許崇江 卜少杰

作者通聯(lián)：日照鋼鐵有限公司能源管控中心檢修車間 山東日照市沿海路600號 276806

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TRT發(fā)電機組（以下簡稱TRT）是煉鐵高爐煤氣余壓透平發(fā)電裝置，利用高爐冶煉的副產(chǎn)品——高爐爐頂煤氣具有的壓力能及熱能，使煤氣通過透平膨脹機做功，將其轉(zhuǎn)化為機械能，驅(qū)動發(fā)電機或其他裝置發(fā)電的一種二次能源回收裝置。旁通快開閥（以下簡稱快開閥）是TRT重要的自控設(shè)備，一旦故障對生產(chǎn)影響較大。

一、TRT快開閥系統(tǒng)

1.工作原理

日照鋼鐵有限公司目前有16座高爐，配套16臺TRT，每臺TRT有2個液壓伺服驅(qū)動的快開閥。TRT正常運行時，快開閥處于關(guān)閉狀態(tài)，并能夠輔助控制高爐頂壓。當機組發(fā)生重故障停機時，PLC發(fā)出停機指令，快速切斷閥立刻切斷進入透平機的煤氣?？扉_閥根據(jù)停機前進入透平機的煤氣量打開一定角度泄壓，確保高爐頂壓在設(shè)定值。重故障信號同時傳到高爐的PLC，按照高爐控制程序高爐減壓閥組參與頂壓調(diào)節(jié)，TRT操作人員關(guān)閉入口電動蝶閥，高爐頂壓逐漸轉(zhuǎn)入高爐控制，停機過程結(jié)束。

快開閥系統(tǒng)工作原理見圖1，伺服控制器將接收的主控室PLC發(fā)出的閥門開度指令信號（4～20mA）和快開閥傳感器反饋的實際位置信號進行轉(zhuǎn)換、比較后，經(jīng)過一定控制運算，產(chǎn)生一個驅(qū)動電液伺服閥SV的電流信號。在SV控制下，動力油作用于伺服油缸SM，SM帶動快開閥達到預期位置，實現(xiàn)閥門位置調(diào)節(jié)。伺服控制器輸出一路4～20mA信號到控制室指示快開閥的實際位置。

2.存在的問題

快開閥近年多次發(fā)生誤開事故，原因多為快開閥位移傳感器故障（平均使用壽命僅在1年左右）。進一步分析主要原因是快開閥控制系統(tǒng)存在缺陷，沒有保護功能，伺服控制器未能判斷位移傳感器故障后輸入的異常信號。當TRT正常運行時，PLC輸出指令0%給伺服控制器，伺服控制器輸出開度指令也為0%，快開閥反饋信號也在正常范圍。一旦位移傳感器發(fā)生故障，快開閥反饋信號有可能變?yōu)樨撝?，伺服控制器?nèi)部會將給定指令信號與快開閥反饋信號進行比較，若反饋信號小于指令信號，伺服控制器則會發(fā)出開閥指令，以保持指令與反饋的平衡，此時快開閥打開，導致高爐頂壓泄壓。

圖1 快開閥系統(tǒng)工作原理

二、快開閥系統(tǒng)改造

1.改造方案

咨詢伺服控制器廠家，得知伺服控制器對于傳感器的反饋信號故障無法實現(xiàn)智能判斷，更無法實現(xiàn)保護。經(jīng)過調(diào)研，SMATIC S7-400 PLC配套STEP7 V5.4版編程軟件和WINCC 6.0（SP3）版監(jiān)控軟件，可完全滿足和替代現(xiàn)場伺服控制器的控制功能。為此決定取消伺服控制器，利用PLC STEP7中的PID功能塊實現(xiàn)快開閥反饋信號的采集、比較以及控制信號的輸出（圖2）。

2.程序設(shè)計

（1）快開閥傳感器故障信號判斷程序（圖3）。①利用CMP＞R比較模塊，將快開閥反饋信號與標準信號（1%）進行比較，只有快開閥反饋信號（變量R1M5C2）＞1%時，程序判斷快開閥反饋信號在正常范圍。快開閥反饋信號作為有效信號，賦值給MD528。②當快開閥反饋信號≤1%時（允許反饋誤差在1%以內(nèi)），MOVE賦值功能塊將快開閥反饋信號（MD528）置為0%。③當快開閥反饋信號＜0%時，比較功能塊直接輸出一個開關(guān)量報警，此時也符合②所述條件，MOVE賦值功能塊將快開閥反饋信號（MD528）置為0%，避免快開閥誤動作。同時在WINCC畫面上顯示“旁通快開閥反饋信號故障”報警，提醒運行人員及時聯(lián)系有關(guān)技術(shù)人員檢修。當位移傳感器反饋信號恢復到正常值時，報警信號自動消失。

圖3中Network10含義：快開閥反饋（變量R1M2C5）≤1%時，將0%賦值給MD528（PLC程序內(nèi)部變量，作為下文PID模塊的“PV-IN過程變量輸入”）；Network11含義：快開閥反饋（變量R1M2C5）≤0%時，將變量M24.1置位為“1”，激活變量“旁通閥反饋信號報警”。

圖2 改造后快開閥系統(tǒng)工作原理

圖3 輸入信號判斷程序

（2）快開閥 PID功能塊（圖4）。功能塊輸入?yún)?shù)設(shè)置見表1，其中采用臨界比例法調(diào)試PID參數(shù)：①先切除PID控制器中的積分和微分作用，取比例增益Kc較小值，并投入閉環(huán)運行；②使Kc由小到大變化，對應于某一Kc值作小幅度的設(shè)定值階躍響應，直至產(chǎn)生等幅振蕩；③設(shè)等幅振蕩周期為Tcr（50s）、控制器增益Kcr（0.5），再根據(jù)控制器類型選擇PID參數(shù)。經(jīng)反復試驗最終確定關(guān)鍵參數(shù)為 GAIN=0.5、TI=50s、LMN_HLM=60%、LMN_LLM =45%，未投入TD。

表1

圖4 PID功能圖

3.WINCC組態(tài)

（1）WINCC通信組態(tài)方式。該系統(tǒng)改造是一個基于PRO-FIBUS現(xiàn)場總線的分布控制系統(tǒng)，上位機人機界面軟件運行在WIN-2000環(huán)境下。利用WINCC6.0組態(tài)軟件提供的驅(qū)動程序，通過計算機自帶的網(wǎng)絡接口與下位S7-400PLC進行數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)采集和發(fā)送數(shù)據(jù)/指令。

圖5 具有報警功能的界面

（2）控制報警畫面組態(tài)。①在變量列表內(nèi)增加“旁通閥反饋信號丟失”變量，選擇變量類型為二進制變量，地址為M24.1。②在主畫面快開閥附近處，增加“旁通閥反饋信號丟失報警”文本，點擊文本屬性→顯示→選擇變量“旁通閥反饋信號丟失報警”。③保存組態(tài)畫面，點擊運行按鈕，反饋信號丟失報警組態(tài)完成。圖5界面顯示7#TRT報出“旁通A閥反饋信號故障”，而閥門沒有誤動作。

4.傳感器改進

選用質(zhì)量較好的西安康宇磁致位移傳感器，加強現(xiàn)場防雨、防塵、防腐蝕等措施，確保設(shè)備處于良好工作環(huán)境。利用WINCC曲線記錄功能加強查閱快開閥反饋信號曲線記錄，一旦發(fā)現(xiàn)曲線異?；蛴忻?，則進行專門檢查處理。形成定期更換機制。

三、改造效果

TRT快開閥控制系統(tǒng)改造投用后，曾出現(xiàn)兩次現(xiàn)場位移傳感器故障，PLC畫面均及時準確發(fā)出“旁通快開閥反饋信號故障”報警信息，PLC未發(fā)出開閥指令，現(xiàn)場快開閥實際沒有動作。工藝人員發(fā)現(xiàn)報警后及時聯(lián)系儀控人員采用退出動力油路，將快開閥隔離的方法在線更換位移傳感器，沒有影響高爐頂壓，確保了TRT和高爐的安全穩(wěn)定運行。此次改造充分開發(fā)和利用PLC系統(tǒng)自帶功能，減少了伺服控制器備件費用（每個伺服控制器約為8萬元），在同類機組中具有良好的推廣價值。

1 李方圓.西門子S7系列PLC電氣控制精解.北京：化學工業(yè)出版社，2010.6