高爐鼓風(fēng)機(jī)冗余自動(dòng)控制系統(tǒng)研究與應(yīng)用

1、高爐鼓風(fēng)機(jī)冗余自動(dòng)控制系統(tǒng)研究與應(yīng)用徐 永 強(qiáng)（唐山首信自動(dòng)化信息技術(shù)有限公司 京唐運(yùn)行事業(yè)部，唐山 063000）摘要：介紹了首鋼京唐煉鐵軸流風(fēng)機(jī)的控制系統(tǒng)實(shí)施方案，以及實(shí)施過(guò)程中的一些改進(jìn)和完善，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)風(fēng)機(jī)的高可靠性冗余控制，控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，達(dá)到了預(yù)期效果，保證了高爐的順產(chǎn)達(dá)產(chǎn)達(dá)效。關(guān)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(fēng)機(jī)是大型高爐的關(guān)鍵設(shè)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(yùn)行取決于自動(dòng)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(jī)，將會(huì)直接導(dǎo)致高爐風(fēng)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(duì)于5500立方米大高爐。1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由于自動(dòng)化系統(tǒng)日益龐大、復(fù)雜，單靠提高元器件的可靠性來(lái)滿足要求是不現(xiàn)實(shí)的。還應(yīng)從系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)上對(duì)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性及可靠性提高要求。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(chǎng)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(biāo)準(zhǔn)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(jí)自動(dòng)控制系統(tǒng)與分散的IO

5、之間通訊。兩臺(tái)操作員站和PLC間的工廠總線采用兩臺(tái)西門子工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)進(jìn)行S7通訊，實(shí)現(xiàn)了四通道冗余通訊，任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)或線路造成的網(wǎng)絡(luò)故障均不會(huì)影響系統(tǒng)正常通訊。計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)對(duì)UPS電源及工作狀態(tài)實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)控及報(bào)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(wù)機(jī)，預(yù)裝正版Windows Xp，同時(shí)配備兩塊西門子CP1613 A2網(wǎng)卡，以實(shí)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(shè)備操作等功能。控制器為西門子的冗余套裝產(chǎn)品6ES7417，其中包含UR2ALU-H機(jī)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(chǔ)卡兩塊、后備電池4塊等。實(shí)現(xiàn)了電源、控制器、監(jiān)控層及現(xiàn)場(chǎng)級(jí)的冗余，大大提高了可靠性。儀表方面，關(guān)鍵部位檢測(cè)元件如軸振動(dòng)、軸位移、轉(zhuǎn)速檢測(cè)、前置放大器、壓力開(kāi)關(guān)、差壓開(kāi)關(guān)、液位計(jì)、防喘閥等均采用Bently、Sor、delta、mobrey、Fisher等品牌。3 軟件系統(tǒng)在復(fù)雜的控制系統(tǒng)中，軟件的故障往往高于硬件。因?yàn)檐浖嬖诘膯?wèn)題不易體現(xiàn)，所以一個(gè)完善的程序設(shè)計(jì)不僅僅是對(duì)編程軟件的熟練應(yīng)用，更重要的是還要考慮現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)和應(yīng)用。操作員站使用了英文版WinCC62 SCADA軟件，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)和控制、實(shí)

7、時(shí)趨勢(shì)及歷史曲線查詢、報(bào)警檢測(cè)等。WinCC是德國(guó)西門子公司處于世界領(lǐng)先地位的工控軟件，是一個(gè)功能強(qiáng)大的監(jiān)控系統(tǒng)，既可以用來(lái)完成小規(guī)模的簡(jiǎn)單應(yīng)用，也可以用來(lái)完成復(fù)雜的工程項(xiàng)目?？刂葡到y(tǒng)使用SIMATIC PCS7編程軟件，實(shí)現(xiàn)硬件組態(tài)、現(xiàn)場(chǎng)通訊、數(shù)據(jù)采集、設(shè)備的啟動(dòng)、停機(jī)、連鎖保護(hù)、報(bào)警等相關(guān)功能。4 主要工藝4.1 靜葉調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)軸流風(fēng)機(jī)主要依靠調(diào)節(jié)靜葉角度來(lái)改變向高爐的送風(fēng)流量及壓力，流量檢測(cè)由一臺(tái)差壓變送器完成，經(jīng)過(guò)溫壓補(bǔ)償、開(kāi)方后換算為送風(fēng)量。給定風(fēng)量由工藝來(lái)決定，人工或者自動(dòng)操作?，F(xiàn)場(chǎng)的靜葉伺服閥驅(qū)動(dòng)靜葉油缸，調(diào)節(jié)角度來(lái)改變送風(fēng)流量，靜葉實(shí)際角度由位置變送器反饋至PLC，構(gòu)成一個(gè)小

8、的PID定位控制系統(tǒng)。在機(jī)組轉(zhuǎn)速未達(dá)到額定速度時(shí)，靜葉處于關(guān)閉狀態(tài)為15，當(dāng)轉(zhuǎn)速1500rpm、并且接收到并網(wǎng)信號(hào)MM_LOAD時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)出靜葉釋放命令，靜葉釋放至25并保持。當(dāng)系統(tǒng)投入自動(dòng)后，將使其處于手動(dòng)操作狀態(tài)，并可在手動(dòng)和自動(dòng)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(fēng)管路中的氣體壓力瞬間高于壓縮機(jī)的出口壓力，就會(huì)使氣體很快倒流，待管路中的壓力下降后，氣體流向恢復(fù)正常。這樣周而復(fù)始就產(chǎn)生了喘振。為了實(shí)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(fēng)機(jī)特性曲線預(yù)先給出防喘振曲線（放空線），喘振線的理論計(jì)算和實(shí)際喘振線的檢測(cè)

9、都難于準(zhǔn)確，同時(shí)為了安全起見(jiàn)，實(shí)用中往往在喘振線之前設(shè)一道防線，稱為防喘振線，或放空線、放風(fēng)線。兩線之間留5%10%的安全裕量。在工況點(diǎn)達(dá)到防喘振線時(shí)，就開(kāi)始放風(fēng)，避免達(dá)到喘振線引起風(fēng)機(jī)喘振。應(yīng)測(cè)出實(shí)際運(yùn)行工況點(diǎn)，并判斷所處的位置：如果在放空線以下，放空閥關(guān)閉；如果在放空線以上，應(yīng)打開(kāi)。風(fēng)機(jī)出口應(yīng)設(shè)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(kāi)，同時(shí)泄露量要小。4.3 逆流保護(hù)控制系統(tǒng)逆流是軸流式壓縮機(jī)最危險(xiǎn)的工況，形成逆流的原因有兩方面，一是喘振的進(jìn)一步發(fā)展，即在分析喘振的形成過(guò)程時(shí)已經(jīng)講過(guò)喘振的本質(zhì)是葉片凸側(cè)的氣流分離現(xiàn)象；整周葉片氣流分離結(jié)果會(huì)造成壓縮機(jī)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(huì)隨之下降，因而形成管網(wǎng)壓力大于壓縮機(jī)的排氣壓力，形成壓縮機(jī)的排氣量由正經(jīng)零變負(fù)，即管網(wǎng)的氣體向壓縮機(jī)體內(nèi)倒流，所以說(shuō)逆流是喘振的進(jìn)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(jī)的倒流。為了加強(qiáng)防喘振保護(hù)，設(shè)置了逆流保護(hù)系統(tǒng)作為防喘振系統(tǒng)的后備保護(hù)。4.4 逆流保護(hù)控制邏輯差壓開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)，送給防逆流保護(hù)系統(tǒng)的信號(hào)稱為零流量信號(hào)，系統(tǒng)接到該信號(hào)時(shí)發(fā)出控制動(dòng)作，動(dòng)作情況視零流量信號(hào)的持續(xù)時(shí)間有以下幾種類型：若在T2(2S)時(shí)間內(nèi)零流量信號(hào)消失，并且在以后T3(20S)時(shí)間內(nèi)不再出現(xiàn)，則這時(shí)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(kāi)適當(dāng)?shù)拈_(kāi)度以消除喘振，并由計(jì)數(shù)器計(jì)零流量次數(shù)，報(bào)警系統(tǒng)發(fā)出喘振報(bào)警信號(hào)。如果在T2時(shí)間后，零流量信號(hào)不消失或者在以后的T3時(shí)間內(nèi)又出現(xiàn)零流量信號(hào)，則除發(fā)生逆流報(bào)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(kāi)，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(fēng)機(jī)出口逆止閥強(qiáng)制關(guān)閉。由于放空閥的全開(kāi)，可望消除逆流，這時(shí)機(jī)組處于安全運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)工藝恢復(fù)正常后，再按正常啟動(dòng)程序恢復(fù)向工藝送風(fēng)。如果在放空閥打開(kāi)T4(6S)時(shí)間內(nèi)仍不能消除喘振（即仍存在零流量信號(hào)），則在發(fā)生持續(xù)逆流停機(jī)報(bào)警的同時(shí)，實(shí)施緊急停機(jī)。系統(tǒng)安全運(yùn)行(逆流)流程如圖2所示。圖2安全運(yùn)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(chǎng)自動(dòng)化儀表、電磁閥、風(fēng)機(jī)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(cè)交流雙回路供電并可自動(dòng)切換，并在低壓系統(tǒng)母線側(cè)安裝一套自啟動(dòng)裝置，當(dāng)電網(wǎng)瞬間失壓掉電時(shí)能自動(dòng)重合閘迅速恢復(fù)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(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制、通訊技術(shù)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(shè)備等引起的電磁干擾，而良好的接地?zé)o疑是較為理想的解決辦法。本風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)現(xiàn)有系統(tǒng)接地和計(jì)算機(jī)接地，實(shí)測(cè)接地電阻均小于1 Q，機(jī)架之間采用粗軟銅線進(jìn)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(shí)現(xiàn)模塊熱插拔外，對(duì)能引起保護(hù)停機(jī)的重要連鎖信號(hào)(如三取二的潤(rùn)滑油壓力開(kāi)關(guān)、喉部差壓開(kāi)關(guān)、喉部差壓等)采用分散組態(tài)，原設(shè)計(jì)將三個(gè)壓力開(kāi)關(guān)點(diǎn)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(dǎo)致誤停機(jī)。在系統(tǒng)安裝調(diào)試過(guò)程中對(duì)其重新組態(tài)，將信號(hào)分別組態(tài)在三個(gè)不同從站的模塊上，分散了風(fēng)險(xiǎn)。其他的開(kāi)關(guān)量和模擬量信號(hào)都進(jìn)行了相應(yīng)修改?，F(xiàn)場(chǎng)AIAO信號(hào)大多為42OmA，為消除電磁干擾可能帶來(lái)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(shè)外，都增加了隔離器或配電器。5.4 故障處理程序采用結(jié)構(gòu)化編程，生成通用性FC和FB，根據(jù)需要調(diào)用。下載相應(yīng)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(shí)CPU能做出正確的響應(yīng)，杜絕誤停機(jī)，減少故障。埋敷在風(fēng)機(jī)軸瓦的熱電阻用來(lái)實(shí)時(shí)檢測(cè)軸瓦溫度，在到達(dá)報(bào)警值和停機(jī)值時(shí)發(fā)出控制信號(hào)。由于長(zhǎng)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(huì)認(rèn)為是溫度過(guò)高，從而發(fā)出報(bào)警信號(hào)。實(shí)際調(diào)試中，系統(tǒng)增加了熱電阻斷線檢測(cè)功能。對(duì)于重要信號(hào)，采用多點(diǎn)檢測(cè)，“聯(lián)合表決”的方法，防止了單一信號(hào)回路造成的誤動(dòng)或拒動(dòng)，并可在保證安全的前提下處理故障或更換元件。風(fēng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，難免會(huì)出現(xiàn)在線維修的情況，因控制線路復(fù)雜，連鎖點(diǎn)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