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

高爐鼓風(fēng)機(jī)冗余自動(dòng)控制系統(tǒng)研究與應(yīng)用內(nèi)部編號(hào)：(YUUT-TBBY-MMUT-URRUY-UOOY-DBUYI-0128)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。ResearchandapplicationofautomaticcontrolsystemofblastfurnaceblowerredundancyXuYongQiang(JingtangMaintenanceDepartment,TangshanShouGangAutomation&InformationTechnologyCo.,Ltd.,Tangshan063000)Abstract:IntroductiontheaxialflowblowercontrolsystemimplementationplanandimplementationprocesssomeimprovingandperfectingofShougangJingtangsteel&irongroupironmaking．thesystemachievedhighreliabilityofblowerredundantcontrol，thecontrolsystemoperationisstableandreliable，andreachtheexpectedresultstoensurethesmooththeblastfumace.Keywords:reliability；redundancy；controlsystem0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)CPU集成的DP端口作為主站DPMaster，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I／O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I／O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WindowsXp，同時(shí)配APLCS采集、設(shè)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URALUHPSASH4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WinCC6．2SCADA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)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。控制系統(tǒng)使用SIMATICPCS7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)小的PID定位控制系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。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)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。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)。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：①放空閥快速全開(kāi)，以便迅速消除喘振和逆流；②靜葉迅速退回至最小工作角位置；③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5提高可靠性的措施供電系統(tǒng)Fig.2Flowchartof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。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、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1Q，機(jī)架之間采接，并引入接地母排。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)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)AI／AO信號(hào)大多為4~2OmA，為消除電磁干擾可能帶來(lái)的危害，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。故障處理程序B如OB70、OB72、OB81OB82OB83OB84OB85OB87OB121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)，在工程師站中首先要切除相應(yīng)設(shè)備的連鎖