高炉鼓风机冗余自动控制系统研究与应用

高炉鼓风机冗余自动控制系统研究与应用徐永强（唐山首信自动化信息技术有限公司京唐运行事业部，唐山063000）摘要：介绍了首钢京唐炼铁轴流风机的控制系统实施方案，以及实施过程中的一些改进和完善，该系统实现了对风机的高可靠性冗余控制，控制系统运行稳定可靠，达到了预期效果，保证了高炉的顺产达产达效。关键词：可靠性；冗余；控制系统ResearchandapplicationofautomaticcontrolsystemofblastfurnaceblowerredundancyXuYongQiang(JingtangMaintenanceDepartment,TangshanShouGangAutomation&InformationTechnologyCo.,Ltd.,Tangshan063000)Abstract:IntroductiontheaxialflowblowercontrolsystemimplementationplanandimplementationprocesssomeimprovingandperfectingofShougangJingtangsteel&irongroupironmaking．thesystemachievedhighreliabilityofblowerredundantcontrol，thecontrolsystemoperationisstableandreliable，andreachtheexpectedresultstoensurethesmooththeblastfumace.Keywords:reliability；redundancy；controlsystem0前言轴流风机是大型高炉的关键设备，要保证向高炉提供足够的空气，以保证焦炭的燃烧。能否稳定运行取决于自动控制系统的可靠性和可用性。如果控制系统不够稳定可靠，造成误停机，将会直接导致高炉风口灌渣等重大生产事故和安全事故，其直接及间接损失是巨大的，尤其对于5500立方米大高炉。1系统结构由于自动化系统日益庞大、复杂，单靠提高元器件的可靠性来满足要求是不现实的。还应从系统总体设计上对控制系统的稳定性及可靠性提高要求。系统结构如图1所示。图1系统结构Fig.1Structureofsystem该控制系统核心采用西门子S7—400H冗余系统，现场总线采用主-从通讯。CPU集成的DP端口作为主站DPMaster，由高可靠性IM153-2接口模块、有源总线模块及标准300系列I／O模块组成从站Slave。PROFIBUS-DP是一种高速通讯总线,特别适合于装置一级自动控制系统与分散的I／O之间通讯。两台操作员站和PLC间的工厂总线采用两台西门子工业以太网交换机进行S7通讯，实现了四通道冗余通讯，任意一个节点或线路造成的网络故障均不会影响系统正常通讯。计算机和控制系统使用知名品牌大容量在线式UPS电源，并利用计算机对UPS电源及工作状态实现在线监控及报警输出。2硬件系统操作员站配备稳定性较好的品牌高端商务机，预装正版WindowsXp，同时配备两块西门子CP1613A2网卡，以实现和PLC之间的S7冗余通讯、状态监控、数据采集、设备操作等功能。控制器为西门子的冗余套装产品6ES7417，其中包含UR2ALU-H机架两块、PS40710A冗余电源模块两块、S7-417H控制器两块、通讯处理器CP4431-1两块、同步模块四块、10m同步光缆两根、2M存储卡两块、后备电池4块等。实现了电源、控制器、监控层及现场级的冗余，大大提高了可靠性。仪表方面，关键部位检测元件如轴振动、轴位移、转速检测、前置放大器、压力开关、差压开关、液位计、防喘阀等均采用Bently、Sor、delta、mobrey、Fisher等品牌。3软件系统在复杂的控制系统中，软件的故障往往高于硬件。因为软件存在的问题不易体现，所以一个完善的程序设计不仅仅是对编程软件的熟练应用，更重要的是还要考虑现场经验和应用。操作员站使用了英文版WinCC6．2SCADA软件，实现数据采集、设备状态监测和控制、实时趋势及历史曲线查询、报警检测等。WinCC是德国西门子公司处于世界领先地位的工控软件，是一个功能强大的监控系统，既可以用来完成小规模的简单应用，也可以用来完成复杂的工程项目。控制系统使用SIMATICPCS7编程软件，实现硬件组态、现场通讯、数据采集、设备的启动、停机、连锁保护、报警等相关功能。4主要工艺4.1静叶调节控制系统轴流风机主要依靠调节静叶角度来改变向高炉的送风流量及压力，流量检测由一台差压变送器完成，经过温压补偿、开方后换算为送风量。给定风量由工艺来决定，人工或者自动操作。现场的静叶伺服阀驱动静叶油缸，调节角度来改变送风流量，静叶实际角度由位置变送器反馈至PLC，构成一个小的PID定位控制系统。在机组转速未达到额定速度时，静叶处于关闭状态为15°，当转速≧1500rpm、并且接收到并网信号MM_LOAD时，系统自动发出静叶释放命令，静叶释放至25°并保持。当系统投入自动后，将使其处于手动操作状态，并可在手动和自动之间转换。4.2防喘振控制系统在低流量范围内，气体的可压缩性产生了不稳定状态。如果送风管路中的气体压力瞬间高于压缩机的出口压力，就会使气体很快倒流，待管路中的压力下降后，气体流向恢复正常。这样周而复始就产生了喘振。为了实现放空防喘振要求，控制系统起码具备以下基本条件：系统能按所控制的风机特性曲线预先给出防喘振曲线（放空线），喘振线的理论计算和实际喘振线的检测都难于准确，同时为了安全起见，实用中往往在喘振线之前设一道防线，称为防喘振线，或放空线、放风线。两线之间留5%—10%的安全裕量。在工况点达到防喘振线时，就开始放风，避免达到喘振线引起风机喘振。应测出实际运行工况点，并判断所处的位置：如果在放空线以下，放空阀关闭；如果在放空线以上，应打开。风机出口应设放空管线和放空阀，放空阀既要具备良好的调节特性，又要在紧急情况下能快速全开，同时泄露量要小。4.3逆流保护控制系统逆流是轴流式压缩机最危险的工况，形成逆流的原因有两方面，一是喘振的进一步发展，即在分析喘振的形成过程时已经讲过喘振的本质是叶片凸侧的气流分离现象；整周叶片气流分离结果会造成压缩机的排气量和排气压力急剧下降，如果管网容量很大，管网压力不会随之下降，因而形成管网压力大于压缩机的排气压力，形成压缩机的排气量由正经零变负，即管网的气体向压缩机体内倒流，所以说逆流是喘振的进一步发展。第二方面原因是工艺系统事故使外部管网内的压力骤然升高，形成气流向压缩机的倒流。为了加强防喘振保护，设置了逆流保护系统作为防喘振系统的后备保护。4.4逆流保护控制逻辑差压开关动作时，送给防逆流保护系统的信号称为零流量信号，系统接到该信号时发出控制动作，动作情况视零流量信号的持续时间有以下几种类型：若在T2(2S)时间内零流量信号消失，并且在以后T3(20S)时间内不再出现，则这时只由防喘振系统按正常的防喘振调节将放空阀打开适当的开度以消除喘振，并由计数器计零流量次数，报警系统发出喘振报警信号。如果在T2时间后，零流量信号不消失或者在以后的T3时间内又出现零流量信号，则除发生逆流报警外，逻辑系统还将出现以下控制指令：①放空阀快速全开，以便迅速消除喘振和逆流；②静叶迅速退回至最小工作角位置；③风机出口逆止阀强制关闭。由于放空阀的全开，可望消除逆流，这时机组处于安全运行状态，当工艺恢复正常后，再按正常启动程序恢复向工艺送风。如果在放空阀打开T4(6S)时间内仍不能消除喘振（即仍存在零流量信号），则在发生持续逆流停机报警的同时，实施紧急停机。系统安全运行(逆流)流程如图2所示。5提高可靠性的措施5.1供电系统控制系统包括操作员站、PLC、现场自动化仪表、电磁阀、风机静叶伺服阀、防喘振阀、阀门定位器等供电均采用大容量在线式UPS提供的AC220V和冗余DC24V电源。UPS电源输入侧交流双回路供电并可自动切换，并在低压系统母线侧安装一套自启动装置，当电网瞬间失压掉电时能自动重合闸迅速恢复系统供电，以上措施的采取能最大程度保障供电的可靠性和连续性。图2安全运行(逆流)流程Fig.2Flowchartofsafetyrunning5.2合理接地由于PLC是以微处理器为核心，综合了计算机、自动控制、通讯技术的通用工业控制装置，其内部为大规模集成电路，虽然适用于工业环境，但仍然易受电源、变频设备等引起的电磁干扰，而良好的接地无疑是较为理想的解决办法。本风机控制系统现有系统接地和计算机接地，实测接地电阻均小于1Q，机架之间采用粗软铜线进行等电位连接，并引入接地母排。5.3硬件组态及配置除可以实现模块热插拔外，对能引起保护停机的重要连锁信号(如三取二的润滑油压力开关、喉部差压开关、喉部差压等)采用分散组态，原设计将三个压力开关点组态在同一模块的连续通道上，如果该模块出现意外将可能导致误停机。在系统安装调试过程中对其重新组态，将信号分别组态在三个不同从站的模块上，分散了风险。其他的开关量和模拟量信号都进行了相应修改。现场AI／AO信号大多为4～2OmA，为消除电磁干扰可能带来的危害，模块不供电，全部组态为四线电流，除使用屏蔽电缆并合理敷设外，都增加了隔离器或配电器。5.4故障处理程序采用结构化编程，生成通用性FC和FB，根据需要调用。下载相应的组织块，如OB70、OB72、OB81OB82OB83OB84OB85OB87OB121等，确保非致命性内部或外部故障时CPU能做出正确的响应，杜绝误停机，减少故障。埋敷在风机轴瓦的热电阻用来实时检测轴瓦温度，在到达报警值和停机值时发出控制信号。由于长期受油液浸泡，一旦热电阻断线或接触不良使阻值升高，系统将会认为是温度过高，从而发出报警信号。实际调试中，系统增加了热电阻断线检测功能。对于重要信号，采用多点检测，“联合表决”的方法，防止了单一信号回路造成的误动或拒动，并可在保证安全的前提下处理故障或更换元件。风机运行过程中，难免会出现在线维修的情况，因控制线路复杂，连锁点多，极易产生操作失误，为避免这种情况出现，在工程师站中首先要切除相应设备的连锁点，按温度、压力、数字量信号等分类。同时组态相应的用户操作权限、报警记录及操作记录，便于日常维护和管理。6结束语风机自从2008年底投运以来，运行稳定可靠，操作及维护方便，充分体现了冗余系统的先进性、开放性，完全满足高炉的生产需求。参考文献：[1]曼透平公司.MAN资料[2]阎云龙武善业《风机及系统运行与维修》机械工业出版社[3]陈余平吴士年《自动控制系统》机械工业出版社[4]廖常初.可编程序控制器应用技术重庆大学出版社