熱風爐氣體流量調節執行器控制改造

供稿| 余瓊/YU Qiong

熱風爐氣體流量調節執行器控制改造

Improvement for Gas Flow Regulating Actuator of Hot Blast Furnace

供稿| 余瓊/YU Qiong

內 容 導 讀

熱風爐系統是高爐煉鐵系統的主要組成部分，對于高爐煉鐵生產具有主要意義。它大幅度降低焦比，顯著提高高爐的產量，風溫的提高促進了噴吹燃料代替昂貴的焦炭，取得明顯的經濟效益，高爐熱風爐使用高爐生產自身產生的副產品高爐煤氣作為燃料，使高爐成為熱效率最高的冶金設備，不僅降低了煉鐵的生產成本，還避免了煤氣的對空直接放散，保護了環境。熱風爐爐況好壞直接影響到高爐的生產，在整個熱風爐系統中，燒爐過程是非常重要的環節，而且燒爐的空氣、煤氣用量調節直接影響熱風爐燒爐爐況。對于煤氣、空氣的調節執行機構—執行器的控制就直接決定了熱風爐的燃燒。該廠每座高爐配備有四座熱風爐，每座熱風爐有煤氣支管調節閥兩臺，空氣支管調節閥兩臺，加上助燃風調節閥兩臺、煤氣總管調節閥一臺及混風調節閥一臺，單爐共有3610執行器調節閥20臺，6座高爐熱風爐總計安裝使用3610型執行器調節閥120臺。

在生產期間，3160執行器調節閥控制模塊經常性損壞，經常造成高爐減風或休風，嚴重影響了高爐生產的順利進行，備件運行成本大大增加，成本完成壓力大，在這種情況下，廠立項進行3610執行器進行改造。

3610 型執行器的組成

3610型執行器由控制器、傳動機構、開度檢測機構、連接機構、手動機構組成。

另外，在執行器控制器上設置有輸入信號和電源指示燈，有執行器靈敏度、行程和零位調節電位器，有6個狀態選擇開關，有輸入、輸出信號接線端子和工作電源接線端子。

3610 型執行器工作原理

3610系列電子式電動執行器是以220V單相交流為驅動電源，接收來自計算機、調節器的DC4～20mA或DC1～5V輸入信號來工作的全電子式電動執行機構。電子控制單元采用集成電路制作，被設計成匣子形式，并用樹脂澆鑄固化，稱為控制器，本身具有伺服功能。控制原理如圖1。

電機的旋轉通過驅動動皮帶輪，同步皮帶輪傳給動被皮帶輪，再通過蝸桿及渦輪變換輸出軸的90°或者其他度數的旋轉（角行程閥桿動作），用固定在輸出軸上部的反饋軸檢測輸出，通過正齒輪傳給精密電位器。精密電位器的動作變為電氣信號，作為開度信號反饋給控制部分，其結果使得來自調節器的信號和開度信號之間的偏差被減小。當偏差消除在允許范圍內時，控制部分令電機停止。

圖1 執行器控制原理圖

實際應用及存在問題

在原設計中，利用該執行器原有的性能和結構特點，自動化控制程序是采用PID調節。受控方式如圖2。

手動時，在熱風爐調節畫面中選擇手動，由熱風爐調節閥位數值百分比（圖紅色棒條），該數值直接被PLC系統采集并經控制程序運算，再由施耐德AC0-130-00模板輸出DC4～20mA控制信號到安裝于現場3610執行器的控制器，控制器將執行器電機一翻板置信號與控制信號相比較，最后輸出正反轉電壓控制電機的正反轉，經減速齒帶動輸出軸輸出角位移（0～90度），從而帶動翻板做開關翻轉。同時固定在輸出軸上的反饋軸帶動精密電位器，變換成電信號，反饋給控制器，直到反饋電流等于PLC給定電流翻板開度達到給定要求。同時，閥位信號由控制器反饋給PLC，系統轉換顯示于畫面閥位百分比（圖綠色棒條），方便崗位監控。

自動時，通過支管的控制畫面“設定值（需要流量）”和“實際值（實際流量）”做比較，通過程序中的比例（調節的幅度）和積分（調節反映時間）調節器，當“設定值（需要流量）”大于“實際值（實際流量）”時，執行器的開度給定自動增加，執行器正向工作，此時翻板開始正向動作，相應的閥位反饋信號給到控制程序中的數值也隨著遞增，流量增加。當“設定值（需要流量）”小于“實際值（實際流量）”時，執行器的開度給定自動減少，執行器反向工作，此時翻板開始反向動作，相應的閥位反饋信號給到控制程序中的數值也隨著減小，流量減小。工作到當“設定值（需要流量）”等于“實際值（實際流量）”時，執行器的開度給定停止增減，執行器停止工作，達到調節空氣或煤氣流量調節的目的。

圖2 操作圖

但是，在實際生產應用過程中，經常出現閥位反饋信號長時間沒有和輸出端的輸出值近乎相等，執行器控制模板一直給這電機正反轉，時間過長溫度過高，燒壞執行器控制模塊，這樣一方面影響了煉鐵生產的順利進行，另一方面，由于執行器的控制模塊價格高，大大增加了生產成本。而且，由于從PLC傳送給執行器控制模塊的4～20 mA的模擬量控制信號是通過同時長距離電纜傳輸，傳輸過程中存在模擬信號被干擾現象，使得執行器存在誤動作和控制精度不高等現象。

3610型執行器的控制器為進口器件，價格昂貴，匣子式樹脂澆鑄固化的控制器，損壞后無法修復，無器件可替代。

改造方案的確定

不改變原控制方式，將3610型執行器的控制模塊用導線接至執行器殼體外部，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行器，但沒有從根本上解決執行器應用中存在的問題，不能采用。

在原控制方式基礎上采用二次控制。該方案實施須在現場增加控制箱，再在控制箱與執行器間連線。方案中采用了繼電器控制電機的正反轉，增大了控制器的負載能力。但方案中仍依賴控制模塊輸出正反轉電壓，一旦控制模塊損壞，仍是不能徹底解決問題。經過安裝實踐證明，控制器損壞依舊，改造不成功。

利用熱風爐原PLC系統，將執行器的控制功能在PLC內完成，使PLC輸出數字量信號控制電機正反轉繼電器，替代控制器輸出正反轉控制信號控制電機正反轉接觸器。同時改造執行器的位置反饋檢測元件，精密電位器位置反饋信號直接傳送到PLC。同時設計、制造和安裝執行器電機正反轉控制繼電器硬件，利用原來的線路改造3610執行器的硬件控制線路。這樣3610執行器的控制模塊就可取消，徹底解決執行器控制模塊損壞影響生產和增加成本的問題。

改造實施

2005年10月下旬，經過對執行器的結構特點、工作原理的反復分析，制定出詳細的改造方案，這一改造方案開始實施。控制過程為：熱風爐監視畫面操作→PLC運算→DD035300模板輸出→繼電器→執行器電機→翻板。

通過對執行器內部接線方式進行局部改造，采取了用施耐德DD0-353-00數字量模板輸出，直接控制電機正反轉工作命令，取消PLC發送給3610控制執行器工作的4～20mA的模擬量控制信號，同時改造執行器的開度檢測結構，將24V直流電源直接加載在開度檢測裝置可變電阻上，產生的電流信號反饋給PLC，以便PLC確定執行器的開度。為防止可變電阻值為0 Ω，造成燒壞直流電源，我們在可變電阻出串聯1 KΩ電阻。同時測定執行器開度為0度時的電流值I0和開度為90度時的電流值I90，對PLC控制程序進行了部分修改，原有PID控制程序不變，只采用輸出端的數值和閥位反饋值做比較：當輸出端的數值大于閥位反饋值時給出電機的正轉命令，翻板正轉動作；當輸出端的數值小于閥位反饋數值時給出電機的反轉命令，翻板反向動作；當輸出端的數值減閥位反饋數值在“+5～-5”區間內，控制電機正反的信號輸出為“0”，翻板不動作。同時，利用實際調試過程中測得的0度時的電流值I0和開度為90度時的電流值I90，修改HMI控制畫面的腳本程序，確保HMI控制程序和PLC控制程序一致。按照測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臺爐PLC系統需要增加兩塊32點的DDO-35300模板，分別用它上面的兩個輸出點控制繼電器的吸合、分斷，再用繼電器控制電機的正反轉。單個執行器需制造一個4位繼電器組成的控制繼電器組，四座熱風爐需制作20個繼電器組。

結束語

這樣單座高爐配套的4座熱風爐3610執行器的改造成本約為1萬元，所有執行器的改造成本為6萬元左右。改造前每月執行器模塊的損壞量約為20塊，需費用10萬元左右，這樣年節約成本約120萬元。

改造首先在13號高爐的1號熱風爐進行，改造運行1月后，通過與生產的合理協調，利用3個月的時間，在沒有影響生產的情況下將6座高爐的120臺3610執行器均進行了改造。通過程序修改、現場布線、應用，3610執行器因控制模塊損壞而造成高爐減風或休風的事故得到徹底避免。

文章介紹某煉鐵廠高爐配套熱風爐空氣和煤氣流量調節執行器的基本結構和工作原理，以及該執行器原有用法在實際生產中存在的不足。通過對執行器故障原因的分析，確定并實施解決方案，通過對執行器內部硬件接線和PLC控制程序的局部改造，解決執行器在使用過程中存在的問題，對執行器的合理利用，提高高爐作業率，增加了設備使用壽命，降低了設備故障時間和維護成本，解決了執行器實際應用的不足。

余瓊（1977-），男，安徽潛山人，高級工程師，主要從事高爐、軋鋼及冷軋項目電氣傳動和自動化控制系統的應用和維護工作。