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自 动 化 技 术 与 应 用 2 0 0 8 年 第2 7 卷 第1 2 期 P L C 与D C S PL C an d DCS A V 5 0 1 4型轴流式高炉鼓风机的 P L C控制 朱芬梅 ， 程彦智 ， 于飞 ， 王杰 酒泉钢铁 集团有限责任公司， 甘肃 嘉峪关 7 3 5 1 0 0 摘要 本文论述了酒钢2 0 0 万高炉鼓风机计算机自动控制系统的工艺及其构成和实现的主要功能， 对轴流压缩机喘振与静叶角度的 关系、防喘振调节及逆流保护进行 重点介绍。 关键词 轴流压缩机 ； 静 叶角度 ； 防喘振 ； 逆流保护 中图分类号 T P 2 7 7 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 3 ～ 7 2 4 1 2 0 0 8 1 2 0 0 9 8 0 5 PL C． Ba s e d Co n t r o l o f t h e A V5 O ． 1 4 Ax i a 1 ． F l o w o f t h e Blo we r Bla s t F u r n a c e ZHU Fe n - me i ， CHENG Ya n- z hi ， YU Fe i ， WANG J i e J i u Qu a n I r o n a n d S t e e l Gr o u p C o ． L t d ， J i a y u n g u a n 7 3 5 1 0 0 C h i n a Abs t r a c t Th i s p a pe r i n t r o d u c e s t h e c o n t r o l s y s t e m o f t h e b l a s t f u r n a c e b l o we r o f J I S CO ． Th e r e l a t i o n s h i p b e t we e n t h e c o mp r e s s o r s u r g e a n d t h e s t a t i c b l a d e a ng l e i s p r e s e n t e d ， t h e a n t i s u r g e r e g u l a t i o n a n d r e v e r s e flo w p r o t e c t i o n a r e a l s o d i s c u s s e d ． Ke y wo r d a x i a l -- f l o w c o mp r e s s o r ； s t a t i c b l a d e a n g l e ； a n t i - s u r g e ； r e v e r s e -- f l o w p r o t e c t i o n 1 引 言 高炉鼓风机是高炉生产的一个致关重要的环节 ， 制 约着高炉的生产状况。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 ， 要求鼓风 机具有 良好的应对突发事件的能力 。酒钢 现有四座 4 5 0 M3高炉， 2 0 0 万电动鼓风机是结合 4 5 0 M3高炉配置 的高炉鼓风机站 ， 共安装 5台电动轴流压缩机组 ， 压缩 机由陕西鼓风机厂制造 ， 采用全静叶可调 ， 由 1 4级动叶 及 1 5 级可调静叶组成。配有机组监测保护 ， 逆流保护 ， 防喘振自动调节系统等。风机间采用岛式布置。其中四 台向高炉供风 ， 一台备用 ， 送风系统采用分组互通式配 风系统， 即风机两台一组 ， 备用风机与各组配风管连通。 四座高炉每座专设一条送风母管 ， 并且有三台风机可倒 换备用 1 、2 鼓风机给 3 、4 高炉送风， 4 、5 鼓 风机可以给 5 、6 高炉送风， 3 鼓风机可以给 3 一 6 任意高炉送风 。 收稿 日期 2 0 0 8 0 3 一t 6 2 工艺简介 图 1 工艺流程图 空气由室外 自洁式空气过滤器过滤后 ， 经整流栅进 人轴流风机， 经风机压缩后 ， 由弯管压力平衡型补偿器、 出 口逆止阀、送风消音器、室内送风阀、室外 1或 2送风阀送至高炉。为满足风机的启动运行， 倒风， 事故时的放风， 设有 自动防喘阀、电动旁通放风阀， 自 P L C 与D C S PL C a n d DCS 动防喘阀或电动旁通放风阀的放风经放风消音器排人 大气。当排气压力高于防喘压力时， 防喘振调节法进入 自动调节状态， 迫使排气压力降低到安全运行工况， 如 果排气压力持续升高 ， 则电动防喘阀自动打开放风 ， 使 排气压力迅速降低 ， 恢复到正常运行工况。工艺流程 图 如 图 l所示 。 3 系统构成 3 ． 1 硬件组成 酒钢 2 0 0万 电动鼓风机系统共有五套机组 ， 每一套 机组各 自成一个系统 ， 控制系统采用德国西门子公司 s 7 4 0 0系统的P L C冗余控制器，控制单元、控制网络 以及 工作 站实现了冗余的设计功能 。分别 下挂两个 S 7 3 0 0 子 站 ， 选用西 门子工业以太 网卡 C Pl 6 1 3 、工业 以太 网 OS M 交换机 ， 用于完成每 一套机 组 由压 缩机 、变速 箱、主电机、盘车装置、润滑油系统、动力油系统及冷 却水系统等全过程的过程控制、逻辑控制、快速联锁等 功能， 实现各个机组生产流程的监视控制。硬件配置如 图 2所示 。 图 2 硬件配置图 3 ． 2 软件设计 操作系统采用 WI ND OW X P， 监控站的软件采用工 控软件 wI CC5 ． 1来开发， 下位控制程序采用西门子公 司 S t e p 7 V5 ． 1 软件。监控站主要完成控制系统的操作、 监视、实时数据显示 、运行参数的实时趋势、历史趋 势、报警查询、报表、自动和手动控制方式的选择 ， 调 整过程设定值和偏差等任务。软件配置如图 3所示。 自动化技术与应用 2 0 0 8年第 2 7卷第 l 2期 操作站 l W i n c c组态软件 c 系统 、 誊 々 据 J 一一一 P L C 仃 o 信 号 f 七 执行机构 阀r 1 检测设备 图 3 软件配置图 4 系统 实现 4 ． 1 机组启动控制 设置启动条件连锁控制的目的是为了保证机组安全正 常开机。当满足下列条件后， 系统发出 “ 允许启动”信号。 1 润滑 油压正 常 2 动力 油压 正常 3 逆 止 阀全 关 4 防喘 阀全 开 5 静 叶关闭 1 4 。 6 试验开关复位 7 存储器复位 8 油 温正 常 系统发出 “ 允许启动”后， 操作站上的 “ 启动条 件”画面会 自动显示 “ 允许启动” 。这时操作员按下 “ 机 组启动”按钮 ，系统立即向S I MAT I C 4 0 0发出指令， 开始启电机 ，直至达到额定转速。转速正常后， 按照高 炉风量需求增加静叶开度 ， 满足高炉供风。 4 ． 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。联锁停机的主要条件有 1 风机轴位移过大 0 ． 6 ram 2 润滑油压力过低0 ． 0 7 MP a 3 动力油压力过低 9 MP a 4 持续逆流 5 紧急停机按钮按下 自 动 化 技 术 与 应 用 2 0 0 8 年 第 2 7 卷 第 l 2 期 P L c ． 一 旦 轴流风机组停机时 ， 自动防喘振阀全部打开 ， 逆止 阀强制关闭， 风机静叶关到 1 4 。 4 ． 3 喘振与静叶角度的关系 喘振曲线的确定需要给风机做喘振性能试验 4 ． 3 ． 1 试验在风机额定转速下 分别在四个静叶角 度 2 8 。、3 8 。、4 8 。、5 8 。下进行。 4 ． 3 ． 2 角度由大到小进行试验， 在每个角度情况下 在风机 出口憋风压 ， 在风机达到运行极限时刻， 记录下 风机喉部差压以及排气压力。以酒钢 2 0 0万电动鼓风机 1 机组试验为例， 试验数据如下 实际曲线参数 名称 单位 1 2 3 4 静 叶角度 2 8 3 8 4 8 5 8 实测捧气压表 K p a 2 3 0 ． 3 3 O 1 ． 5 3 6 1 ． 9 3 9 6 ． 1 喉部差压 K p a 3 ． 2 4 ． 6 8 6 ． 3 9 8 ． 7 1 进气温度 ℃ 一 1 2 ． 3 一 l 1 ． 8 1 l _ 9 1 2 ． 2 防喘曲线参数 名称 单位 1 2 3 4 捧气压表 K p a 2 0 0 ． 3 6 2 6 2 ． 3 1 3 1 4 ． 8 5 3 4 4 ． 6 1 喉部差压 K p a 3 ． 3 6 4 ． 9 1 6 ． 7 1 9 ． 5 1 平均进气温度 ℃ 一 l 2 ． 1 4 ． 3 ． 3 将排气压表的数值除以 9 2 0 ， 得到的既是防 喘曲线的Y 参数 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 0 ． 2 1 8 0 ． 2 8 5 0 ． 3 4 2 0 。 3 7 5 0 ． 3 7 5 X1 X2 X3 X4 X 5 3 ． 36 4． g1 6 ．71 9 ．5l 1 O 4 ． 4 防喘振控制 利用 4 ． 4 ． 3步骤所得出的曲线参数带入下列公式可 绘制出防喘振 曲线如 图4。 图 4 压缩机性能曲线 ①一 0 ． 1 △P O ． 8 Kp a 时 Pa 0 ② 0． 8 △ PX1时 P A P-0 ．8 * Y 1 -0 O Xl O ． 8 ③ X1 △ PX2时 P a A P-X1 * Y 2 -Y 1 ． ． Y1 X 2一X 1 ④ X2 △ PX3时 P A P-X2 * Y 3 -Y 2 ． ． Y2 X3一X2 ⑤ X3 △ P X 4时 P a A P“X3 * Y 4 -Y 3 J ． Y 3 X4 X3 ⑥ X 4 △ P X5 时 P a A P-X4 * Y5-Y4 ． ． Y1 X5一X4 ④ X5 △ 上 】 Pa Y5 喘振报警压力 曲线 P b P a , 0 ． 9 7 防喘调节压力曲线 P c P a * 0 ． 9 2 当工况点越过C曲线时， 防喘振调节阀进入 自 动调节； 当工况点越过 b曲线时， 喘振预报警 ； 当工况点越过 a曲线时， 进入 “ 安全运行”工况。 图4 为压缩饥I生 能曲线。纵坐标为排出压力 D i s p 嘴 s _ I s u r e ， 横坐标为喉部压差 D i 位黜p r e sto 。喘振线籽陛 能曲线分成稳定和不稳定区。 机组正常运行时， 控制系统 控制运 O P O I l I x n t 在稳定区园行， 风机正常操 作时不允许在防喘调节线附近进行操作， 当越过防喘调节线 时， 防喘振调节阀进入自 动调节工况[ 1 】 ， 防喘振调节阀开始动 作开阀 控制系统的输出电流为2 0 mAmA， 其列．应 开 度为 3 ／ 0 - 1 0 0 ％ ， 排气压力开始降低， 在排气压力低于防喘压力 “ 低于防喘调节线”时， 阀门慢幔关闭， 此时岗位操作人员也 可按手／自 动按钮， 将其切换为手动， 操作人员可继续操作防 喘振调节阀 阀门手／自动切换只能载排气压力低于防喘压 力时由自 动切换为手动， 不可反向切换 。在防喘阀自 动调节 时， 若排气压力持续升高， 高于机组放风安全运行压力时， 则 机组进 “ 安全运行”状态， 防喘振调节阀紧急全开， 风机静 叶回到 2 2度， 逆止阀强制关闭， 机组正常运转。用鼠标点 击 “ 自 动操作”按钮， 逆止阀闭锁解除， 防喘振阀、风机静叶 控制闭锁解除。操作人员可以操作计算机画面关闭防喘振 阀， 增加静叶角度对风机进行加载操作。 4 ． 5 逆流保护 如 图5所示 机组正常运行时工作于 A点 ， 若 由于 P L C 与D C S PL C a n d DCS 某种原因引起 阻力线上移时 ， 使压缩机背压降低。网 管气容足够大 ， 气流发生倒流 ， 流量 由正到零、由零到 负、最后工作在 C点， 形成一个反方向的流动， 从而发 生 逆 流 。 一 图5 压缩机特性 曲线 静叶角度 V 喉部差压△P 图6 风机逆流保护逻辑图 逆流是轴流压缩机危险的工况， 防止逆流的根本措 施是加强防喘振控制 ， 防止出口流量的倒流 ， 当系统 中 的介质出现逆流时， 逆止阀阀门自动关闭 ， 以免高温气 体倒流回压缩机中。逆止阀是偏心结构的蝶阀 ， 当有 正的压差时阅板被顶开 ； 当压差为零时， 依靠重锤连 杆机构将阀门关闭。为防止机械碰撞， 设有缓冲油缸 ， 自动化技术 与应用2 0 0 8年第 2 7卷第 1 2期 缓冲油缸上装有 电磁阀， 可在逆流时控制氮气关紧阀 板， 以防气体倒流。 系统在微机上作好 了程序 ， 屏幕上给出调整画面， 利用鼠标可进行手工调节放风 ， 也可采用 自动调节程 序在进入放风区 自动放风， 在放风管道设置了单作用 式防喘振阀。采样于喉部差压 的压力变化信息 ， 当 C PU取到喘振信息后，首先进行喘振报警 ，在没确认 的情况下， 快开时间只用 l 5 s 便全部打开阀门， 在喘 振阀打开的同时静叶角度也调整到安全运行区， 从而 保证了防喘振的需要 。通过静叶调节实现安全运行 ， 此 时，喉部差压仍然表现为逆流存在持续时间 t 1 s ， 则 出现喘振逆流报警 ， 在没得到确认后持续 3 s 进入逆流 并报警风机进入安全运行模式 ， 仍然没得到确认后 5 S 便进入持续逆流联锁停机， 以上过程全部时间仅有 9 s ， 这一过程几乎是在一瞬间发生和消失的。如图6。 4 ． 6 防喘振调节阀的快开慢关[ 2 ] 为了保证风机工况点的稳定性防喘振调节阀设定 为快开慢关动作方式 ， 分为 自动和手动两种情况 自动情况下的实现 当风机运行工况点超过 P c曲线 时， 防喘振调节阀进入P I D自动调节状态， 此时的 P参数 为0 ． 2 ， I 参数为 5 s ， 防喘振调节阀打开， 直到运行工况点 下降到 P c曲线以下； 防喘阀又开始 自动关闭， 此时的P参 数为0 ． 2 ， I 参数为 2 5 0 0 s 。关闭的过程十分缓慢。如图7 。 排气压力 P 图7 防喘阀 P I D自动调节快开慢关 手动情况下的实现 在上位 Wi n C C软件中有开阀和 关阀两个按钮， 每点击一次开阀按钮防喘振调节阀开 2 ． 5 ％， 每点击一次关阀按钮防喘振调节阀关闭 0 ． 5 ％。 下转第 1 0 2页 自 动化 技 术 与 应 用 2 0 0 8 年 第2 7 卷 第1 2 期 仪 器 仪 表 与 检 测 技 术 I n s t r u m e n t a t i o n a nd Me as u r me n t 位设备号加后八位 I D号设定成本控制器 I D， 并以此设 定报文过滤寄存器。自此 ， 控制器成功联人 CAN网络。 图7 接入流程图 如果控制器 在没有 接收到设 定 I D命令 并等待超 时 后 ， 将重新发送请求接人命令。当发送 3次仍没接收到 设定 I D命令 后 ， 将退 出设 定并返 回。 在成功接入 C AN 总线网络后， 控制器只接收设定 I D的报文。工控机可以通过网络设定控制器工作模式， 并可以接收控制器发过来的工作状态 。 5 结束语 本文介绍了d s P I C 3 0 F 6 0 1 0 A在计量泵控制器 匕 的应用， 充 分利用其 14 2， 完成电机变频控制， 人机交互， 控制信号采集， 以及数据通信等多个任务。具有开发便利， 产品成本低等优 点。对于计量泵控制器的实际应用， 具有一定的参考意义。 参考文献 [ 1 】何礼高 ． D s P I C 3 0 F电机与 电源系列数字信号控 制器 原 理与应用[ M] ． 北京 北京航空航天大学出版社， 2 0 0 7 【 2 】赵相宾， 夏长亮， 宋国兰． 变频调速技术的进展【 J ] ． 电力 电子技术， 2 0 0 5 ， 3 9 6 1 4 5 1 4 8 ． f 3 】陈雨田， 黄晓斌， 陈震等． 计量泵、磁力泵、高速泵和增 压泵的应用介绍与市场发展[ J ] ． 化工设备与管道 ， 2 0 0 6 ， 4 3 6 3 5 3 8 ． [ 4 】饶运涛． 现场总线 C AN原理与应用技术． 北京 北京航 空航天大学 出版社 ， 2 0 0 3 【 5 】肖金凤， 盛义发， 徐祖华． 电机控制的现状与研究方向【 J l1 ． 电机技术 ， 2 0 0 5 ， 3 1 3 l 5 ． [ 6 】江风云． 电压空间矢量脉宽调制的算法仿真实现[ J ] ． 宜 春学院学报 自然科学 ， 1 2 9 1 2 6 2 - 6 3 ， 6 6 ． 作者简介 何希 1 9 8 3 一 ，男， 硕士研究生， 研究方向 检测 技 术 与 自动 化 装 置 。 上接第 9 7页 放空阀的开关速度是受到限制的 ， 任何一台机组在 发生喘振时， 其防喘振控制系统能快速响应 ， 为了立即 脱离喘振工况， 要求调节器在偏差为正时， 送出较强 的信号使放空阀迅速打开。以防止危险发生 ， 但放空阀 迅速打开后 ， 喘振现象快速消失 ， 又会造成调节器偏差 为负 ， 使放空阀立即关小。这样就会造成放空阀的振 荡性的开闭动作，使系统变得不稳定， 因此在关闭阀门 的过程中， 希望慢慢地关闭以防止喘振震荡， 为了避免 这种现象 ， 采取动态校正功能， 只对正偏差进行动态补 偿 ， 不对负偏差进行补偿 ， 使放空阀打开的速率和关闭 的速率相差 5 0 0倍， 使整个系统的工作状况趋于稳定和 平衡， 方便了操作人员的操作控制。 5 结束 语 该 控制 系统 自投运 以来 ， 整个控 制系统运行 稳定可 靠， 对突发事件反应灵敏 ，调节的精确性和控制的准确 性确 保 了 高炉 送 风 的稳 定 ， 实 现 了预 期 高可靠 性 的 目 标 ， 为 安全 生产 、稳 定 向高 炉送 风起到 了很 好的作 用 ， 使高炉产量得到显著的提高。 参考文献 [ 1 】 金以慧， 方崇智． 过程控制[ M] ． 北京 清华大学出版社， 1 9 9 5 ． 【 2 】曹立革， 杨学峰等． AV8 0 1 4型轴流式高炉鼓风机的 DC S控N[ J ] ． 冶金自动化． 2 0 0 2 1 3 l _ 3 2 作者简介 朱芬梅 1 9 6 4一 ， 女，自 动化工程师。从事工业 自动 化 和信 息 化 的 应 用 开 发 工 作
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