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， 遼寧營口115007）

摘要： 通過分析鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司焦?fàn)t交換機漏交換的故障原因，找到其中存在的共性要素，利用PLC 控制系統(tǒng)對共性要素進(jìn)行實時邏輯監(jiān)控，實現(xiàn)了交換機位置信號異常狀態(tài)判定和漏交換預(yù)警功能，防止了交換機漏交換事故的發(fā)生。

關(guān)鍵詞： 焦?fàn)t；交換機；漏交換；預(yù)警

焦?fàn)t交換機通過改變焦?fàn)t加熱系統(tǒng)氣流流動方向向焦?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。實際生產(chǎn)過程中，交換機經(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。針對交換機漏交換的問題，通過增加日常點檢和設(shè)備檢修頻次等方法，交換機故障率有了一定幅度的下降， 但仍然無法完全避免交換機漏交換事故的發(fā)生。而且由于交換機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)警方法來預(yù)防漏交換事故的發(fā)生。通過分析鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司焦?fàn)t交換機漏交換事故發(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，對可能引發(fā)漏交換事故的關(guān)鍵要素進(jìn)行監(jiān)控， 以實現(xiàn)交換機漏交換預(yù)警功能， 從而預(yù)防交換機漏交換事故的發(fā)生。

1 存在的問題

1.1 交換機漏交換的危害

正常情況下， 焦?fàn)t交換機自動進(jìn)行周期性的交換，每次交換的時間間隔一般設(shè)定為30 min。但在漏交換的狀態(tài)下， 交換機不能進(jìn)行自動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。隨著漏交換時間的延長，漏交換事故產(chǎn)生的危害會逐步加劇。

焦?fàn)t廢氣中的主要污染物為SO₂和NO_x，其排放濃度標(biāo)準(zhǔn)（ 國家標(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)測系統(tǒng)的檢測數(shù)據(jù)，煉焦部焦?fàn)t交換機正常交換情況下，SO₂的排放濃度為20~30 mg/m³。交換機延遲交換30 min 以上，SO₂的排放濃度就會超過80 mg/m³，超過氣體污染物國家排放標(biāo)準(zhǔn)1.5 倍以上， 形成四級以上環(huán)保事故。

1.2 交換機漏交換的原因分析

1.2.1 交換機的工作原理

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

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

高爐煤氣加熱模式下焦?fàn)t煤氣液壓缸始終位于中間點位置，正向交換時高爐煤氣/空廢氣液壓缸由起點經(jīng)過正向230 mm 點（停0.8 s）、中間點（停0.5 s）至終點，如圖3 所示。正向交換過程結(jié)束后，交換機處于待機狀態(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)。

1.2.2 漏交換原因分析

交換機的工作是周期性自動進(jìn)行， 一旦交換機因故障停機而未被及時發(fā)現(xiàn)， 就會影響下次交換，形成漏交換事故。通過對近3 年發(fā)生的漏交換事故進(jìn)行統(tǒng)計并分析， 總結(jié)出交換機漏交換事故原因及頻次如表1 所示。

（1） 液壓截止閥故障

液壓系統(tǒng)截止閥故障會導(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)因必要的限位信號缺失而不能按時交換。例如，液壓缸在等待下次交換的過程中， 因截止閥故障導(dǎo)致液壓缸起點信號缺失， 控制系統(tǒng)就會因不能識別液壓缸的當(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位置，如果此時焦?fàn)t煤氣液壓缸泄壓回退，造成中間點限位信號缺失， 就會導(dǎo)致交換機不再進(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)致必要的限位信號缺失而不能按時交換。

（3） 限位開關(guān)元件故障

限位開關(guān)元件故障時， 會發(fā)生應(yīng)有的位置信號缺失或不應(yīng)有的位置信號出現(xiàn)這兩種情況。例如，液壓缸位于起點而起點限位信號缺失時，控制系統(tǒng)會因不能識別液壓缸位置而不再進(jìn)行下次交換； 液壓缸位于起點而其他位置限位信號同時出現(xiàn)時， 控制系統(tǒng)會認(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， 同樣會造成必要的限位信號缺失，影響下次交換。

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

2 改進(jìn)的措施

針對上述原因，通過增加日常點檢和設(shè)備檢修頻次等方法， 交換機的故障率有了一定幅度的下降， 但仍然無法完全避免交換機漏交換事故的發(fā)生。而且由于交換機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，對所有位置信號異常的邏輯進(jìn)行實時監(jiān)控和故障預(yù)警的改進(jìn)措施。當(dāng)任意一個限位信號發(fā)生異常時，系統(tǒng)能夠在第一時間識別發(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)時間完成手動交換和故障處理。

2.1 限位信號異常狀態(tài)的判定標(biāo)準(zhǔn)

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

2.2 判定及預(yù)警程序設(shè)計

焦?fàn)t交換機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，編程語言為梯形圖語言。

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

3 實施效果

交換機漏交換預(yù)警技術(shù)實施前的近3 年統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，交換機共發(fā)生漏交換事故29 次，累計發(fā)生漏交換43 個周期，單次事故平均漏交換時間約為44 min，對焦?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)實施后， 交換機PLC 控制系統(tǒng)實現(xiàn)了對限位系統(tǒng)信號異常狀態(tài)的實施監(jiān)控和判定功能。當(dāng)系統(tǒng)檢測到限位信號異常狀態(tài)可能影響下次交換時，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)時間， 能夠按時進(jìn)行手動交換和故障處理。大部分可能造成交換機漏交換的情況已經(jīng)通過漏交換預(yù)警得到預(yù)防，小部分無法預(yù)防的情況也可以將交換延遲時間控制在2~3 min 以內(nèi)。而交換延遲2~3 min 對焦?fàn)t生產(chǎn)的影響是可以忽略不計的，從而預(yù)防了交換機漏交換事故的發(fā)生，避免了交換機漏交換對焦?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

鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司焦?fàn)t交換機漏交換預(yù)警技術(shù)的研發(fā)， 是在煉焦技術(shù)和自動控制技術(shù)的學(xué)科交叉領(lǐng)域開展的一次創(chuàng)新實踐。在此過程中，確定了交換機漏交換事故的共性要素，通過對控制系統(tǒng)程序的改進(jìn)，實現(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)防了交換機漏交換事故的發(fā)生。進(jìn)而避免了因交換機漏交換而引發(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。