高爐軸流風機的冗余自動控制系統(tǒng)

王 軍，劉 鵬

(1．陜西龍鋼集團煉鐵廠，陜西 韓城 715405;2．天津賽瑞機器設備有限公司，天津 300301)

1 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，尤其對于上千立方米大高爐。

2 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S7－400H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自動控制系統(tǒng)與分散的I/O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SCALANCE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，并利用計算機串口對UPS電源實現(xiàn)在線監(jiān)控及報警輸出。

3 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。

控制器為西門子的冗余套裝產(chǎn)品6ES7654，其中包含UR2－H 2*9機架一塊、PS407 10A冗余電源模塊兩塊、S7－414H控制器兩塊、通訊處理器CP443－1兩塊、同步模塊四塊、1M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、流量、定位器、防喘閥等均采用 Bently、Rosemount、EJA、E+H、Fisher等品牌。

4 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。

操作員站使用了中文版WinCC6.2 SCADA軟件，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、設備狀態(tài)監(jiān)測和控制、實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。

控制系統(tǒng)使用SIMATIC Step7 5.4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。

5 主要工藝

5.1 靜葉控制

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，人工輸入。現(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14°，當轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，系統(tǒng)自動發(fā)出靜葉釋放命令，靜葉釋放至22°并保持。當系統(tǒng)投入自動后，將使其處于自動操作狀態(tài)，并可在手動和自動之間轉(zhuǎn)換。

5.2 主要保護邏輯

當系統(tǒng)檢測到風機逆流后，將按照以下順序動作:首先發(fā)出喘振預報1s后，如風機仍然逆流，則將防喘閥打開至一個預設角度，降低風機負載3s后如持續(xù)逆流則風機進入安全運行，此時防喘閥全開進行放風，靜葉回到22°，5s后如沒有變化則認為出現(xiàn)了嚴重故障，風機發(fā)出停機信號。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.2 Flow chart of safety running

6 提高可靠性的措施

6.1 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、汽輪機電磁閥、汽輪機油動機、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。

6.2 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、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 Ω，機架之間采用粗軟銅線進行等電位連接，并引入接地母排。

6.3 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、動力油壓力開關、真空度低、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。現(xiàn)場AI/AO信號大多為4～20 mA，為消除電磁干擾可能帶來的危害，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外，都增加了隔離器或配電器。

6.4 故障處理程序

采用結構化編程，生成通用性的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。

埋敷在汽輪機和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)出停機信號造成誤停機。實際調(diào)試中，系統(tǒng)增加了熱電阻斷線檢測功能，即設置兩個實際中不可能達到的的溫度上下限值，超出該區(qū)間，立即切斷該信號的保護功能并觸發(fā)斷線報警。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)，在操作員站中組態(tài)相應的連鎖切除功能按鈕，按溫度、壓力、機械量、接點信號等分類。同時組態(tài)相應的用戶操作權限、報警記錄及操作記錄，便于日常維護和管理。

7 結束語

風機自從2008年底投運以來，運行穩(wěn)定可靠，操作及維護方便，充分體現(xiàn)了冗余系統(tǒng)的先進性、開放性，完全滿足高爐的生產(chǎn)需求。

［1］ 天津電氣傳動設計研究所著．電氣傳動自動化技術手冊(2版)［M］．．北京:機械工業(yè)出版社，2008．