ， No ． 1 S u m No ． 7 7 文章编号 1 6 7 1 8 5 0 X 2 0 0 6 0 1 0 0 9 6 0 5 AV6 3 1 2型轴流式高炉鼓风机的 P L C控制 李云红 ，王延年 西安工程科技学 院 电子信 息学 院，陕西 西安 7 1 0 0 4 8 摘要 结合高炉鼓风机 系统的工作原理和控制 目标 ， 提 出了高炉鼓风机控制 系统的结构和总体设 计方案． 讨论了防喘振控制、 静叶调整、 肾急停 车系统 E S D ． 实践表明， 防喘振 曲线的在线显示 和控制已在风机 的安全可靠运行方面发挥 了重要作用． 关 键 词 全静 叶 可调 ； 轴 流压 缩机 ； 防喘振 控 制 ； 可编程控 制 器 中图分类号 TP 3 3 2 文献标识码 A 0 引 言 在炼铁生产 中， 鼓风机送风能力 的大小及发挥情况是高炉能否高产的关键． 瑞士苏尔寿风机在我国现 行 的风机系统中处于性能和技术绝对领先地位． 它具有机构精密 、 效率高、 送 风特性好 、 运行稳定等优点 ， 但控制系统要求严格 、 与之相关联的被控对象较多． 以前 ， 进 口的苏尔寿风机控制系统均采用 D C S加常规 控制仪表进行控制n ] ， 系统造价高 ， 可靠性取决于调节控制仪表． 而我国目前开发 的风机控制系统仍 很不 完善， 系统运行的高低主要取决于开发人员本身对系统的了解和对风机性能的理解， 往往会由于人员失误 造成一些问题． 因此， 用户有完善、 规范高炉鼓风机控制系统的强烈要求． 本文探讨瑞士 A V 6 3 1 2型轴流 式高炉鼓风机的 P L C控制． 1 风机系统构成 从图 l 可 以看 出， 对于鼓风机系统 ， 空气在经过滤风室之后进入鼓风 机． 鼓风机对其做功后将 其从 排风管道排出， 排风管道分成 3路分别通向防喘振阀、 电动放风 阀和主风门． 当机组处于正常的工作情况 时 ， 防喘振阀和电动放风阀都处于关闭状态 ， 风机排出的空气 由主风门通向高炉． 若风机工作点进入了防 喘控制 ， 控制系统将打开防喘振阀进行放风 ， 以降低风机的出E l 压力 ， 使风机的工作点远离喘振边界． 防喘 阀分为大 阀和小阀， 大小防喘阀为分程控制方式． 当两个防喘振 阀均出现故障， 不能正常工作时 ， 操作人员 用手动控制电动放风阀完成放风操作． 风机的静叶角度执行机构为一台伺服装置完成推动静叶角度旋转 的操作． 2 控制 系统 的结构设计 高炉压缩机控制站硬件选用西门子 S 7 4 0 0系列高端 P L C ． 工程师站 E S 和操作员站 OS 选用西 门 子工业 P C机 并 在 Wi n d o ws 2 0 0 0下 安 装 西 门 子 Wi n C C人 机 界 面 平 台 软件 、 西 门 子 工业 以太 网卡 C P 1 6 1 3 ． 交换机选用西门子工业以太网交换机 OS M I T P 6 2 ． 控制系统结构示意图如图 2 所示． 收稿 日期 2 0 0 5 0 9 1 2 通讯作者 李云红 1 9 7 4 一 ， 女， 辽宁省锦州市人， 西安工程科技学院讲师， 哈尔滨工业大学在读博士研究生． E - ma i l l y h 7 4 o 2 2 8 y a h o o ． c o rn． c n 维普资讯 第 1 期 A V 6 3 1 2型轴流式高炉鼓风机的P L C控制 9 7 3 控制功能实现 3 ． 1 定风量／ 定风压调节系统 3 ． 1 ． 1 静叶可调概念全静 叶可调式轴 流压缩机的叶片组 由多级旋转 叶片 称为 动叶 和若 干级静 止 叶片 称 为静 叶 组 成． 静 叶与动 叶之 间 的夹角 称 为静 叶角 度， 静叶可调 是指静叶角度可 以通过控制 系统来调整 ． 例如 AV6 3 1 2全静叶可 调式轴流压缩机的静叶角度在 1 4 。 ～7 9 。 之 间可调． 静叶角度越 小， 压缩 机的 出口风 量、 风压越小 ， 拖动压缩机 的主电机 的负 载越轻． 为 了减小 主 电机 的启 动电流 ， 要 求启动时压缩机的静 叶角度 为 1 4 。 ， 因此 1 4 。 也称为压缩机启动角度． 但是静叶角度 在 1 4 。 ～2 2 。 之间时， 压缩 机的运行处于一 种气动不稳定状态 ， 这对机组的运行很不 利 ， 所以在压缩机组启动完毕后应尽快地 将静叶角度调至 2 2 。 ， 这一过程称 为静叶 释放． 当压缩 机组 向高 炉正常供风 时， 静 叶角度根据工艺需要在 2 2 。 ～7 9 。 之间连续 可调 ， 因此 2 2 。 也称为压缩机最小工作角． 静叶释放后若无停机状态发生， 静叶角度 无法调至 2 2 。 以下 ， 这是为保证机组安全 运行而设置的． 3 ． 1 ． 2 静 叶伺服 系统 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 的． 静 叶角度的调节 回路 由内环控制和外 图 1 机组结构图 曰I I回I I圈 口亡] 口C] 西 厂一 P R IN T l l 昌 虽 口 一i I 口 一i I 至其他控制系统 I量 l量 l I三 l三 l 妻I三 I 曼 I 雾 【薹 I 霎 l要 【茎 I 薰 图 2 机组结构图 环控制形成的串级回路组成， 如图 3所示． 外环部分通过 P L C内部的 P I D调节控制器完成 ； 内环部分包括 静叶位置变送器、 静叶伺服控制器和静叶伺服机构． 力及 风流量 图 3 静叶伺服控制 系统 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 机的负荷也随之降低 ， 没有因放空运行造成的能源浪费， 节能作用十分明显． 伺服控制器 在内环控制部分， 静叶伺服控制器通过比较来自 位置变送器和 P L C的控制信号， 发出伺 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 ， 从而完成对压力和风量 的稳定控制． P L C内部回路 在外环控制部分 ， 操作人员可选择定压力或定流量控制 、 手动或 自动控制 ， 按 照工艺 需要对 目标值进行设定 ， 由 P I D调节器完成对压力或流量的 自动调节． 3 ． 2 防喘振调节系统 喘振是透平机械的固有特性， 是压缩机在低流量的条件下 ， 叶片上产生气流脱离形成的脉动流， 与出 维普资讯 9 8 西安工程科技学院学报 第 2 0卷 I I 管网的气容和气阻之间形成的振荡现象． 轴流压缩机发生的喘振危害远远大于其它类型压缩机， 主要表 现在以下几个方面 ① 由于动静叶之间的间隙很小， 喘振时， 引起过大的振动会损坏叶片等元件． ② 气流 脉动和机内温度上升会危及叶片和内缸． ③ 流量和压力 的大幅振荡会导致压缩机从正 的流量特性跃变到 负的流量特性， 使运行不稳定， 压缩机进入逆流工况． 根据上述情况， 必须禁止轴流压缩机进入喘振工况． 3 ． 2 ． 1 防喘振控制的意义高炉在炼铁过程 中的供风要求和炉况变化会导致附属管网与机 内流量和压 力的变化 ， 当机内气流在低流量条件下 ， 风机将运行至喘振 区． 这时在风机的叶栅上产 生气流脱离而形成 脉动流， 并与附属管网的气容和气阻之间形成自激振荡现象． 风机内的气流和附属管网的压力和流量脉动 可能发展成增幅振荡 ， 形成周期性的气流倒流和排出气体压力急剧下降， 并产生巨大的吼叫声和急剧的温 升 ， 即喘振． 喘振时气流的冲击传递给叶片， 在轴上产生交变的应力 ， 引起轴剧振． 由于动静 叶栅之间的间 隙很小 ， 此时所引起的过大机械振动会损坏叶片等机件 ， 气流脉动和机内温升也会危及叶片与内缸 ； 流量 和压力的大幅度振荡会导致风机从正的流景特性跃变到负的流量特性上运行 ， 使风机进入逆流工况 ， 因此 必须设置防喘振控制口 。 。 ． 3 ． 2 ． 2 全静 叶可调式轴流压缩机的防喘振控制原理及方法 由于喘振的根源是由于排气压力过高 引起 的， 机组发生喘振时对应的排气压力称为喘振压力 ， 同一型号的静 叶可调式轴流压缩机根据制造 、 安装地 点 、 安装精度、 进气温度、 大气压力等原因， 喘振压力会发生变化， 另外全静 叶可调式轴流压缩机在不 同的 静叶角度下对应的喘振压力也不一样． 防喘振调节的关键是防喘振控制曲线的设定， 它不但影响鼓风机的 安全程序 ， 而且也影响鼓风机的运行范围和能量放空， 是防喘振控制系统 中的控制调节核心． 由实测出的风机喉部差压 A P 与排气压力 P的函数关 s 系得 出风机的特性 曲线和喘振曲线， 即在不同的静叶角度 喉 苫 部差压 下， 测量对应的喘振 压力 ， 一般至少测量 5 ～7点． 将、 测量的点用折线连接即可绘出横坐标为喉部差压， 纵坐标 为 排气压力参数的曲线 ， 称为该机组的喘振线． 将喘振线纵坐标 参数下移 5 ～1 O 得到原始该机组的防喘振线． 某 实测 喘 振线 、 防喘振线如图 4所示． 图 4中将喘振线纵坐标参数下移 5 得到防喘振线． 3 ． 2 ． 3 防喘振控制的P L C实现方法 由于采取了信号故障 判断措施， 消除了由于信号故障引起的误放空、 误停机现象． 程序 中采用变常数 P I D调节算法 ， 在进行防喘振调节的过程 图4 喘振线、 防喘线 中既保证 了工况点快速远离喘振区域又尽量减小了由于放空引起的压力大幅度波动． 采用温度 、 压力补偿 算法 ， 使得防喘振控制的使用适应各种气候条件． 采用防喘振调节手动／ 自动低选方法及相应确认提示 ， 消 除误操作可能性． 该控制方法结合 了全静叶可调式轴流压缩机的特点和压缩机工艺 的实际要求 ， 在可靠的 保 护压缩机的前提下提高了系统控制的稳定性和可靠性 ， 是一种 比较完善的全静 叶可调式轴流压缩机的 防喘振控制方法． 3 ． 2 ． 4 防喘线计算测得进气温度 T一3 1 ℃， 先将 T变成 0 1 的数， 为 T M D ， 即T M D 一 T5 o ／ [ 5 o 一 一 5 0 ] T 5 0 ／ l o o ． 补偿 系数 P o l一 [ - 5 o一 一5 O ] ／ 2 7 3 ． 1 5 丁一 0 ． 3 3 ； P o 2 [- 2 7 3 ． 1 5 一 5 0 ] ／ 2 7 3 ． 1 5 丁 0 ． 7 3 ． 经温度补偿 T M D P o 。 P 。 2 所得数值送人 P L C进行控制． 实测喘振线为在不同静 叶角度下测得排气压力 P和喉部差压 △ P． 静 叶角度换算公式为 静叶角度 一 1 4 1 0 0 ／ 7 9 。 一1 4 。 ， 将静叶角度换算成开度 ， 将排气压力下移 5 得到防喘线． S T E P 7防喘线是将 排气压力 P除以 0 ． 6 MP a得到 O 一 1的数 ， 喉部差压 △ P除以 2 0 KP a 得到 0 4 1的数． 将 P ， △ P值 O 一 1的数 送人 P L C作为 S T E P 7防喘线进行控制． Wi n C C坐标 喘振线 是将实测排气压力和喉部差压经坐标 变换 得到． 5 o 0 5 8 3 ． 3 3 排气压力 作为 Wi n C C排气压力坐标 ， 1 0 0 2 5 喉部差压 作为 Wi n C C喉部差 压坐标． Wi n C C坐标 防喘线 是将排气压力坐标下移 5 得到． 测试结果及计算数据均记人表 1 ． 3 ． 3 重 要逻 辑连 锁 控制 控制系统 中除了设置“ 定风量／ 定风压” 调节控制和防喘振调节控制外 ， 还有机组安全运行方式 ， 启动 联锁 ， 静叶释放 电拖机组 ， 自动操作 ， 逆流、 持续逆滤、 轴振动过大、 轴位移过大 、 动力油压力过低 、 润滑油 维普资讯 第 1 期 AV6 3 一 l 2型轴流式高炉鼓风机的 P L C控制 9 9 压力过低等停机联锁保护 ， 保护压缩机组的安全． 运行安全联锁是控制压缩机启／ 停 和运行状态最为重要 的关键设备 ， 其主要控制对象为高压电气联锁 电拖机组 、 可调静叶、 防喘振 阀快开电磁 阀、 逆止阀． 在机 组运行过程 中， 各种安全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． 另外 ， 在 P L C控制程序和上位人机界面中对每一个参控变量均设置了报警信息提示， 使操作员可 以 快速地查找故障点， 及时处理故障． 裹 1 1 3 风机 喘振 线 殛 防喘 线 静 叶角度／ 。 项 目 指标 一 3 O 4 O 5 O 6 O 6 5 7 O 7 9 实测喘振线 工 程 量 防喘线 工程量 S TE P 7防 喘线 O 一 1 Wi n C C坐标 喘振线 Wi n C C坐标 防喘线 静叶角度 换算 ／ 排气压力 P／ MP a 喉部差压 △ P／ KP a 9 5 排气压力／ MP a 喉部差压／ KP a 排气压力 O 一 1 喉部差压 O 一 1 排气压力 坐标值 喉部差压 坐标 值 9 5 ％排气压力 坐标值 喉部差压 坐标值 2 4 ． 6 2 4 O 5 5 ． 3 8 7 O ． 7 7 7 8 ． 4 6 8 6 ． 1 5 1 0 0 0． 29 0． 39 0 ．4 5 0． 50 0． 50 0． 50 0． 50 2 ． 49 3 ． 32 4 ．1 0 6． 09 1 0． 00 1 5． 00 20 ． 00 0 ． 2 7 0 ． 3 6 0 ． 4 1 0 ． 4 6 0 ． 4 6 0 ． 4 6 0 ． 4 6 2 ． 4 9 3 ． 3 2 0 ． 4 1 6 ． 0 9 1 0 ． 0 0 1 5 ． 0 0 2 0 ． 0 0 0 ． 4 5 0 ． 5 9 0 ． 6 9 0 ． 7 7 0 ． 7 7 0 ． 7 7 0 ． 7 7 0 ．1 2 0 ．1 7 0． 20 0．3 0 0． 50 0．7 5 1 ． 00 3 2 9 ． 9 6 2 7 4 ． 8 9 2 3 7 ． 9 7 2 0 6 ． 5 9 2 O 6 ． 5 9 2 0 6 ． 5 9 2 0 6 ． 5 9 1 6 2 ． 2 5 1 8 2 ． 9 3 2 0 2 ． 4 0 2 5 2 ． 3 5 3 5 0 ． 0 0 4 7 5 ． 0 0 6 0 0 ． 0 0 3 4 3 ． 5 6 2 9 2 ． 9 0 2 5 8 ． 9 3 2 3 0 ． 0 6 2 3 0 ． 0 6 2 3 0 ． 0 6 2 3 0 ． 0 6 1 6 2 ． 2 5 1 8 2 ． 9 3 2 0 2 ． 4 0 2 5 2 ． 3 5 3 5 0 ． 0 0 4 7 5 ． 0 0 6 0 0 ． 0 0 3 ． 3 ． 1 机组启动的控制 设置启动条件联锁控制的 目的就是为了保证机组在启动前所必须具备的外 部 条件和内部状态全部符合要求 ， 保证机组安全正常的开机． 主要的外部条件有 润滑油温度、 润滑油压力 、 动力油压力 、 静叶位置、 防喘阀位置等， 内部状态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． 当条件全部满足后 ， 系统发出“ 允许启动” 的信号 ， 否则开机操作无效． 3 ． 3 ． 2 紧急停机控制 在机组运行过程 中， 若发生下列任一事故均为机组重故障， 为了防止事故进一步 扩大和保证整个机组的安全 ， 必须紧急停机． 联锁停机的主要外部条件有 1 润滑油压力过低 三取二 ； 2 动力油压力过低 三取-- ； 3 手动紧急停机 来 自电控盘 ； 4 软键手动紧急停机 ； 5 风机轴位移过 大 ； 6 风机轴振动过大 ； 7 机组持续逆流； 8 主电机运行信号消失． 紧急停机程序结果是 将放空阀快速 全开， 逆止阀快关 ， 静叶闭锁至 1 4 。 ． 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 动闭锁在安全位置 ， 同时 自动记录并保持造成停机的原因， 以便事后查证． 3 ． 3 ． 3 逆流保护 逆流是轴流压缩机最危险的工况， 逆流保护是轴流压缩机最为重要的保 护． 由于出 I 1 压力高 ， 压缩气体不能畅通输出 ， 则旋转机械能将其转化为热能使 叶片膨胀 ， 造成 动叶和静叶的相碰而损 坏轴流压缩机． 防止逆流的根本措施是加强防喘振控制 ， 阻止喘振状态进一步升级 ， 并 防止出 I 1 气体的倒 流． 逆流保护是通过逻辑控制和防喘振控制的密切联系 ， 来达到预期的 目的． 逻辑系统根据喘振的强弱、 持 续时间的长短 ， 进行综合判断处理 ， 大致分为 3个阶段实施不同的措施 1 靠 防喘振 控制 自动调节来 消 除 ； 2 通过安全运行程序来消除逆流工况 ； 3 万不得已的情况下实施紧急停机． 在 防喘振调节的作用下 ， 在机组接近喘振时防喘振阀自动调节 ， 可保证机组工况不至于达到喘振点． 但考虑到在万一发生特殊情况 下 如防喘振 阀调节失灵等 ， 机组也有进入喘振区的危险． 设置逆流保护联锁正是出于这种预防万一的考 虑 ， 在运行过程中自动判别机组是否发生喘振和逆流， 以便在确实发生喘振的情 况下执行安全联锁， 确保 机 组绝对 安 全． 3 ． 4辅助设 备控 制 辅助设备是指各种对压缩机运行必不可少的外围设备 ， 从保证压缩机持续运行的角度来看 ， 这些外 围 设备的重要程度并不亚于机组本身． 辅助设备监控主要包括 润滑油辅助油泵控制 、 动力油泵控制 、 润滑油 箱加热器控制、 动力油箱加热器控制 、 盘车机构控制、 电动送风阀控制等． 维普资讯 1 0 0 西安工程科技学院学报 第 2 O卷 4 结束语 开发及规范的苏尔寿 AV系列风机控制系统已在杭州钢铁集团公司投入运行． 运行一年多来 ， 控制系 统的性能稳定， 检测精度高 ， 保护功能完善 ， 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 ， 达到了预期的各项． 参考文献 [ 1 ] 曹立革． 杨学峰． 康多祥， 等． AV 8 0 - 1 4型轴流式高炉鼓风机的 D C S控制F J ] ． 冶金自动化， 2 0 0 2 1 2 9 3 2 ． 【Z 2 ] 陈飚． S E R ／ S C - 1 0 0 0 A防喘振控制装置在高炉鼓风机上的应用[ J ] ． 能源技术， 2 0 0 1 3 1 1 6 - 1 1 8 ． [ 3 ] 禹冬明． 高炉鼓风机计算机监控系统的设计与实现[ J ] ． 湖南冶金 ， 2 0 0 2 2 3 8 - 4 O ． 【Z 4 ] 贾风泳． 黄新宗， 赵文刚． P L C在高炉气动式鼓风机监控系统的应用[ J ] ． 鞍钢技术． 2 0 0 1 3 5 0 - 5 3 ． 【- s ] 江宾． P L C在攀钢苏尔寿 4 0 0 0风机控制系统中的应用[ J ] ． 基础 自动化． 2 0 0 0 ， 7 1 4 5 - 4 8 ． [ 6 ] 黄志慧， 何建平． Z - 2 3 5 0 - 3 ． 8型轴流风机部分静叶转角度对性能的影响F J ] ． 热力透平． 2 0 0 3 3 1 5 1 - 1 5 5 ． 【1 7 ] 韩发智． 张文飞． 计算机在高炉鼓风机上的应用F J ] ． 冶金自动化， 1 9 9 4 3 1 6 - 1 8 ． [ 8 ] 常光明． 高炉鼓风机的防喘振控制[ J ] ． 湖南冶金 ． 1 9 9 8 3 1 8 - 2 2 ． [ 9 ] 康晓村． 高炉鼓风机运行工况点的微机监视[ J ] ． 冶金动力， 1 9 9 5 4 5 4 - 5 7 ． [ 1 O ] 戚学锋， 樊丁． 高炉鼓风机寻优控制方法及实现F J ] ． 风机技术． 2 0 0 2 6 3 0 - 3 3 ． PLC c o nt r o l o f AV6 3 1 2 a x i a l b l a s t f u r na c e b l o we r LI Y u n - h o n g，WANG Y a n - n i a n S c h o o l o f E l e c t r o n i c s＆ I n f o r ma t i o n ， XAUE S T ， Xi ’ a n 7 1 0 0 4 8， Ch i n a Ab s t r a c t Co mb i n e d wi t h t h e wo r k p r i n c i p l e a n d c o n t r o l t a r g e t o f t h e b l a s t f u r n a c e b l o we r s y s t e m ，t h e c o n s t r u c t i o n a n d t h e g e n e r a l d e s i g n p r o j e c t o f t h e c o n t r o l s y s t e m a r e p u t f o r w a r d 。A v a r i o u s r e a l i z a t i o n me t h o d s o f c o n t r o l f u n c t i o n a r e i n t r o d u c e d i n d e t a i l ，o f wh i c h t h e e mp h a s i s i s l a i d o n t h e c o n t r o l o f d e f e n d b r e a t h e a n d f l a p h e a v i l y ，v a n e s r o t a t e d，a n d ES D u r g e n t p a r k i n g s y s t e m．t h e o n l i n e ma n i f e s t a t i o n a n d t h e c o n t r o l o f t h e d e f e n d b r e a t h e a n d f l a p h e a v i l y h a v e p l a y e d a n i mp o r t a n t r o l e i n t h e a s p e c t o f t h e s a f e t y o f Bl o we r i n p r a c t i c e ． ． K e y wo r d s a l l t h e a d j u s t a b l e s t a t o r b l a d e s ； a x i a l b l o we r ； t h e c o n t r o l o f d e f e n d b r e a t h e a n d f l a p ； p r o g r a m。 mi n g l o g i c c o n t r o l l e r 编辑 武晖、 董军浪 ； 校对 武晖 维普资讯
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