TRT发电机组旁通快开阀控制改进

许崇江 卜少杰

作者通联：日照钢铁有限公司能源管控中心检修车间 山东日照市沿海路600号 276806

E-mail：xuchongjiang@rizhaosteel.com

TRT发电机组（以下简称TRT）是炼铁高炉煤气余压透平发电装置，利用高炉冶炼的副产品——高炉炉顶煤气具有的压力能及热能，使煤气通过透平膨胀机做功，将其转化为机械能，驱动发电机或其他装置发电的一种二次能源回收装置。旁通快开阀（以下简称快开阀）是TRT重要的自控设备，一旦故障对生产影响较大。

一、TRT快开阀系统

1.工作原理

日照钢铁有限公司目前有16座高炉，配套16台TRT，每台TRT有2个液压伺服驱动的快开阀。TRT正常运行时，快开阀处于关闭状态，并能够辅助控制高炉顶压。当机组发生重故障停机时，PLC发出停机指令，快速切断阀立刻切断进入透平机的煤气。快开阀根据停机前进入透平机的煤气量打开一定角度泄压，确保高炉顶压在设定值。重故障信号同时传到高炉的PLC，按照高炉控制程序高炉减压阀组参与顶压调节，TRT操作人员关闭入口电动蝶阀，高炉顶压逐渐转入高炉控制，停机过程结束。

快开阀系统工作原理见图1，伺服控制器将接收的主控室PLC发出的阀门开度指令信号（4～20mA）和快开阀传感器反馈的实际位置信号进行转换、比较后，经过一定控制运算，产生一个驱动电液伺服阀SV的电流信号。在SV控制下，动力油作用于伺服油缸SM，SM带动快开阀达到预期位置，实现阀门位置调节。伺服控制器输出一路4～20mA信号到控制室指示快开阀的实际位置。

2.存在的问题

快开阀近年多次发生误开事故，原因多为快开阀位移传感器故障（平均使用寿命仅在1年左右）。进一步分析主要原因是快开阀控制系统存在缺陷，没有保护功能，伺服控制器未能判断位移传感器故障后输入的异常信号。当TRT正常运行时，PLC输出指令0%给伺服控制器，伺服控制器输出开度指令也为0%，快开阀反馈信号也在正常范围。一旦位移传感器发生故障，快开阀反馈信号有可能变为负值，伺服控制器内部会将给定指令信号与快开阀反馈信号进行比较，若反馈信号小于指令信号，伺服控制器则会发出开阀指令，以保持指令与反馈的平衡，此时快开阀打开，导致高炉顶压泄压。

图1 快开阀系统工作原理

二、快开阀系统改造

1.改造方案

咨询伺服控制器厂家，得知伺服控制器对于传感器的反馈信号故障无法实现智能判断，更无法实现保护。经过调研，SMATIC S7-400 PLC配套STEP7 V5.4版编程软件和WINCC 6.0（SP3）版监控软件，可完全满足和替代现场伺服控制器的控制功能。为此决定取消伺服控制器，利用PLC STEP7中的PID功能块实现快开阀反馈信号的采集、比较以及控制信号的输出（图2）。

2.程序设计

（1）快开阀传感器故障信号判断程序（图3）。①利用CMP＞R比较模块，将快开阀反馈信号与标准信号（1%）进行比较，只有快开阀反馈信号（变量R1M5C2）＞1%时，程序判断快开阀反馈信号在正常范围。快开阀反馈信号作为有效信号，赋值给MD528。②当快开阀反馈信号≤1%时（允许反馈误差在1%以内），MOVE赋值功能块将快开阀反馈信号（MD528）置为0%。③当快开阀反馈信号＜0%时，比较功能块直接输出一个开关量报警，此时也符合②所述条件，MOVE赋值功能块将快开阀反馈信号（MD528）置为0%，避免快开阀误动作。同时在WINCC画面上显示“旁通快开阀反馈信号故障”报警，提醒运行人员及时联系有关技术人员检修。当位移传感器反馈信号恢复到正常值时，报警信号自动消失。

图3中Network10含义：快开阀反馈（变量R1M2C5）≤1%时，将0%赋值给MD528（PLC程序内部变量，作为下文PID模块的“PV-IN过程变量输入”）；Network11含义：快开阀反馈（变量R1M2C5）≤0%时，将变量M24.1置位为“1”，激活变量“旁通阀反馈信号报警”。

图2 改造后快开阀系统工作原理

图3 输入信号判断程序

（2）快开阀 PID功能块（图4）。功能块输入参数设置见表1，其中采用临界比例法调试PID参数：①先切除PID控制器中的积分和微分作用，取比例增益Kc较小值，并投入闭环运行；②使Kc由小到大变化，对应于某一Kc值作小幅度的设定值阶跃响应，直至产生等幅振荡；③设等幅振荡周期为Tcr（50s）、控制器增益Kcr（0.5），再根据控制器类型选择PID参数。经反复试验最终确定关键参数为 GAIN=0.5、TI=50s、LMN_HLM=60%、LMN_LLM =45%，未投入TD。

表1

图4 PID功能图

3.WINCC组态

（1）WINCC通信组态方式。该系统改造是一个基于PRO-FIBUS现场总线的分布控制系统，上位机人机界面软件运行在WIN-2000环境下。利用WINCC6.0组态软件提供的驱动程序，通过计算机自带的网络接口与下位S7-400PLC进行数据通信、数据采集和发送数据/指令。

图5 具有报警功能的界面

（2）控制报警画面组态。①在变量列表内增加“旁通阀反馈信号丢失”变量，选择变量类型为二进制变量，地址为M24.1。②在主画面快开阀附近处，增加“旁通阀反馈信号丢失报警”文本，点击文本属性→显示→选择变量“旁通阀反馈信号丢失报警”。③保存组态画面，点击运行按钮，反馈信号丢失报警组态完成。图5界面显示7#TRT报出“旁通A阀反馈信号故障”，而阀门没有误动作。

4.传感器改进

选用质量较好的西安康宇磁致位移传感器，加强现场防雨、防尘、防腐蚀等措施，确保设备处于良好工作环境。利用WINCC曲线记录功能加强查阅快开阀反馈信号曲线记录，一旦发现曲线异常或有毛刺，则进行专门检查处理。形成定期更换机制。

三、改造效果

TRT快开阀控制系统改造投用后，曾出现两次现场位移传感器故障，PLC画面均及时准确发出“旁通快开阀反馈信号故障”报警信息，PLC未发出开阀指令，现场快开阀实际没有动作。工艺人员发现报警后及时联系仪控人员采用退出动力油路，将快开阀隔离的方法在线更换位移传感器，没有影响高炉顶压，确保了TRT和高炉的安全稳定运行。此次改造充分开发和利用PLC系统自带功能，减少了伺服控制器备件费用（每个伺服控制器约为8万元），在同类机组中具有良好的推广价值。

1 李方圆.西门子S7系列PLC电气控制精解.北京：化学工业出版社，2010.6