趙有福  石義偉  李 高  童榮斌

（昆鋼新區自動化部）

摘要:干法除塵是轉爐的關鍵設備，一旦出現問題將造成轉爐停產。通過對煉鋼廠干法除塵控制系統發生的故障進行分析，查找故障原因，針對存在的問題制訂整改措施。對控制系統實施優化改造，實現了新增一臺變頻器對已投運的兩臺風機變頻器完成備用切換，裝置出現故障時可任意切換替代其中的一臺裝置，保障風機設備的連續有效運行，有效降低了故障停機時間。

關鍵詞: 干法除塵；風機；變頻器；控制系統；改造

1  前言

干法除塵系統是轉爐的關鍵設備，一旦出現問題將造成轉爐停產。昆鋼新區煉鋼廠，配置兩座120 t頂底復吹轉爐，每座轉爐均配置煤氣干法凈化及回收除塵系統（簡稱干法除塵）一套，由于新區分公司為“一罐到底”連續作業的生產方式，一旦轉爐停產，煉鐵廠生產的鐵水無法正常冶煉，必然迫使上游煉鐵廠封堵鐵口減產及大量鑄鐵，影響高爐經濟運行。下游棒材廠及型材廠由于煉鋼轉爐停產又造成原料不足無法正常生產，對新區的生產組織影響較大。2013年5月由于干法除塵系統電機故障，造成2^#轉爐停產達118.5小時，嚴重影響新區的生產組織工作。所以對干法除塵控制系統進行分析找準問題實施優化改造勢在必行。

2  干法除塵控制系統故障分析

2.1  干法除塵控制系統概述

在轉爐煉鋼過程中，氧氣和碳之間反應產生含有高濃度CO的高溫廢氣，俗稱荒煤氣，是一種含塵氣體。轉爐煤氣干法凈化及回收除塵系統是對轉爐荒煤氣進行處理，利用引風機把荒煤氣送到冷卻及凈化回收系統，通過對荒煤氣的冷卻及凈化，回收含有CO的氣體，實現負能煉鋼。同時，生產時必須同步啟用除塵系統，否則生產過程中產生的煤氣大量聚集，極易引發中毒、爆炸等安全事故。轉爐干法除塵控制系統由除塵主工藝線控制系統、煙氣放散點火燃燒裝置控制系統及煙氣成分分析控制系統三部分組成。除塵主工藝線控制系統由PLC主站、引風機變頻器、現場的I/O遠程站及操作室HMI操作站、電氣室工程師站等設備組成。

2.2  故障分析

根據對新區煉鋼控制系統投產兩年以來的故障情況進行分析，發現除塵系統占轉爐故障的50%，除塵風機故障又占到除塵系統故障的50%，分析故障原因如下：

1）變頻器過電流、過載、電機過溫等故障，主要原因是機械卡阻或風機電機故障，如電機匝間短路或電機接地（可修理，更換電機需要20小時）。

2）變頻器報故障F07902（矢量控制模式下，系統辨識電機處于停轉的時間超過了設定值）。這類故障主要原因是與變頻器連接的編碼器故障，如線路短路、開路、編碼器松動或編碼器損壞（可修理，處理時間4小時）。

3）變頻器故障，如通訊故障、DRIVE-CLiQ通訊錯誤等，主要原因是通訊電纜短路、開路或接觸不良（可修理，處理時間3小時）。

4）變頻器存在一個主要風險是投產以來處于無備件狀態，一旦功率單元出現問題，通常采用更換備件來排除故障，處理時間將遠遠大于以上處理故障的時間。經過與西門子公司技術人員咨詢，G150型變頻器具有獨特性，為整體成套設備，不提供單件設備備件。根據存在的制約因素，綜合分析，我們需要對干法除塵風機控制系統的獨特性和重要性重新進行評估，解決備件不完善帶來的較大風險。

2.3  優化思路

在進行主要故障分析的基礎上，針對易出現故障的環節，電機及編碼器均已準備備件，但最關鍵的設備變頻器無備件，一旦出現大的問題將非常被動。通過調查分析，目前現場已應用兩臺西門子6SL3710-2GH41-4AA3 型G150變頻傳動柜，額定電壓690V，額定電流1 360 A，額定功率為1 350 kW，兩臺變頻器各由一臺整流變壓器提供電能，變頻裝置具備12脈沖整流功能，每臺變頻器各驅動一臺電機，型號為3-MOT．1LA4 454-4AM90-Z，額定電壓690 V，額定電流1000 A、額定功率1020 kW，額定頻率77.5 Hz，額定轉速2318轉/分，為西門子雙繞組變頻調速電機。每臺變頻器控制一臺引風機各對應一座轉爐使用。

優化改造通過增加一套西門子6SL3710-2GH41-4AA3 型G150變頻傳動柜、一套雙路電源切換柜、一臺整流變壓器及相應控制系統作為對已投運的兩臺G150型變頻傳動柜的備用柜，并建立兩套轉爐干法除塵S7-400型PLC系統之間的S7通訊，實現PLC之間的數據交換，通過控制程序的修改優化，實現備用變頻器切換控制，當其中任何一臺變頻器出現問題時可以立即啟用備用柜，從而減少故障停機時間，保障引風機連續有效安全運行。改造后系統配置情況如圖1所示。

圖 1  改造后系統配置情況

3  優化改造實施

3.1  針對故障部分采取的措施

根據發生的故障，采取了以下措施來減少故障的發生或降低故障可能帶來的風險。

1）針對電機故障，我們通過定期檢查、保養電機來減少故障，并準備一臺備用電機來降低故障帶來的風險。

2）針對編碼器故障，我們通過定期檢修，檢查維護編碼器線路，對編碼器安裝緊固情況進行檢查來減少故障發生，并準備了一臺編碼器備件。

3）是針對所發生的變頻器故障，通過檢查緊固通訊電纜，更換DRIVE-CLiQ通訊電纜等來解決故障。

3.2  新增部分的實施

3.2.1 新增G150變頻傳動裝置

現場已應用兩臺G150變頻器，改造中新增一套西門子6SL3710-2GH41-4AA3 型G150變頻傳動裝置。備用變頻器輸出到電源切換柜，通過雙路電源切換開關選擇驅動一臺雙繞組電機。

啟動方式為風機完全停機后再啟動或風機未完全停機的捕捉再啟動。捕捉再啟動的設置在“Functions”菜單下，“Flying-restart”下拉列表中選擇“^[1] Flying restart always active(start in set point direction)”選項，使用自動捕捉再啟動方式在設定值方向啟動系統。該功能允許將變頻器連接到正在旋轉的電機。

捕捉再啟動功能是在變頻器啟動時，先檢測電機的旋轉方向和速度，然后變頻器根據檢測結果輸出一個與電機轉速和方向匹配的頻率啟動電機，檢測后再調整，通過快速改變變頻器的輸出頻率，直至與電機實際速度同步，從而將變頻器接到仍在旋轉的電機上，隨后電機采用上升斜坡時間運行至設定值^[1]。在電機可能仍在旋轉（例如瞬時斷電、變頻器故障）或者可能由負載驅動的情況下必須使用捕捉再啟動功能。因為啟動電機時磁通必須預先建立并相應設置電機速度的開環/閉環控制，不使用捕捉再啟動功能會導致過電流故障跳閘，或者由于負載過電壓、過電流、機械沖擊過大而損壞設備。

3.2.2 新增電源切換柜

輸出電源切換柜主要由兩臺雙路電源切換開關和控制電路組成。雙路電源開關具備機械聯鎖功能，每臺風機電機只能在原有的變頻器和備用變頻器之間選擇一臺作為驅動電源。電源切換柜轉換開關共有三個選擇檔位，當轉換開關選擇位置1時，設置為“M1正常供電”，此時選擇原來的風機變頻器供電。當轉換開關選擇位置2時，設置為“M1電源斷開”，電源切換開關轉到中間位置，此時沒有選擇變頻器供電。當轉換開關選擇位置3時，設置為“M1備用供電”，電源切換開關備用電源供電位置接通，此時選擇備用變頻器供電。兩臺風機之間的備用供電開關位置通過繼電器設置電氣聯鎖，備用變頻器只能選擇為其中一臺除塵風機供電。電源切換開關的位置狀態接入到PLC進行判斷和處理。

3.3  控制程序修改優化

3.3.1 硬件組態

首先對新增的備用變頻器進行硬件組態，設置為3^#變頻器，組態到1^#除塵S7-400PLC中，如圖2所示。需要轉換為替換2^#除塵風機變頻器時，2^#除塵PLC通過與1^#除塵PLC通訊來控制3^#變頻器。

圖 2  3^#變頻器進行硬件組態

3.3.2 建立PLC之間的S7通訊

通過建立兩套轉爐干法除塵S7-400型PLC系統之間的S7通訊，實現PLC之間的數據交換，用于切換開關位置判斷，根據需要實現兩套PLC系統對3^#變頻器的控制，并把3^#變頻器的運行狀態反饋到兩套PLC系統。S7 通訊（S7-communication）主要用于S7-400/400、S7-400/300 PLC之間的通訊，是S7 系列PLC 基于 MPI、PROFIBUS 和工業以太網的一種優化的通訊協議^[2]。

3.3.3 控制功能修改完善

當其中一臺風機變頻器故障停機后，故障信號傳送到PLC。維護人員確認是變頻器故障后，在傳動室現場切換備用變頻器切換開關后，由操作工在人機界面上選擇啟用備用變頻器，PLC經過對主變頻器狀態、備用變頻器狀態及切換柜位置信號判斷無誤后，通過操作畫面選擇和操作，啟動備用變頻器運行。

1）電源切換開關選擇判斷

（1）當1^#變頻器電源切換開關置于“M1正常供電” 位置，并且沒有選擇使用3^#變頻器控制1^#除塵風機電機時，選擇使用1^#變頻器控制1^#除塵風機電機。

（2）當1^#變頻器電源切換開關置于“M1備用供電” 位置，并且沒有選擇使用1^#變頻器控制1^#電機和3^#變頻器控制2^#除塵風機電機時，選擇使用3^#變頻器控制1^#除塵風機電機。

（3）當2^#變頻器電源切換開關置于“M2正常供電” 位置，并且沒有選擇使用3^#變頻器控制2^#除塵風機電機時，選擇使用2^#變頻器控制2^#除塵風機電機。

（4）當2^#變頻器電源切換開關置于“M2備用供電” 位置，并且沒有選擇使用2^#變頻器控制2^#電機和3^#變頻器控制1^#除塵風機電機時，選擇使用3^#變頻器控制2^#除塵風機電機。

2）操作畫面選擇

當在傳動柜現場電源切換開關轉換后，還需要操作人員在操作畫面上選擇確認相應的變頻器。現場切換開關切換后，開關位置信號傳送到控制程序，并在操作畫面上顯示現場選擇的是哪一臺變頻器，然后由操作人員通過畫面上的轉換開關選擇確認。操作畫面選擇后，在控制程序中進行相應修改，當電源切換開關位置正確、變頻器無故障并且變頻器準備好后，允許操作人員進行合閘操作。

3）變頻器控制程序修改

改造后，可以使用1^#變頻器或新增的3^#變頻器控制1^#除塵風機。當選擇為1^#變頻器控制1^#電機時，1^#變頻器地址為“W^#16^#2B0”，1^#除塵系統控制程序把控制字及速度設定傳送給1^#變頻器，同時把1^#變頻器的狀態字讀取到控制程序進行控制、計算，并傳送到操作畫面上顯示。控制程序如圖3所示。

圖 3  1^#變頻器控制1^#電機控制程序

當選擇為3^#變頻器控制1^#電機時，3^#變頻器地址為“W^#16^#2CC”，1^#除塵系統控制程序把控制字及速度設定傳送給3^#變頻器，同時把3#變頻器的狀態字讀取到控制程序進行控制、計算，并傳送到操作畫面上顯示。

改造后，也可以使用原2^#變頻器或新增的3^#變頻器控制2^#除塵風機，2^#除塵風機控制流程圖如圖4所示。

圖 4  2^#除塵風機控制流程圖

當選擇為2^#變頻器控制2^#電機時，2^#變頻器地址為“W^#16^#2B0”，2^#除塵系統PLC把控制字及速度設定傳送給2^#變頻器，同時把2^#變頻器的狀態字讀取到控制程序進行控制、計算，并傳送到操作畫面上顯示。

當選擇為3^#變頻器控制2^#電機時，3^#變頻器地址為“W^#16^#2CC”，2^#除塵系統PLC把控制字及速度設定通過通訊傳送到1^#除塵系統PLC，再通過1^#除塵系統PLC把控制字及速度設定傳送給3^#變頻器，同時1^#除塵系統PLC把3^#變頻器的狀態字讀取到控制程序，再通過通訊發送給2^#除塵系統PLC進行控制、計算，并傳送到操作畫面上顯示。

4  實施效果

4.1  優化改造后達到的效果

通過以上改造，實現了新增3#變頻器對已投運的1^#、2^#變頻器的備用切換，當其中任何一臺變頻器出現問題時可以立即啟用備用變頻器，減少故障停機時間。

4.2  經濟效益分析

若該設備發生故障，造成轉爐不能正常煉鋼，煤氣不能正常回收，修復該故障至少需要1天。因轉爐不能運行造成的煤氣回收損失，鐵水鑄鐵損耗，上游煉鐵、燒結減產損失，下游棒材、型材影響生產等綜合損失為550元/噸，每爐容量150噸，每天平均煉鋼15爐，避免一次故障的效益為150噸×15爐×550元＝123.75萬元。

5  結語

干法除塵控制系統優化改造后，通過增加一套變頻傳動裝置、一套雙路電源切換柜以及對相應控制系統進行優化改造，實現變頻裝置在線切換和兩套轉爐干法除塵系統之間的通訊控制功能，新增一臺變頻器對已投運的兩臺G150變頻器完成備用切換。對維護和操作人員進行培訓，熟練掌握備用裝置的切換流程，定期進行備用裝置切換操作，對轉為備用的裝置進行檢修，保證備用設備處于正常待機狀態。工作中加強對設備的點巡檢，發現隱患后不等到變頻器故障停機，合理利用轉爐吹煉的間隙時間，維護人員到達現場，與操作人員聯系好后快速切換，避免故障擴大或生產過程中故障停機影響生產，保障風機設備的連續有效運行，有效降低了故障停機時間。由于干法除塵系統與轉爐冶煉工藝及操作之間聯系密切、相輔相成、互為保證，因此還需要除塵系統與轉爐有機結合，進一步優化工藝參數，規范操作流程，提高設備管理水平，保證系統穩定順行，充分發揮干法除塵系統環保、節能、降耗的優勢，降低生產成本。

參考文獻

[1]  SINAMICS G150變頻調速柜使用說明書[M]. Germany: Siemens Electrical Drives Ltd,2005.

[2]  廖常初. S7-300/400 PLC應用技術[M] .北京:機械工業出版社,2012.