AV50 風機自動化控制改造

郭億祥

（廣東中南鋼鐵股份有限公司煉鐵廠，廣東韶關 512123）

0 引言

AV50 風機透平機組使用時間超過19 年，系統存在控制邏輯落后、設備故障率高的問題，近年來系統在正常運行時頻繁進入“安全模式”，嚴重影響高爐生產，需對控制系統進行改造。

1 AV50 風機存在的問題

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

（2）控制系統設備組成復雜，高壓系統最先設計為電機定子串水電阻降壓起動，后改為磁控軟起動器起動，靜葉控制由PLC、手操器、伺服控制器、伺服閥組成，控制設備過多，增加了設備的故障點。

（3）防喘振控制算法落后，當運行點越過防喘線時，防喘振PID 未能從當前閥門開度進行調節，存在死區；防喘閥打開后，由于沒有進行預先調節，防喘振PID 增益調節不合理，一旦防喘振調節功能激活，閥門開度過大，直接將工況點風壓、風量拉低，導致后端工藝生產極不穩定。

（4）風機在正常運行過程中，在外界條件無任何明顯變化，且無人工干預的情況下，風機靜葉發生關閉，導致進氣流量減小，工況點越過喘振線進入不安全區域，控制系統聯鎖觸發進入安全運行模式，導致風機放風，影響高爐正常運行生產，監控系統采用大量腳本語言進行編制，存在軟件漏洞的風險，需要進行修改糾正。

（5）風機在送風過程中，送風壓力隨熱風爐切換而出現送風壓力波動，對高爐生產造成影響。

（6）撥風系統集成于AV50 機組控制系統內部，兩個系統的接口部分不夠清晰，撥風控制邏輯需要進行完善，提高撥風系統運行可靠性。

2 進入安全模式原因分析

風機正常時，靜葉出現自動關閉至22°，導致風機直接進入安全模式。

2.1 自動控制程序

通過解讀程序，在操作人員無操作失誤的情況下，控制系統程序不會發出靜葉關閉指令，此處操作失誤特指將靜葉控制模式由自動模式轉為手動模式，因程序不具備無擾切換功能，所以當工作模式發生改變后，可能出現靜葉關閉或打開的情況。通過現場分析，風機進入安全模式時，靜葉控制模式在自動模式，故操作人員操作失誤的可能性不存在。

2.2 外界設備故障

靜葉控制設備是由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故障可能性相對較小，經停機及在線試驗，以上設備動作可靠，電液伺服閥出故障可能性不大。

機組配置為電機+變速箱+軸流壓縮機，控制系統由PLC、低壓電氣系統、高壓電氣系統、勵磁系統、潤滑油動力油控制系統、靜葉控制系統（靜葉手操器、靜葉伺服器）組成（圖1）。

圖1 AV50 風機控制系統

2.3 控制系統信號干擾問題

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作，信號在傳輸過程中存在受到電磁干擾的可能，經查AV50 風機PLC 系統為單獨接地，接地電阻<1 Ω，符合國家標準，故障時周圍設有電焊設備工作，故信號干擾造成系統故障的可能性可以排除。

2.4 PLC 控制系統

控制系統軟件可能存在漏洞，因控制靜葉開關按鈕采用腳本語言進行編制，結合腳本程序的執行周期和監控軟件的通信狀態異常，原因可能為畫面軟件經過多次升級，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問題，控制系統軟件可能存在漏洞，極有可能是控制系統內部故障，造成靜葉出現自動關閉至22°，導致風機直接進入安全模式的原因。

3 改造方案

（1）機組軟硬件升級改造，PLC 模塊更換，軟件升級到最新版本，對控制系統軟件進行版本升級，控制系統軟件采用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/低壓電氣控制系統改造：①磁控軟起動器控制優化；②高壓柜控制優化，與磁控軟起動器一次控制不變，二次信號直接由PLC 控制；③低壓電氣控制系統原樣恢復。

（4）更換勵磁柜，將勵磁柜狀態信號接入PLC 系統，對勵磁控制方式進行優化：①勵磁柜采用恒磁控制，星點柜短接后自動投入；②勵磁柜保證當控制器出現故障時，輸出電流恒定不變，同時報警提示系統故障。

（5）壓縮機控制軟件包進行控制系統程序及監控畫面的重新開發：①防喘振線動態補償算法，應用簡化能量頭和簡化流量平方的防喘線算法，實現喘振線在不同進口溫度、進口壓力下動態補償；②允許工況點貼近防喘振曲線運行，擴大了現有風機運行的工況范圍；③在正常運行期間消除放風量，降低能量消耗；④通過自動精確調節靜葉和防喘振閥的解耦控制，保證熱風爐送風壓力穩定，避免了誤操作的可能性；⑤壓縮機控制軟件重新編制。

4 改造后的主要控制功能

4.1 風機系統啟動

在正式起動風機前可以對機組進行試驗，對系統中的油泵可進行備自投試驗、靜葉釋放試驗、勵磁自投試驗，防止起動后靜葉無法打開等故障出現。優化風機起動過程，清晰地顯示起動條件，方便操作人員判斷，起動過程實時顯示各種設備動態數據。

4.1.1 油泵控制

潤滑、動力油泵電機當出口壓力低于閥值時備自投。

4.1.2 機組靜葉釋放功能

在主電機運行后，按下靜葉釋放按鈕執行靜葉釋放動作，靜葉角度由14°釋放至22°，若在規定的時間內靜葉角度沒有由14°釋放至22°，顯示靜葉釋放失敗，復位后重新釋放靜葉。

4.1.3 機組允許加載操作功能

主電機運行情況下，按下允許加載按鈕，則閉鎖標志撤消，放空電磁閥得電，止回閥電磁閥失電。

4.1.4 機組逆流保護功能

在主電機運行，靜葉角度＞22°情況下，若風機喉部差壓過低信號持續1 s，系統發出機組喘振報警信號，若在規定的時間內機組喘振報警信號仍然存在，則發出機組逆流報警信號。在規定的時間后，若機組喘振報警信號仍然存在，則發出機組持續逆流信號。機組逆流報警信號和機組持續逆流信號用存儲器位按鈕清除，逆流實驗按鈕閉合，可以模擬產生喘振報警、逆流報警、持續逆流報警信號。

4.1.5 機組安全運行功能

當機組逆流報警或按下手動安全運行按鈕時，機組發出安全運行報警信號，同時進入安全運行狀態。由按下手動安全運行按鈕時，機組發出的安全運行報警信號，可以由存儲器復位按鈕清除。

4.1.6 機組停機聯鎖

當閉合手動緊急停機按鈕、動力油壓過低、潤滑油壓過低、風機軸位移過大、風機軸振動過大、機組持續逆流報警、主電機由運行至停止狀態其中之一發生時，系統發出聯鎖停機信號及機組停機標志，同時存儲器置1。

4.1.7 機組防喘振功能

防喘閥調節采取手動設定與自動控制低選輸出方式，當喘閥調節手動設定為關狀態，并且工況點達到防喘振曲線時，防喘閥自動打開，具有快開功能；當防喘閥調節手動設定為關狀態，并且工況點離開防喘振曲線時，防喘閥自動關閉，具有慢關功能；當工況點未達到防喘振曲線時，手動調節防喘閥，防喘閥開度受手動設定控制。

4.1.8 機組靜葉控制

當機組停機或開機后未進行靜葉釋放之前，靜葉閉鎖至14°。當開機并進行靜葉釋放之后，靜葉釋放至22°。若無停機狀態產生，進行靜葉釋放之后，靜葉角度無法關閉至22°以下。

4.2 報警系統

4.2.1 實時報警查詢

在報警畫面中各種報警發生時，其相應的報警燈會變紅且蜂鳴器報警提示，用戶可在此畫面中查詢報警信息，并在報警紀錄中查詢報警具體時間，然后根據工藝要求做出相應處理。

4.2.2 報警歷史查詢

選擇報警信息文本對話框彈出窗口，會顯示報警編號及信息文本，可實現歷史記錄查詢。

4.2.3 報警音響

當系統發生報警時，PLC 機柜中的報警器將會發出聲音報警，操作人員檢查相應的設備，排除故障，然后點擊報警消音按鈕，暫時消音。此時報警系統的工作狀態為：如果有新的報警點發生報警時，報警器會再次響起警報，若無其他報警發生則無報警音。

4.3 靜葉工作

靜葉的正常工作角度為22°～79°，調節靜葉將會直接影響喉部差壓（圖2）。根據高爐的要求控制風量，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。正常情況下工況點應該處于中間的曲線以下，當工況點處于中間的曲線之上時防喘閥自動調節，打開一定開度，直到工況點再次下降到線以下，當工況點達到上部曲線以上時，進入安全運行狀態，下部曲線是防阻塞線，只做報警和提示，沒有其他聯鎖，提示操作人員工況點在該線之上運行。

圖2 工況點運行趨勢

4.4 控制功能

（1）定風壓操作控制（自動沖風），可以實現根據工藝風壓要求達到自動調節壓縮機出口壓力，實現在保護壓縮機的前提下，保證工藝壓力穩定，實現在熱風爐換爐時穩定送風。

（2）風機逆流保護功能，保護風機，使風機快速脫離逆流狀態并在嚴重情況下觸發聯鎖停機。

（3）防喘振線動態補償，根據實際溫度和壓力對整條防喘振線進行動態補償，以達到客觀合理的反應風機性能變化的狀況。

（4）重要信號點的斷線保護功能，以保護不致因熱電阻斷線等原因而造成風機意外跳閘。

（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作。

（6）防喘振階躍保護功能，提高防喘振安全系數，避免閥門卡阻引起的防喘振調節不及時。

4.5 撥風系統

修改撥風系統控制邏輯，根據現場現有的設備情況，優化撥風控制邏輯，提高撥風系統的可靠性。

4.6 風機系統停車

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

（2）正常停機時在歷史趨勢做好停機記錄，計算機系統的報警系統可做出相應提示。

5 改造效果

（1）本次對AV50 風機的控制系統高壓部分進行改造，PT 小母線去綜保斷線后，輸出報警信息。

（2）定值方面，風機軸位移進行校正，靜葉喘振曲線試驗、定值設定。

（3）勵磁控制方面，增加保護措施，當勵磁控制出現故障時，出現報警至上位機，主勵磁系統不停機，保護電機正常運行。

（4）人機界面友好，報警信息完善，初始故障明確，操作畫面簡潔。

（5）動力/潤滑油泵實現了備自投功能，保證機組正常運行。

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

（7）撥風系統用獨立CPU 控制，保證了備用風機換機方便，提高撥風系統的可靠性，同時便于AV50 風機系統的檢修。

（8）AV50 風機系統與外部CPU 的通信采用網絡通信，提高了系統的可靠性，降低了故障率，減少了維護量。

（9）設備運行穩定。

6 結束語

設備自2021 年10 月20 日投入運行以來，靜葉工作穩定，防喘振線根據實際溫度和壓力，對整條防喘振線進行動態補償，控制程序進行了自動調節調整，避免了風機在防喘振線附近運行，自改造以來未發生無故進入安全模式的故障，為高爐生產穩定供風，效果良好。