高爐鼓風機冗余自動控制系統(tǒng)研究與應用

1、高爐鼓風機冗余自動控制系統(tǒng)研究與應用徐 永 強（唐山首信自動化信息技術有限公司 京唐運行事業(yè)部，唐山 063000）摘要：介紹了首鋼京唐煉鐵軸流風機的控制系統(tǒng)實施方案，以及實施過程中的一些改進和完善，該系統(tǒng)實現(xiàn)了對風機的高可靠性冗余控制，控制系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，達到了預期效果，保證了高爐的順產(chǎn)達產(chǎn)達效。關鍵詞：可靠性；冗余；控制系統(tǒng)Research and application of automatic control system of blast furnace blower redundancyXu Yong Qiang(Jingtang Maintenance Department,

2、Tangshan ShouGang Automation & Information Technology Co.,Ltd.,Tangshan 063000)Abstract: Introduction the axial flow blower control system implementation plan and implementation process some improving and perfecting of Shougang Jingtang steel& iron group iron makingthe system achieved high reliabili

3、ty of blower redundant control，the control system operation is stable and reliable，and reach the expected results to ensure the smooth the blast fumace.Key words: reliability；redundancy；control system 0 前言 軸流風機是大型高爐的關鍵設備，要保證向高爐提供足夠的空氣，以保證焦炭的燃燒。能否穩(wěn)定運行取決于自動控制系統(tǒng)的可靠性和可用性。如果控制系統(tǒng)不夠穩(wěn)定可靠，造成誤停機，將會直接導致高爐風口灌渣等

4、重大生產(chǎn)事故和安全事故，其直接及間接損失是巨大的，尤其對于5500立方米大高爐。1 系統(tǒng)結構由于自動化系統(tǒng)日益龐大、復雜，單靠提高元器件的可靠性來滿足要求是不現(xiàn)實的。還應從系統(tǒng)總體設計上對控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性及可靠性提高要求。系統(tǒng)結構如圖1所示。圖1 系統(tǒng)結構Fig. 1 Structure of system該控制系統(tǒng)核心采用西門子S7400H冗余系統(tǒng)，現(xiàn)場總線采用主-從通訊。CPU集成的DP端口作為主站DP Master，由高可靠性IM153-2接口模塊、有源總線模塊及標準300系列IO模塊組成從站Slave。PROFIBUS-DP是一種高速通訊總線,特別適合于裝置一級自動控制系統(tǒng)與分散的IO

5、之間通訊。兩臺操作員站和PLC間的工廠總線采用兩臺西門子工業(yè)以太網(wǎng)交換機進行S7通訊，實現(xiàn)了四通道冗余通訊，任意一個節(jié)點或線路造成的網(wǎng)絡故障均不會影響系統(tǒng)正常通訊。計算機和控制系統(tǒng)使用知名品牌大容量在線式UPS電源，并利用計算機對UPS電源及工作狀態(tài)實現(xiàn)在線監(jiān)控及報警輸出。2 硬件系統(tǒng)操作員站配備穩(wěn)定性較好的品牌高端商務機，預裝正版Windows Xp，同時配備兩塊西門子CP1613 A2網(wǎng)卡，以實現(xiàn)和PLC之間的S7冗余通訊、狀態(tài)監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集、設備操作等功能?？刂破鳛槲鏖T子的冗余套裝產(chǎn)品6ES7417，其中包含UR2ALU-H機架兩塊、PS407 10A冗余電源模塊兩塊、S7-417H控制

6、器兩塊、通訊處理器CP4431-1兩塊、同步模塊四塊、10m同步光纜兩根、2M存儲卡兩塊、后備電池4塊等。實現(xiàn)了電源、控制器、監(jiān)控層及現(xiàn)場級的冗余，大大提高了可靠性。儀表方面，關鍵部位檢測元件如軸振動、軸位移、轉(zhuǎn)速檢測、前置放大器、壓力開關、差壓開關、液位計、防喘閥等均采用Bently、Sor、delta、mobrey、Fisher等品牌。3 軟件系統(tǒng)在復雜的控制系統(tǒng)中，軟件的故障往往高于硬件。因為軟件存在的問題不易體現(xiàn)，所以一個完善的程序設計不僅僅是對編程軟件的熟練應用，更重要的是還要考慮現(xiàn)場經(jīng)驗和應用。操作員站使用了英文版WinCC62 SCADA軟件，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、設備狀態(tài)監(jiān)測和控制、實

7、時趨勢及歷史曲線查詢、報警檢測等。WinCC是德國西門子公司處于世界領先地位的工控軟件，是一個功能強大的監(jiān)控系統(tǒng)，既可以用來完成小規(guī)模的簡單應用，也可以用來完成復雜的工程項目?？刂葡到y(tǒng)使用SIMATIC PCS7編程軟件，實現(xiàn)硬件組態(tài)、現(xiàn)場通訊、數(shù)據(jù)采集、設備的啟動、停機、連鎖保護、報警等相關功能。4 主要工藝4.1 靜葉調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)軸流風機主要依靠調(diào)節(jié)靜葉角度來改變向高爐的送風流量及壓力，流量檢測由一臺差壓變送器完成，經(jīng)過溫壓補償、開方后換算為送風量。給定風量由工藝來決定，人工或者自動操作?，F(xiàn)場的靜葉伺服閥驅(qū)動靜葉油缸，調(diào)節(jié)角度來改變送風流量，靜葉實際角度由位置變送器反饋至PLC，構成一個小

8、的PID定位控制系統(tǒng)。在機組轉(zhuǎn)速未達到額定速度時，靜葉處于關閉狀態(tài)為15，當轉(zhuǎn)速1500rpm、并且接收到并網(wǎng)信號MM_LOAD時，系統(tǒng)自動發(fā)出靜葉釋放命令，靜葉釋放至25并保持。當系統(tǒng)投入自動后，將使其處于手動操作狀態(tài)，并可在手動和自動之間轉(zhuǎn)換。4.2 防喘振控制系統(tǒng)在低流量范圍內(nèi)，氣體的可壓縮性產(chǎn)生了不穩(wěn)定狀態(tài)。如果送風管路中的氣體壓力瞬間高于壓縮機的出口壓力，就會使氣體很快倒流，待管路中的壓力下降后，氣體流向恢復正常。這樣周而復始就產(chǎn)生了喘振。為了實現(xiàn)放空防喘振要求，控制系統(tǒng)起碼具備以下基本條件：系統(tǒng)能按所控制的風機特性曲線預先給出防喘振曲線（放空線），喘振線的理論計算和實際喘振線的檢測

9、都難于準確，同時為了安全起見，實用中往往在喘振線之前設一道防線，稱為防喘振線，或放空線、放風線。兩線之間留5%10%的安全裕量。在工況點達到防喘振線時，就開始放風，避免達到喘振線引起風機喘振。應測出實際運行工況點，并判斷所處的位置：如果在放空線以下，放空閥關閉；如果在放空線以上，應打開。風機出口應設放空管線和放空閥，放空閥既要具備良好的調(diào)節(jié)特性，又要在緊急情況下能快速全開，同時泄露量要小。4.3 逆流保護控制系統(tǒng)逆流是軸流式壓縮機最危險的工況，形成逆流的原因有兩方面，一是喘振的進一步發(fā)展，即在分析喘振的形成過程時已經(jīng)講過喘振的本質(zhì)是葉片凸側的氣流分離現(xiàn)象；整周葉片氣流分離結果會造成壓縮機的排氣

10、量和排氣壓力急劇下降，如果管網(wǎng)容量很大，管網(wǎng)壓力不會隨之下降，因而形成管網(wǎng)壓力大于壓縮機的排氣壓力，形成壓縮機的排氣量由正經(jīng)零變負，即管網(wǎng)的氣體向壓縮機體內(nèi)倒流，所以說逆流是喘振的進一步發(fā)展。第二方面原因是工藝系統(tǒng)事故使外部管網(wǎng)內(nèi)的壓力驟然升高，形成氣流向壓縮機的倒流。為了加強防喘振保護，設置了逆流保護系統(tǒng)作為防喘振系統(tǒng)的后備保護。4.4 逆流保護控制邏輯差壓開關動作時，送給防逆流保護系統(tǒng)的信號稱為零流量信號，系統(tǒng)接到該信號時發(fā)出控制動作，動作情況視零流量信號的持續(xù)時間有以下幾種類型：若在T2(2S)時間內(nèi)零流量信號消失，并且在以后T3(20S)時間內(nèi)不再出現(xiàn)，則這時只由防喘振系統(tǒng)按正常的防喘

11、振調(diào)節(jié)將放空閥打開適當?shù)拈_度以消除喘振，并由計數(shù)器計零流量次數(shù)，報警系統(tǒng)發(fā)出喘振報警信號。如果在T2時間后，零流量信號不消失或者在以后的T3時間內(nèi)又出現(xiàn)零流量信號，則除發(fā)生逆流報警外，邏輯系統(tǒng)還將出現(xiàn)以下控制指令：放空閥快速全開，以便迅速消除喘振和逆流；靜葉迅速退回至最小工作角位置；風機出口逆止閥強制關閉。由于放空閥的全開，可望消除逆流，這時機組處于安全運行狀態(tài)，當工藝恢復正常后，再按正常啟動程序恢復向工藝送風。如果在放空閥打開T4(6S)時間內(nèi)仍不能消除喘振（即仍存在零流量信號），則在發(fā)生持續(xù)逆流停機報警的同時，實施緊急停機。系統(tǒng)安全運行(逆流)流程如圖2所示。圖2安全運行(逆流)流程Fig

12、. 2 Flow chart of safety running5 提高可靠性的措施5.1 供電系統(tǒng)控制系統(tǒng)包括操作員站、PLC、現(xiàn)場自動化儀表、電磁閥、風機靜葉伺服閥、防喘振閥、閥門定位器等供電均采用大容量在線式UPS提供的AC220V和冗余DC24V電源。UPS電源輸入側交流雙回路供電并可自動切換，并在低壓系統(tǒng)母線側安裝一套自啟動裝置，當電網(wǎng)瞬間失壓掉電時能自動重合閘迅速恢復系統(tǒng)供電，以上措施的采取能最大程度保障供電的可靠性和連續(xù)性。5.2 合理接地由于PLC是以微處理器為核心，綜合了計算機、自動控制、通訊技術的通用工業(yè)控制裝置，其內(nèi)部為大規(guī)模集成電路，雖然適用于工業(yè)環(huán)境，但仍然易受電源、

13、變頻設備等引起的電磁干擾，而良好的接地無疑是較為理想的解決辦法。本風機控制系統(tǒng)現(xiàn)有系統(tǒng)接地和計算機接地，實測接地電阻均小于1 Q，機架之間采用粗軟銅線進行等電位連接，并引入接地母排。5.3 硬件組態(tài)及配置除可以實現(xiàn)模塊熱插拔外，對能引起保護停機的重要連鎖信號(如三取二的潤滑油壓力開關、喉部差壓開關、喉部差壓等)采用分散組態(tài)，原設計將三個壓力開關點組態(tài)在同一模塊的連續(xù)通道上，如果該模塊出現(xiàn)意外將可能導致誤停機。在系統(tǒng)安裝調(diào)試過程中對其重新組態(tài)，將信號分別組態(tài)在三個不同從站的模塊上，分散了風險。其他的開關量和模擬量信號都進行了相應修改?，F(xiàn)場AIAO信號大多為42OmA，為消除電磁干擾可能帶來的危害

14、，模塊不供電，全部組態(tài)為四線電流，除使用屏蔽電纜并合理敷設外，都增加了隔離器或配電器。5.4 故障處理程序采用結構化編程，生成通用性FC和FB，根據(jù)需要調(diào)用。下載相應的組織塊，如OB70、OB72、OB81 OB82 OB83 OB84 OB85 OB87 OB121等，確保非致命性內(nèi)部或外部故障時CPU能做出正確的響應，杜絕誤停機，減少故障。埋敷在風機軸瓦的熱電阻用來實時檢測軸瓦溫度，在到達報警值和停機值時發(fā)出控制信號。由于長期受油液浸泡，一旦熱電阻斷線或接觸不良使阻值升高，系統(tǒng)將會認為是溫度過高，從而發(fā)出報警信號。實際調(diào)試中，系統(tǒng)增加了熱電阻斷線檢測功能。對于重要信號，采用多點檢測，“聯(lián)合表決”的方法，防止了單一信號回路造成的誤動或拒動，并可在保證安全的前提下處理故障或更換元件。風機運行過程中，難免會出現(xiàn)在線維修的情況，因控制線路復雜，連鎖點多，極易產(chǎn)生操作失誤，為避免這種情況出現(xiàn)，在工程師站中首先