于慶泉，黨平，馬富剛，楊金星，彭磊，初曉旭

（鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司，遼寧 營(yíng)口115007）

焦?fàn)t交換機(jī)通過(guò)改變焦?fàn)t加熱系統(tǒng)氣流流動(dòng)方向向焦?fàn)t輸送加熱煤氣、助燃空氣以及排出燃燒后的廢氣，是焦?fàn)t生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備之一。實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，交換機(jī)經(jīng)常出現(xiàn)漏交換事故，造成焦?fàn)t加熱不均勻，產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量下降，廢氣中污染物含量超標(biāo)，廢氣溫度升高，焦?fàn)t熱效率降低，以及爐體損傷等一系列危害。針對(duì)交換機(jī)漏交換的問題，通過(guò)增加日常點(diǎn)檢和設(shè)備檢修頻次等方法，交換機(jī)故障率有了一定幅度的下降，但仍然無(wú)法完全避免交換機(jī)漏交換事故的發(fā)生。而且由于交換機(jī)漏交換具有一定的隱蔽性，依靠人工手段進(jìn)行檢查和預(yù)判的效果并不理想。因此，必須找到一種更加高效的漏交換預(yù)警方法來(lái)預(yù)防漏交換事故的發(fā)生。通過(guò)分析鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司焦?fàn)t交換機(jī)漏交換事故發(fā)生的原因，找到其中存在的關(guān)鍵要素，并采取一定的技術(shù)手段，對(duì)可能引發(fā)漏交換事故的關(guān)鍵要素進(jìn)行監(jiān)控，以實(shí)現(xiàn)交換機(jī)漏交換預(yù)警功能，從而預(yù)防交換機(jī)漏交換事故的發(fā)生。

1 存在的問題

1.1 交換機(jī)漏交換的危害

正常情況下，焦?fàn)t交換機(jī)自動(dòng)進(jìn)行周期性的交換，每次交換的時(shí)間間隔一般設(shè)定為30 min。但在漏交換的狀態(tài)下，交換機(jī)不能進(jìn)行自動(dòng)交換而是一直處于停止?fàn)顟B(tài)，不再改變焦?fàn)t加熱系統(tǒng)內(nèi)煤氣、空氣和廢氣的氣流方向。造成焦?fàn)t加熱不均勻，產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量下降，廢氣中污染物含量超標(biāo)，廢氣溫度升高，焦?fàn)t熱效率降低以及爐體損傷等一系列危害。隨著漏交換時(shí)間的延長(zhǎng)，漏交換事故產(chǎn)生的危害會(huì)逐步加劇。

焦?fàn)t廢氣中的主要污染物為SO2和NOx，其排放濃度標(biāo)準(zhǔn) （國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)）分別為≤50 mg/m3和≤500 mg/m3。根據(jù)焦?fàn)t煙囪環(huán)保在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)數(shù)據(jù)，煉焦部焦?fàn)t交換機(jī)正常交換情況下，SO2的排放濃度為20～30 mg/m3。交換機(jī)延遲交換30 min以上，SO2的排放濃度就會(huì)超過(guò)80 mg/m3，超過(guò)氣體污染物國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)1.5倍以上，形成四級(jí)以上環(huán)保事故。

1.2 交換機(jī)漏交換的原因分析

1.2.1 交換機(jī)的工作原理

鞍鋼股份鲅魚圈鋼鐵分公司煉焦部焦?fàn)t交換機(jī)為PLC自動(dòng)控制的液壓傳動(dòng)型交換機(jī)，由操作臺(tái)、PLC控制柜、液壓站、液壓缸、限位系統(tǒng)、傳動(dòng)拉桿、電控線路、液壓管路、廢氣瓣以及煤氣閥等設(shè)備組成。煤氣液壓交換機(jī)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 煤氣液壓交換機(jī)的基本結(jié)構(gòu)

交換機(jī)通過(guò)焦?fàn)t煤氣液壓缸和高爐煤氣/空廢氣液壓缸的往復(fù)動(dòng)作帶動(dòng)每個(gè)燃燒室的廢氣瓣和煤氣閥來(lái)改變煤氣、空氣和廢氣的流動(dòng)方向。焦?fàn)t煤氣交換過(guò)程示意圖和高爐煤氣交換過(guò)程示意圖分別見圖2和圖3。焦?fàn)t煤氣在加熱模式下進(jìn)行正向交換時(shí)，首先焦?fàn)t煤氣液壓缸由起點(diǎn)運(yùn)行至中間點(diǎn)并等待，然后高爐煤氣/空廢氣液壓缸由起點(diǎn)運(yùn)行經(jīng)過(guò)正向230 mm點(diǎn)（停0.8 s）、中間點(diǎn)（停0.5 s）至終點(diǎn)，最后焦?fàn)t煤氣液壓缸由中間點(diǎn)運(yùn)行至終點(diǎn)，如圖2所示。

圖2 焦?fàn)t煤氣交換過(guò)程示意圖

高爐煤氣加熱模式下焦?fàn)t煤氣液壓缸始終位于中間點(diǎn)位置，正向交換時(shí)高爐煤氣/空廢氣液壓缸由起點(diǎn)經(jīng)過(guò)正向230 mm點(diǎn)（停0.8 s）、中間點(diǎn)（停0.5 s）至終點(diǎn)，如圖3所示。正向交換過(guò)程結(jié)束后，交換機(jī)處于待機(jī)狀態(tài)，30 min后進(jìn)行反向交換，反向交換結(jié)束30 min后再次進(jìn)行正向交換，如此循環(huán)往復(fù)。

圖3 高爐煤氣交換過(guò)程示意圖

1.2.2 漏交換原因分析

交換機(jī)的工作是周期性自動(dòng)進(jìn)行，一旦交換機(jī)因故障停機(jī)而未被及時(shí)發(fā)現(xiàn)，就會(huì)影響下次交換，形成漏交換事故。通過(guò)對(duì)近3年發(fā)生的漏交換事故進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并分析，總結(jié)出交換機(jī)漏交換事故原因及頻次如表1所示。

表1 交換機(jī)漏交換事故原因及頻次

（1）液壓截止閥故障

液壓系統(tǒng)截止閥故障會(huì)導(dǎo)致液壓缸活塞桿在負(fù)載的作用下發(fā)生位移，造成控制系統(tǒng)因必要的限位信號(hào)缺失而不能按時(shí)交換。例如，液壓缸在等待下次交換的過(guò)程中，因截止閥故障導(dǎo)致液壓缸起點(diǎn)信號(hào)缺失，控制系統(tǒng)就會(huì)因不能識(shí)別液壓缸的當(dāng)前位置而不再進(jìn)行下次交換；在高爐煤氣加熱模式下，系統(tǒng)要求焦?fàn)t煤氣液壓缸必須位于中間點(diǎn)位置，如果此時(shí)焦?fàn)t煤氣液壓缸泄壓回退，造成中間點(diǎn)限位信號(hào)缺失，就會(huì)導(dǎo)致交換機(jī)不再進(jìn)行下次交換。

（2）液壓缸內(nèi)泄故障

液壓缸發(fā)生內(nèi)泄，同樣會(huì)造成液壓缸活塞桿在負(fù)載的作用下發(fā)生位移，導(dǎo)致必要的限位信號(hào)缺失而不能按時(shí)交換。

（3）限位開關(guān)元件故障

限位開關(guān)元件故障時(shí)，會(huì)發(fā)生應(yīng)有的位置信號(hào)缺失或不應(yīng)有的位置信號(hào)出現(xiàn)這兩種情況。例如，液壓缸位于起點(diǎn)而起點(diǎn)限位信號(hào)缺失時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)因不能識(shí)別液壓缸位置而不再進(jìn)行下次交換；液壓缸位于起點(diǎn)而其他位置限位信號(hào)同時(shí)出現(xiàn)時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)認(rèn)為液壓缸位置不確定而不再進(jìn)行下次交換。

（4）限位開關(guān)撞子接觸不良故障

限位開關(guān)與撞子接觸不良時(shí)，同樣會(huì)造成必要的限位信號(hào)缺失，影響下次交換。

綜上所述，不論是哪種故障引發(fā)的交換機(jī)漏交換，均表現(xiàn)為液壓缸位置信號(hào)異常，從而影響交換機(jī)自動(dòng)交換。因此液壓缸位置信號(hào)異常是所有漏交換事故的共性要素。

2 改進(jìn)的措施

針對(duì)上述原因，通過(guò)增加日常點(diǎn)檢和設(shè)備檢修頻次等方法，交換機(jī)的故障率有了一定幅度的下降，但仍然無(wú)法完全避免交換機(jī)漏交換事故的發(fā)生。而且由于交換機(jī)漏交換事故具有一定的隱蔽性，依靠人工手段進(jìn)行檢查和預(yù)判，效果并不理想。因此，最終確定了一種在可編程控制器（PLC）中增加邏輯監(jiān)控程序，對(duì)所有位置信號(hào)異常的邏輯進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和故障預(yù)警的改進(jìn)措施。當(dāng)任意一個(gè)限位信號(hào)發(fā)生異常時(shí)，系統(tǒng)能夠在第一時(shí)間識(shí)別發(fā)現(xiàn)并發(fā)出漏交換預(yù)警，給操作人員和設(shè)備維護(hù)人員足夠的響應(yīng)時(shí)間完成手動(dòng)交換和故障處理。

2.1 限位信號(hào)異常狀態(tài)的判定標(biāo)準(zhǔn)

通過(guò)梳理交換機(jī)控制系統(tǒng)程序中的所有聯(lián)鎖條件，確定所有可能影響交換機(jī)自動(dòng)交換位置信號(hào)異常邏輯，表2為交換機(jī)位置信號(hào)異常邏輯及認(rèn)定結(jié)果。為了區(qū)分正常交換過(guò)程中出現(xiàn)的短暫的信號(hào)缺失現(xiàn)象，提高判斷的準(zhǔn)確性，在邏輯判斷時(shí)應(yīng)用了延時(shí)判定。延時(shí)判定的時(shí)間長(zhǎng)度是依據(jù)多年設(shè)備維護(hù)經(jīng)驗(yàn)確定的，可以滿足焦?fàn)t加熱工藝的要求。

表2 交換機(jī)位置信號(hào)異常邏輯及認(rèn)定結(jié)果

2.2 判定及預(yù)警程序設(shè)計(jì)

焦?fàn)t交換機(jī)PLC控制系統(tǒng)的主控制器為西門子S7-200PLC，編程軟件為STEP 7 MicroWIN V4.0，編程語(yǔ)言為梯形圖語(yǔ)言。

位置信號(hào)異常邏輯認(rèn)定程序、位置信號(hào)異常認(rèn)定匯總程序、漏交換預(yù)警程序分別見圖4、圖5及圖6。將位置信號(hào)異常邏輯加以羅列，并使用延時(shí)導(dǎo)通繼電器TON對(duì)位置信號(hào)異常邏輯進(jìn)行延時(shí)認(rèn)定（如圖4所示）。當(dāng)位置信號(hào)異常邏輯存在的時(shí)間超過(guò)設(shè)定的時(shí)間時(shí)，系統(tǒng)認(rèn)為位置信號(hào)異常狀態(tài)成立。對(duì)所有位置信號(hào)異常邏輯所對(duì)應(yīng)的延時(shí)導(dǎo)通繼電器TON進(jìn)行或運(yùn)算，進(jìn)一步得出位置信號(hào)異常狀態(tài)的認(rèn)定結(jié)果M31.7（如圖5所示）。M31.7參與交換機(jī)預(yù)報(bào)及預(yù)備報(bào)警輸出點(diǎn)Q0.6（蜂鳴器）的或運(yùn)算，同時(shí)Q0.6又直接驅(qū)動(dòng)了交換機(jī)預(yù)報(bào)及報(bào)警輸出點(diǎn)Q2.3（報(bào)警鈴）。所以當(dāng)位置信號(hào)異常狀態(tài)的認(rèn)定結(jié)果M31.7 有效時(shí)，Q0.6（蜂鳴器）和 Q2.3（報(bào)警鈴）隨即生效，蜂鳴器和報(bào)警鈴共同發(fā)聲（如圖6所示）。

圖4 位置信號(hào)異常邏輯認(rèn)定程序（部分）

圖6 漏交換預(yù)警程序

3 實(shí)施效果

交換機(jī)漏交換預(yù)警技術(shù)實(shí)施前的近3年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，交換機(jī)共發(fā)生漏交換事故29次，累計(jì)發(fā)生漏交換43個(gè)周期，單次事故平均漏交換時(shí)間約為44 min，對(duì)焦?fàn)t壽命、產(chǎn)品質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保指標(biāo)均產(chǎn)生了較大的危害。

該技術(shù)實(shí)施后，交換機(jī)PLC控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)限位系統(tǒng)信號(hào)異常狀態(tài)的實(shí)施監(jiān)控和判定功能。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到限位信號(hào)異常狀態(tài)可能影響下次交換時(shí)，便立即發(fā)出漏交換預(yù)警，給操作人員和設(shè)備維護(hù)人員足夠的響應(yīng)時(shí)間，能夠按時(shí)進(jìn)行手動(dòng)交換和故障處理。大部分可能造成交換機(jī)漏交換的情況已經(jīng)通過(guò)漏交換預(yù)警得到預(yù)防，小部分無(wú)法預(yù)防的情況也可以將交換延遲時(shí)間控制在2～3 min以內(nèi)。而交換延遲2～3 min對(duì)焦?fàn)t生產(chǎn)的影響是可以忽略不計(jì)的，從而預(yù)防了交換機(jī)漏交換事故的發(fā)生，避免了交換機(jī)漏交換對(duì)焦?fàn)t壽命、產(chǎn)品質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保指標(biāo)等產(chǎn)生的一系列危害。

4 結(jié)語(yǔ)

鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司焦?fàn)t交換機(jī)漏交換預(yù)警技術(shù)的研發(fā)，是在煉焦技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)的學(xué)科交叉領(lǐng)域開展的一次創(chuàng)新實(shí)踐。在此過(guò)程中，確定了交換機(jī)漏交換事故的共性要素，通過(guò)對(duì)控制系統(tǒng)程序的改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了限位系統(tǒng)異常狀態(tài)判定和漏交換預(yù)警功能，預(yù)防了交換機(jī)漏交換事故的發(fā)生。進(jìn)而避免了因交換機(jī)漏交換而引發(fā)的焦?fàn)t加熱不均勻，產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量下降，廢氣中污染物含量超標(biāo)，廢氣溫度升高，焦?fàn)t熱效率降低及爐體損傷等一系列危害。其產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益不可估計(jì)。