施洪亮，張 娟，周 琦

（江蘇永鋼集團(tuán)有限公司，江蘇張家港215628）

風(fēng)機(jī)空氣過(guò)濾器控制系統(tǒng)的改進(jìn)

施洪亮，張 娟，周 琦

（江蘇永鋼集團(tuán)有限公司，江蘇張家港215628）

結(jié)合高爐鼓風(fēng)機(jī)配套空氣過(guò)濾器的使用情況，針對(duì)過(guò)濾器控制系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定、控制器故障率高且維護(hù)量大的問(wèn)題，制定了相應(yīng)的過(guò)濾器控制系統(tǒng)改進(jìn)方案，保證風(fēng)機(jī)過(guò)濾器控制器的穩(wěn)定運(yùn)行。

鼓風(fēng)機(jī)；過(guò)濾器；控制系統(tǒng)；穩(wěn)定

1 概述

高爐風(fēng)機(jī)在冶金行業(yè)中是保證高爐穩(wěn)產(chǎn)、順行的核心動(dòng)力設(shè)備，確保高爐風(fēng)機(jī)穩(wěn)定、高效、安全的工作至關(guān)重要。江蘇永鋼集團(tuán)動(dòng)力車間是煉鐵廠的重要輔助單位，共有10臺(tái)高爐風(fēng)機(jī)和4臺(tái)TRT透平發(fā)電機(jī)，為煉鐵廠提供穩(wěn)定的風(fēng)源。粉塵是影響風(fēng)機(jī)長(zhǎng)周期正常運(yùn)行的原因之一。高速氣流中粉塵顆粒（≥4 μm）使機(jī)器主要部件表面產(chǎn)生磨損；粉塵在設(shè)備內(nèi)結(jié)垢會(huì)破壞葉輪的動(dòng)平衡，使“喘振曲線”漂移，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致停機(jī)。所以每一臺(tái)風(fēng)機(jī)配有一套空氣過(guò)濾器，它具有清潔氣源、保護(hù)機(jī)組的作用。

自潔式空氣過(guò)濾器控制器采用單片機(jī)控制，其控制原理是壓差變送器檢測(cè)壓差信號(hào)發(fā)至控制器單元，當(dāng)壓差達(dá)到高限時(shí)，控制器自動(dòng)進(jìn)行定壓差反吹，反吹氣流經(jīng)儲(chǔ)氣筒、隔膜電磁閥、文氏管進(jìn)入濾芯，進(jìn)行反吹自潔，壓差正常反吹自動(dòng)結(jié)束[1]。反吹分為定壓差、定時(shí)和手動(dòng)不定期3種方式。

2 原因分析

在統(tǒng)計(jì)公司風(fēng)機(jī)空氣過(guò)濾器運(yùn)行情況時(shí)，發(fā)現(xiàn)過(guò)濾器控制系統(tǒng)故障率很高，主要故障類型：1）過(guò)濾器控制器故障：包括可控硅擊穿，主板故障，顯示屏亂碼等現(xiàn)象；2）氣源壓力不穩(wěn)：包括引壓管線漏氣，氣源壓力波動(dòng)等現(xiàn)象；3）電磁閥故障：包括電磁閥線圈損壞，內(nèi)部閥芯堵、損壞等。

重點(diǎn)對(duì)3#風(fēng)機(jī)空氣過(guò)濾器控制系統(tǒng)故障進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)，其中發(fā)現(xiàn)控制器故障率高達(dá)90%，是造成過(guò)濾器控制系統(tǒng)故障的主要問(wèn)題。

針對(duì)3#風(fēng)機(jī)空氣過(guò)濾器控制器故障率高這一主要問(wèn)題，從運(yùn)行管理、產(chǎn)品質(zhì)量、運(yùn)行條件等方面進(jìn)行原因分析，并進(jìn)行逐項(xiàng)評(píng)估和論證，從中找出主要原因有3個(gè)方面：

1）差壓變送器故障。差壓變送器量程不能調(diào)整且量程偏大，檢測(cè)精度低；壓差信號(hào)直接接入單片機(jī)，進(jìn)行邏輯判斷與控制，不能進(jìn)行數(shù)顯和追溯，信號(hào)故障不便于發(fā)現(xiàn)與排查；另外變送器備件不通用，備件成本較高；

2）運(yùn)行環(huán)境差。過(guò)濾器控制器安裝在高爐旁的室外，現(xiàn)場(chǎng)粉塵較大，容易引起控制器內(nèi)電路板短路和粉塵污染，且無(wú)防雨、雪措施，影響控制器的使用壽命；另外還靠近濾筒，每次吹掃時(shí)振動(dòng)較大。

3）控制器質(zhì)量差?？刂破鞴收下矢?，且控制器面板、電路板等備件不能相互替換，故障時(shí)需整套進(jìn)行更換，增大了備件成本；采用單片機(jī)控制可擴(kuò)展性差，不能根據(jù)生產(chǎn)需要進(jìn)行控制優(yōu)化。

針對(duì)以上3個(gè)方面的主要原因并考慮現(xiàn)場(chǎng)相關(guān)因素，分別制定出相應(yīng)的解決措施，主要包括差壓變送器和控制器技改兩個(gè)方面。

3 變送器技改

針對(duì)原差壓變送器量程偏大、測(cè)量精度低；備件成本高；壓差信號(hào)不能進(jìn)行數(shù)顯、不可追溯，故障排查困難等問(wèn)題，采取的改進(jìn)措施主要有以下幾點(diǎn)：

1)原差壓變送器的量程為0～3 kPa，而實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，過(guò)濾器阻力差壓值一般為800 Pa左右，報(bào)警值為1000 Pa，為提高測(cè)量精度，減小測(cè)量誤差，確定選用壓力變送器的量程設(shè)定為0～1500 Pa。

2）從變送器質(zhì)量可靠，校驗(yàn)和安裝方便，以及備件的通用性等方面綜合考慮后，確定選用羅斯蒙特變送器，并利用原技改更換下的變送器備件，降低投入成本。

3）為了實(shí)現(xiàn)差壓信號(hào)的數(shù)顯并可追溯，增加數(shù)顯儀進(jìn)行就地顯示及報(bào)警，同時(shí)接入原風(fēng)機(jī)PLC控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)壓差信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)視與可追溯。

4 空氣過(guò)濾器控制器技改

首先將原3#風(fēng)機(jī)空氣過(guò)濾器控制器拆除，重新設(shè)計(jì)S7-200PLC控制箱，并將新增PLC控制箱安裝在室內(nèi)，有效改善運(yùn)行環(huán)境，避免粉塵污染，防止出現(xiàn)控制器元件短路、老化等故障，延長(zhǎng)使用壽命。再根據(jù)空氣過(guò)濾器的控制原理進(jìn)行軟硬件設(shè)計(jì)與調(diào)試。

4.1 硬件設(shè)計(jì)

S7-200系列是西門子公司生產(chǎn)的一類小型可編程控制器，它負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)輸入、輸出信息的處理和儲(chǔ)存、控制。具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，抗干擾能力、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，系統(tǒng)穩(wěn)定性高，可擴(kuò)展性大的優(yōu)點(diǎn)。

改造后的風(fēng)機(jī)空氣過(guò)濾器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 風(fēng)機(jī)過(guò)濾器控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

壓差信號(hào)通過(guò)ROSEMENT壓力變送器檢測(cè)，壓差信號(hào)經(jīng)單入雙出隔離柵進(jìn)行隔離、轉(zhuǎn)換,一路至數(shù)顯儀進(jìn)行就地顯示與報(bào)警，并經(jīng)數(shù)顯儀的AO輸出至原風(fēng)機(jī)的S7-400PLC實(shí)現(xiàn)上位機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)視，便于及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障并處理，提高系統(tǒng)的可追溯性。另一路至S7-200PLC進(jìn)行工程量轉(zhuǎn)換、邏輯判斷與控制等，通過(guò)對(duì)控制程序的設(shè)計(jì)與優(yōu)化，驅(qū)動(dòng)電磁閥動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣過(guò)濾器濾芯的反吹控制。控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)了手/自動(dòng)控制模式，一旦S7-200PLC出現(xiàn)故障，切換至手動(dòng)模式仍能保證空氣過(guò)濾器的正常反吹，同時(shí)在手動(dòng)模式可以定期逐個(gè)檢查電磁閥的運(yùn)行情況，有效保證空氣過(guò)濾器的噴吹效果。

4.1.1 可編程控制器I/O地址分配

定義和分配風(fēng)機(jī)空氣過(guò)濾器控制系統(tǒng)的I/O地址是首要解決的問(wèn)題，決定著系統(tǒng)硬件部分的設(shè)計(jì)，也是系統(tǒng)軟件編程的前提。根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，控制系統(tǒng)硬件采用CPU224為主機(jī)，模塊自帶14DI/ 10DO，再增加8DI的EM221和4AI的EM231智能模塊進(jìn)行擴(kuò)展，使外部電路簡(jiǎn)單、系統(tǒng)可靠性高。主要定義了數(shù)字量輸入地址I0.0～I(xiàn)1.0共9個(gè)，數(shù)字量輸出地址Q0.0～Q2.3共20個(gè)，模擬量輸入地址AIW0。

具體輸入、輸出地址定義見表1。

4.2 軟件設(shè)計(jì)

控制程序采用STEP7 Micro/WIN32軟件進(jìn)行編程。S7-200用戶程序中包括了位邏輯、計(jì)數(shù)器、定時(shí)器、復(fù)雜數(shù)學(xué)運(yùn)算以及其它智能模塊轉(zhuǎn)換等指令內(nèi)容，從而使它能夠監(jiān)視輸入狀態(tài)，改變輸出狀態(tài)以達(dá)到控制目的[3]。

控制程序流程圖如圖2所示。當(dāng)手自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)選擇自動(dòng)操作時(shí)，首先判斷壓差信號(hào)是否高，如果壓差信號(hào)正常，點(diǎn)擊啟動(dòng)按鈕，并通過(guò)選擇外部噴吹時(shí)間和噴吹間隔檔位開關(guān)，再由程序內(nèi)部進(jìn)行時(shí)間定義（以噴吹時(shí)間1為0.2 s，噴吹間隔1為20 s為例），自動(dòng)進(jìn)行噴吹，1#～20#電磁閥依次得電，得電持續(xù)時(shí)間為0.2 s，即為噴吹時(shí)間；電磁閥順序得電的動(dòng)作間隔為20 s，即為噴吹間隔。如果判斷壓差信號(hào)高，則自動(dòng)選擇噴吹時(shí)間3（0.4 s），噴吹間隔3（10 s），外部選擇開關(guān)操作無(wú)效，自動(dòng)進(jìn)行噴吹。如此循環(huán)往復(fù)進(jìn)行噴吹，直至點(diǎn)擊停止按鈕，噴吹自動(dòng)結(jié)束。

表1 系統(tǒng)的輸入輸出地址定義

圖2 控制程序流程圖

4.2.1 程序設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)中的壓差信號(hào)由ROSEMENT壓力變送器檢測(cè)，智能擴(kuò)展EM231模塊接收信號(hào)隔離柵的輸出信號(hào)，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換送給CPU進(jìn)行處理。用戶需通過(guò)設(shè)置EM231模塊下方的DIP開關(guān)組態(tài)輸入信號(hào)量程，其中SW1=ON、SW2=ON、SW3=OFF，即AI信號(hào)設(shè)置為單極性0-20mA，分辨率5?A，因此系統(tǒng)A/D轉(zhuǎn)換數(shù)值對(duì)應(yīng)關(guān)系滿足：

0-20mA→0-32000

（即4-20mA→6400-32000）

線性化處理：

式中，x為信號(hào)采集值，spanmax為量程上限，spanmin為量程下限。

4.2.1.1 噴吹控制程序設(shè)計(jì)

根據(jù)控制程序流程圖要求，風(fēng)機(jī)空氣過(guò)濾器噴吹控制的程序設(shè)計(jì)如圖3所示。

1）網(wǎng)絡(luò)3-5為啟動(dòng)/停止控制，在自動(dòng)控制模式下，壓差高或按啟動(dòng)按鈕，初始化M0.0為1，MD10賦值為1，點(diǎn)擊停止按鈕，將MD10和QD0賦值為0，輸出全部復(fù)位，噴吹自動(dòng)結(jié)束。

圖3 啟動(dòng)/停止控制程序圖

2）定時(shí)器T33-T35進(jìn)行噴吹時(shí)間設(shè)定，設(shè)計(jì)斷開延時(shí)繼電器，輔助繼電器M0.7作為噴吹輸出，使M1.6置位作為噴吹間隔使能。定時(shí)器T40-T42進(jìn)行噴吹間隔設(shè)定，設(shè)計(jì)接通延時(shí)繼電器，M0.6作為噴吹使能。時(shí)序控制如圖4所示。

圖4 時(shí)序控制圖

3）網(wǎng)絡(luò)14-20為噴吹輸出控制(見圖5），驅(qū)動(dòng)電磁閥動(dòng)作。初始化時(shí)MD10=1，M0.6是周期為t2（噴吹間隔設(shè)定）的脈沖信號(hào)，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到M0.6的上升沿時(shí)，觸發(fā)M0.7由0變?yōu)?，即M0.7的上升沿觸發(fā)賦值指令，將MD10賦值給QD0，對(duì)應(yīng)Q0.0輸出為1，即1#電磁閥動(dòng)作開始噴吹。到達(dá)噴吹設(shè)定時(shí)間t1時(shí)，M0.7斷開為0系統(tǒng)檢測(cè)到M0.7的下降沿，觸發(fā)MD10左移1位，同時(shí)將QD0復(fù)位即1#電磁閥停止噴吹，計(jì)數(shù)器C0自動(dòng)加1。下一個(gè)M0.6的上升沿時(shí)，程序執(zhí)行同上，實(shí)現(xiàn)1#～20#電磁閥依次順序動(dòng)作。直至C0自動(dòng)累加至20時(shí)。MD10重新賦值為1，C0清零，自動(dòng)進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)。

5 改進(jìn)后的效果檢查

通過(guò)跟蹤觀察3#風(fēng)機(jī)空氣過(guò)濾器控制系統(tǒng)改進(jìn)項(xiàng)目實(shí)施后的使用情況，發(fā)現(xiàn)運(yùn)行中未發(fā)生控制器故障。風(fēng)機(jī)過(guò)濾器控制器的穩(wěn)定運(yùn)行，有效保證了氣源清潔，減少濾筒堵塞，延長(zhǎng)風(fēng)機(jī)的檢修周期，大大節(jié)約了故障維護(hù)時(shí)間，保證風(fēng)機(jī)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，穩(wěn)定了高爐生產(chǎn)；同時(shí)操作更人性化，過(guò)濾器狀態(tài)實(shí)時(shí)更新，減少儀表人員的維護(hù)量，間接為公司創(chuàng)造了無(wú)法估計(jì)的經(jīng)濟(jì)效益。

6 結(jié)束語(yǔ)

該文針對(duì)風(fēng)機(jī)空氣過(guò)濾器控制系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定、故障率高的問(wèn)題，提出了進(jìn)行變送器和控制器技改的方案，通過(guò)對(duì)變送器重新選型，設(shè)計(jì)手/自動(dòng)控制方式對(duì)控制回路進(jìn)行優(yōu)化，以及對(duì)S7-200PLC的軟硬件設(shè)計(jì)，成功應(yīng)用于3#風(fēng)機(jī)空氣過(guò)濾器控制，實(shí)際使用效果很好，故障率降為0%，有效地解決了生產(chǎn)實(shí)際問(wèn)題，完成了原定的目標(biāo)。

圖5 噴吹輸出控制圖

改進(jìn)后的控制系統(tǒng)不僅具備原單片機(jī)的所有控制功能，而且可根據(jù)實(shí)際工藝生產(chǎn)要求，對(duì)程序進(jìn)行優(yōu)化，操作更加人性化；提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性和可擴(kuò)展性。接下來(lái)筆者將對(duì)其他風(fēng)機(jī)空氣過(guò)濾器控制系統(tǒng)進(jìn)行技改，鞏固成果。

[1]郭亮，肖冬梅.自潔式空氣過(guò)濾器在離心式壓縮機(jī)上的應(yīng)用[J].南方金屬.2009.12(171)

[2]張蛟龍，張偉，汪旭東.S7-200PLC在水槽溫度控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].測(cè)控自動(dòng)化.2007.23(8)

[3]茹艷軍.PLC控制的自動(dòng)裝車系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子世界.2008.5(163)

Improvement of the Control System for the Air Filter of a Blast Fan

Shi Hongliang,Zhang Juan,Zhou Qi
(Jiangsu Yonggang Group Co.,Ltd.,Zhangjiagang,Jiangsu 215628,China)

Based on the service condition of air filter for blast furnace blower,an relevant improvement program for the air filter control system was established to tackle the problems of operation instability,high malfunction rate and heavy maintenance demand in the control system,to ensure stable operation of the blower filter controller.

blower;filter;control system;stable

TH44

B

1006-6764（2015）05-0055-04

2014-12-20

施洪亮（1970-），男，1993年畢業(yè)于河海大學(xué)電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化專業(yè)，工程師，現(xiàn)從事冶金企業(yè)電氣自動(dòng)化管理工作。