供稿| 余瓊/YU Qiong

熱風(fēng)爐氣體流量調(diào)節(jié)執(zhí)行器控制改造

Improvement for Gas Flow Regulating Actuator of Hot Blast Furnace

供稿| 余瓊/YU Qiong

內(nèi) 容 導(dǎo) 讀

熱風(fēng)爐系統(tǒng)是高爐煉鐵系統(tǒng)的主要組成部分，對(duì)于高爐煉鐵生產(chǎn)具有主要意義。它大幅度降低焦比，顯著提高高爐的產(chǎn)量，風(fēng)溫的提高促進(jìn)了噴吹燃料代替昂貴的焦炭，取得明顯的經(jīng)濟(jì)效益，高爐熱風(fēng)爐使用高爐生產(chǎn)自身產(chǎn)生的副產(chǎn)品高爐煤氣作為燃料，使高爐成為熱效率最高的冶金設(shè)備，不僅降低了煉鐵的生產(chǎn)成本，還避免了煤氣的對(duì)空直接放散，保護(hù)了環(huán)境。熱風(fēng)爐爐況好壞直接影響到高爐的生產(chǎn)，在整個(gè)熱風(fēng)爐系統(tǒng)中，燒爐過(guò)程是非常重要的環(huán)節(jié)，而且燒爐的空氣、煤氣用量調(diào)節(jié)直接影響熱風(fēng)爐燒爐爐況。對(duì)于煤氣、空氣的調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)—執(zhí)行器的控制就直接決定了熱風(fēng)爐的燃燒。該廠每座高爐配備有四座熱風(fēng)爐，每座熱風(fēng)爐有煤氣支管調(diào)節(jié)閥兩臺(tái)，空氣支管調(diào)節(jié)閥兩臺(tái)，加上助燃風(fēng)調(diào)節(jié)閥兩臺(tái)、煤氣總管調(diào)節(jié)閥一臺(tái)及混風(fēng)調(diào)節(jié)閥一臺(tái)，單爐共有3610執(zhí)行器調(diào)節(jié)閥20臺(tái)，6座高爐熱風(fēng)爐總計(jì)安裝使用3610型執(zhí)行器調(diào)節(jié)閥120臺(tái)。

在生產(chǎn)期間，3160執(zhí)行器調(diào)節(jié)閥控制模塊經(jīng)常性損壞，經(jīng)常造成高爐減風(fēng)或休風(fēng)，嚴(yán)重影響了高爐生產(chǎn)的順利進(jìn)行，備件運(yùn)行成本大大增加，成本完成壓力大，在這種情況下，廠立項(xiàng)進(jìn)行3610執(zhí)行器進(jìn)行改造。

3610 型執(zhí)行器的組成

3610型執(zhí)行器由控制器、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、開(kāi)度檢測(cè)機(jī)構(gòu)、連接機(jī)構(gòu)、手動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。

另外，在執(zhí)行器控制器上設(shè)置有輸入信號(hào)和電源指示燈，有執(zhí)行器靈敏度、行程和零位調(diào)節(jié)電位器，有6個(gè)狀態(tài)選擇開(kāi)關(guān)，有輸入、輸出信號(hào)接線端子和工作電源接線端子。

3610 型執(zhí)行器工作原理

3610系列電子式電動(dòng)執(zhí)行器是以220V單相交流為驅(qū)動(dòng)電源，接收來(lái)自計(jì)算機(jī)、調(diào)節(jié)器的DC4～20mA或DC1～5V輸入信號(hào)來(lái)工作的全電子式電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。電子控制單元采用集成電路制作，被設(shè)計(jì)成匣子形式，并用樹(shù)脂澆鑄固化，稱為控制器，本身具有伺服功能?？刂圃砣鐖D1。

電機(jī)的旋轉(zhuǎn)通過(guò)驅(qū)動(dòng)動(dòng)皮帶輪，同步皮帶輪傳給動(dòng)被皮帶輪，再通過(guò)蝸桿及渦輪變換輸出軸的90°或者其他度數(shù)的旋轉(zhuǎn)（角行程閥桿動(dòng)作），用固定在輸出軸上部的反饋軸檢測(cè)輸出，通過(guò)正齒輪傳給精密電位器。精密電位器的動(dòng)作變?yōu)殡姎庑盘?hào)，作為開(kāi)度信號(hào)反饋給控制部分，其結(jié)果使得來(lái)自調(diào)節(jié)器的信號(hào)和開(kāi)度信號(hào)之間的偏差被減小。當(dāng)偏差消除在允許范圍內(nèi)時(shí)，控制部分令電機(jī)停止。

圖1 執(zhí)行器控制原理圖

實(shí)際應(yīng)用及存在問(wèn)題

在原設(shè)計(jì)中，利用該執(zhí)行器原有的性能和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，自動(dòng)化控制程序是采用PID調(diào)節(jié)。受控方式如圖2。

手動(dòng)時(shí)，在熱風(fēng)爐調(diào)節(jié)畫(huà)面中選擇手動(dòng)，由熱風(fēng)爐調(diào)節(jié)閥位數(shù)值百分比（圖紅色棒條），該數(shù)值直接被PLC系統(tǒng)采集并經(jīng)控制程序運(yùn)算，再由施耐德AC0-130-00模板輸出DC4～20mA控制信號(hào)到安裝于現(xiàn)場(chǎng)3610執(zhí)行器的控制器，控制器將執(zhí)行器電機(jī)一翻板置信號(hào)與控制信號(hào)相比較，最后輸出正反轉(zhuǎn)電壓控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，經(jīng)減速齒帶動(dòng)輸出軸輸出角位移（0～90度），從而帶動(dòng)翻板做開(kāi)關(guān)翻轉(zhuǎn)。同時(shí)固定在輸出軸上的反饋軸帶動(dòng)精密電位器，變換成電信號(hào)，反饋給控制器，直到反饋電流等于PLC給定電流翻板開(kāi)度達(dá)到給定要求。同時(shí)，閥位信號(hào)由控制器反饋給PLC，系統(tǒng)轉(zhuǎn)換顯示于畫(huà)面閥位百分比（圖綠色棒條），方便崗位監(jiān)控。

自動(dòng)時(shí)，通過(guò)支管的控制畫(huà)面“設(shè)定值（需要流量）”和“實(shí)際值（實(shí)際流量）”做比較，通過(guò)程序中的比例（調(diào)節(jié)的幅度）和積分（調(diào)節(jié)反映時(shí)間）調(diào)節(jié)器，當(dāng)“設(shè)定值（需要流量）”大于“實(shí)際值（實(shí)際流量）”時(shí)，執(zhí)行器的開(kāi)度給定自動(dòng)增加，執(zhí)行器正向工作，此時(shí)翻板開(kāi)始正向動(dòng)作，相應(yīng)的閥位反饋信號(hào)給到控制程序中的數(shù)值也隨著遞增，流量增加。當(dāng)“設(shè)定值（需要流量）”小于“實(shí)際值（實(shí)際流量）”時(shí)，執(zhí)行器的開(kāi)度給定自動(dòng)減少，執(zhí)行器反向工作，此時(shí)翻板開(kāi)始反向動(dòng)作，相應(yīng)的閥位反饋信號(hào)給到控制程序中的數(shù)值也隨著減小，流量減小。工作到當(dāng)“設(shè)定值（需要流量）”等于“實(shí)際值（實(shí)際流量）”時(shí)，執(zhí)行器的開(kāi)度給定停止增減，執(zhí)行器停止工作，達(dá)到調(diào)節(jié)空氣或煤氣流量調(diào)節(jié)的目的。

圖2 操作圖

但是，在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用過(guò)程中，經(jīng)常出現(xiàn)閥位反饋信號(hào)長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有和輸出端的輸出值近乎相等，執(zhí)行器控制模板一直給這電機(jī)正反轉(zhuǎn)，時(shí)間過(guò)長(zhǎng)溫度過(guò)高，燒壞執(zhí)行器控制模塊，這樣一方面影響了煉鐵生產(chǎn)的順利進(jìn)行，另一方面，由于執(zhí)行器的控制模塊價(jià)格高，大大增加了生產(chǎn)成本。而且，由于從PLC傳送給執(zhí)行器控制模塊的4～20 mA的模擬量控制信號(hào)是通過(guò)同時(shí)長(zhǎng)距離電纜傳輸，傳輸過(guò)程中存在模擬信號(hào)被干擾現(xiàn)象，使得執(zhí)行器存在誤動(dòng)作和控制精度不高等現(xiàn)象。

3610型執(zhí)行器的控制器為進(jìn)口器件，價(jià)格昂貴，匣子式樹(shù)脂澆鑄固化的控制器，損壞后無(wú)法修復(fù)，無(wú)器件可替代。

改造方案的確定

不改變?cè)刂品绞?，?610型執(zhí)行器的控制模塊用導(dǎo)線接至執(zhí)行器殼體外部，增加控制模塊的散熱。這一方案可提高控制模塊的使用壽命，仍然利用控制模塊控制執(zhí)行器，但沒(méi)有從根本上解決執(zhí)行器應(yīng)用中存在的問(wèn)題，不能采用。

在原控制方式基礎(chǔ)上采用二次控制。該方案實(shí)施須在現(xiàn)場(chǎng)增加控制箱，再在控制箱與執(zhí)行器間連線。方案中采用了繼電器控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，增大了控制器的負(fù)載能力。但方案中仍依賴控制模塊輸出正反轉(zhuǎn)電壓，一旦控制模塊損壞，仍是不能徹底解決問(wèn)題。經(jīng)過(guò)安裝實(shí)踐證明，控制器損壞依舊，改造不成功。

利用熱風(fēng)爐原PLC系統(tǒng)，將執(zhí)行器的控制功能在PLC內(nèi)完成，使PLC輸出數(shù)字量信號(hào)控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)繼電器，替代控制器輸出正反轉(zhuǎn)控制信號(hào)控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)接觸器。同時(shí)改造執(zhí)行器的位置反饋檢測(cè)元件，精密電位器位置反饋信號(hào)直接傳送到PLC。同時(shí)設(shè)計(jì)、制造和安裝執(zhí)行器電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制繼電器硬件，利用原來(lái)的線路改造3610執(zhí)行器的硬件控制線路。這樣3610執(zhí)行器的控制模塊就可取消，徹底解決執(zhí)行器控制模塊損壞影響生產(chǎn)和增加成本的問(wèn)題。

改造實(shí)施

2005年10月下旬，經(jīng)過(guò)對(duì)執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、工作原理的反復(fù)分析，制定出詳細(xì)的改造方案，這一改造方案開(kāi)始實(shí)施。控制過(guò)程為：熱風(fēng)爐監(jiān)視畫(huà)面操作→PLC運(yùn)算→DD035300模板輸出→繼電器→執(zhí)行器電機(jī)→翻板。

通過(guò)對(duì)執(zhí)行器內(nèi)部接線方式進(jìn)行局部改造，采取了用施耐德DD0-353-00數(shù)字量模板輸出，直接控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)工作命令，取消PLC發(fā)送給3610控制執(zhí)行器工作的4～20mA的模擬量控制信號(hào)，同時(shí)改造執(zhí)行器的開(kāi)度檢測(cè)結(jié)構(gòu)，將24V直流電源直接加載在開(kāi)度檢測(cè)裝置可變電阻上，產(chǎn)生的電流信號(hào)反饋給PLC，以便PLC確定執(zhí)行器的開(kāi)度。為防止可變電阻值為0 Ω，造成燒壞直流電源，我們?cè)诳勺冸娮璩龃?lián)1 KΩ電阻。同時(shí)測(cè)定執(zhí)行器開(kāi)度為0度時(shí)的電流值I0和開(kāi)度為90度時(shí)的電流值I90，對(duì)PLC控制程序進(jìn)行了部分修改，原有PID控制程序不變，只采用輸出端的數(shù)值和閥位反饋值做比較：當(dāng)輸出端的數(shù)值大于閥位反饋值時(shí)給出電機(jī)的正轉(zhuǎn)命令，翻板正轉(zhuǎn)動(dòng)作；當(dāng)輸出端的數(shù)值小于閥位反饋數(shù)值時(shí)給出電機(jī)的反轉(zhuǎn)命令，翻板反向動(dòng)作；當(dāng)輸出端的數(shù)值減閥位反饋數(shù)值在“+5～-5”區(qū)間內(nèi)，控制電機(jī)正反的信號(hào)輸出為“0”，翻板不動(dòng)作。同時(shí)，利用實(shí)際調(diào)試過(guò)程中測(cè)得的0度時(shí)的電流值I0和開(kāi)度為90度時(shí)的電流值I90，修改HMI控制畫(huà)面的腳本程序，確保HMI控制程序和PLC控制程序一致。按照測(cè)定的修改后的控制原理如圖3。

圖3 新控制原理圖

該方案每座高爐配套的4臺(tái)爐PLC系統(tǒng)需要增加兩塊32點(diǎn)的DDO-35300模板，分別用它上面的兩個(gè)輸出點(diǎn)控制繼電器的吸合、分?jǐn)?，再用繼電器控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。單個(gè)執(zhí)行器需制造一個(gè)4位繼電器組成的控制繼電器組，四座熱風(fēng)爐需制作20個(gè)繼電器組。

結(jié)束語(yǔ)

這樣單座高爐配套的4座熱風(fēng)爐3610執(zhí)行器的改造成本約為1萬(wàn)元，所有執(zhí)行器的改造成本為6萬(wàn)元左右。改造前每月執(zhí)行器模塊的損壞量約為20塊，需費(fèi)用10萬(wàn)元左右，這樣年節(jié)約成本約120萬(wàn)元。

改造首先在13號(hào)高爐的1號(hào)熱風(fēng)爐進(jìn)行，改造運(yùn)行1月后，通過(guò)與生產(chǎn)的合理協(xié)調(diào)，利用3個(gè)月的時(shí)間，在沒(méi)有影響生產(chǎn)的情況下將6座高爐的120臺(tái)3610執(zhí)行器均進(jìn)行了改造。通過(guò)程序修改、現(xiàn)場(chǎng)布線、應(yīng)用，3610執(zhí)行器因控制模塊損壞而造成高爐減風(fēng)或休風(fēng)的事故得到徹底避免。

文章介紹某煉鐵廠高爐配套熱風(fēng)爐空氣和煤氣流量調(diào)節(jié)執(zhí)行器的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，以及該執(zhí)行器原有用法在實(shí)際生產(chǎn)中存在的不足。通過(guò)對(duì)執(zhí)行器故障原因的分析，確定并實(shí)施解決方案，通過(guò)對(duì)執(zhí)行器內(nèi)部硬件接線和PLC控制程序的局部改造，解決執(zhí)行器在使用過(guò)程中存在的問(wèn)題，對(duì)執(zhí)行器的合理利用，提高高爐作業(yè)率，增加了設(shè)備使用壽命，降低了設(shè)備故障時(shí)間和維護(hù)成本，解決了執(zhí)行器實(shí)際應(yīng)用的不足。

余瓊（1977-），男，安徽潛山人，高級(jí)工程師，主要從事高爐、軋鋼及冷軋項(xiàng)目電氣傳動(dòng)和自動(dòng)化控制系統(tǒng)的應(yīng)用和維護(hù)工作。