基于模糊控制的高炉止回阀逆流保护系统

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摘募为解决高炉轴流风机风道内由于止回阀打开不充分而造成的能耗问题，本文设计了高炉止回阀
逆流保护系统，该系统采用模糊控制器作为主控制器，PLC作为副控制器．3相交流电动机和
! ?5 t/ u, g$ J) H直流电磁铁作为动力。同时，为避免常规控制方式存在的计算周期长，反应速度慢等特点，本
) B% E/ I3 e7 E& Q+ i" u5 f* w系统中采用模糊控制算法，有效地实现了止回阀开度的自动调节，使止回阀开度及时跟随风道
! q% j% m$ J0 P中气流的变化，提高了风机的效率，降低了能耗。
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9 @9 N0 \$ K9 q  W4 z& h0引言
蝶式缓冲止回阀是常用的高炉轴流风机系统的
断流装置，具有逆流保护的功能，止回阀的工作原
. x# i; ~6 c0 s3 k' _6 \1 _% u* [理是：利用风机的出口气流推开阀门，使气流通过，
# p" g/ X! F6 y1 [' [0 T9 K当高炉端出现异常情况时，风道气流受阻，压力升
* S& Q' }; J1 }9 Z2 i, M# I高，阀门两侧压力减少，阀门自然关闭，阻止气流
; h$ _* Q# @0 b2 M$ r+ Z5 a的回灌，以达到保护轴流风机的作用。然而，止回
7 ~# I% o" O6 \" \8 L# L8 @阀的开启和维持完全依靠风机风压，必然会在止回
阀位置处造成很大的风阻，导致能量的损失。针对
这种情况，本文设计了高炉止回阀逆流保护系统，
" o6 q7 c3 V7 \# H8 o  v$ H5 ~使止回阀在正常情况下，通过外力作用，使阀门开
! X1 W; U: u+ ?0 V- B* {1 k度达到最大值，以减少风阻，提高风机的效率；在
- Q" \; ?2 n' O9 r/ g. {7 N% i1 _* T. b异常情况下，又能及时关闭止回阀，起保护轴流风
& ^8 P! f1 I% C" k* e机的作用。但由于常规控制方式，存在计算耗费周
0 k- [) H9 O& X& B* P& [2 \期长，反映速度慢等特点，采用常规控制方式易导
致止回阀的控制不能及时跟随风道中的气流变化，
2 P! F# h6 U& F7 n严重的情况会使止回阀失去保护作用。近年来，模
糊控制技术在国内外越来越受到人们的重视，因为
模糊控制不依赖于对象的精确数学模型，易于对不
5 s7 K$ j0 x9 |, Z0 t( Q3 z+ J, C. u2 v确定的非线性系统进行控制，且抗干扰能力强，反
) ^( u/ [, u9 g& g, }应速度快，具有较强的鲁棒性，在复杂的工业控制
领域应用广泛，本文利用模糊控制技术很好地解决
了止回阀的控制问题。
1系统总体方案设计
+ D. e8 I" S9 F/ J/ J逆流保护系统是对高炉送风管道中原有的蝶式
7 d* C2 Q- ?, k' D2 z. c% F缓冲止回阀进行控制，包含阀门位置的提升、维持
3 h' F9 V; M: R及释放3个过程。在提升阶段，采用直流电磁铁提
升阀门，由于仅有电磁铁承受阀门的重力，需用具
有较大的吸合力的电磁铁，在阀门到达预定位置时，
进入维持阶段，阀门的重力与风压和电磁铁的吸合
, Q/ B" K% O5 J) W) x力相平衡，宜采用具有较小吸合力的电磁铁，当风
' L3 y& O7 o  l6 J6 N) ~量波动时，势必会使止回阀晃动，甚至会使阀门跌
4 A$ }) }5 C7 r& F落，使保护系统失去作用，故需根据现场流量，及
# f9 U/ n: m" g% F5 n时调整直流电磁铁的吸合力，使阀门开度始终维持
  a$ P$ j$ U, f* a
在最大开度，当高炉端出现异常情况时，风道内风
量超出警戒，系统应及时调整电磁铁的吸力，释放止
+ P! c* T6 u1 A8 b  [6 {5 ~, {回阀，使其回复自由状态，达到保护轴流风机的作用。
系统具有现场控制和远程监控功能，并且使用
0 p4 k- f; x( @3 W流量传感器进行流量检测，实现流量过小或者逆流
+ B- N% e2 T' {' m2 t8 X  G时报警。保护系统只对阀门控制，不参与送风系统
8 ]8 B( [1 [4 R" n. e6 O$ v- N其他方面的控制，保证在系统电控部分失效的情况
* k( |3 t8 O( P5 S! X下，止回阀能回复到自由工作状态，防止逆流对风
: G: Z& \0 d8 B7 T机造成伤害。现场控制部分的作用，是在现场完成
对阀门的手动控制，而远程监控系统采用图形编程
语言LabVIEW进行编程，通过现场总线与现场控制
系统进行通信，能以可视数据的形式实时显示现场
* a; y: L/ z& b2 j& A' p  R! G的状况和控制系统本身的状态，方便操作人员进行
远程系统监视和控制，系统总体框图见图1。
2阀门控制方案的设计
系统中采用两套不同的直流电磁铁实现阀门的
位置提升和维持过程，在风道流量正常时，三相交
流异步电动机通过滚珠丝杆螺帽副，带动提升电磁
铁把阀门从提升位置提高到系统设定的开度位置，
1 b$ W* V2 P$ w, H- P8 g( k$ K; c( Z: M1 Y然后由电压可调的维持电磁铁对阀门进行维持；当
风道流量小于设定值或者系统要求释放阀门时，阀
4 ?. _9 v$ B) F% H) [门都可以被释放，回复到自由的工作状态，实现逆
流保护。
其中提升电磁铁能够可靠地实现阀门的提升，
而维持电磁铁则是励磁电压无级可调，有利于在线
调整；同时在送风管道中安装压差式流量传感器进
, X+ s! ]7 G, S1 H3 |* C- r行管道流量检测，在风道流量发生波动时，及时地
调整维持电磁铁的吸合力，在此过程中，本系统采
用模糊控制算法，有效地实现了阀门开度的维持和
调整，降低系统中能量损失，提高能量的利用率。
$ |* |( h1 n, s3 h保护系统采用西门子公司的S7—200系列的
/ g4 N/ ^- S- J: O7 BCPU224作为电源控制模块，PLC主要完成电动机
的正反转控制、两个直流电磁铁的通断电控制以及、、
: A+ g$ w3 r8 U! s: b: @' V: L与模糊控制器通信等工作，并采用位置传感器实现
直流电磁铁和阀门位置检测。模糊控制器主要完成
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逆流保护系统可以用蝶式缓冲止回阀进行控制