煉鐵熱風(fēng)爐自動控制系統(tǒng)冗余改造的實現(xiàn)

周國貞 黃立薇 丁劍鋒

摘要：介紹韶鋼煉鐵廠7#高爐熱風(fēng)爐自動控制系統(tǒng)存在的問題，及針對存在的問題采取的改造措施，通過對熱風(fēng)爐進(jìn)行自動控制系統(tǒng)冗余改造，充分利用冗余PLC控制器的優(yōu)越性能，消除系統(tǒng)單點故障隱患，提升了7#爐熱風(fēng)爐自動控制系統(tǒng)的可靠性，保障高爐生產(chǎn)更加穩(wěn)定順行。

關(guān)鍵詞：自動控制；冗余；改造

1概述

熱風(fēng)爐是為高爐加熱鼓風(fēng)的設(shè)備，是現(xiàn)代高爐不可缺少的重要組成部分，它的作用是為高爐持續(xù)不斷的提供1000度以上的高溫?zé)犸L(fēng)。7號高爐熱風(fēng)爐有4座外燃式熱風(fēng)爐，采用“二燒二送”的方式，正常生產(chǎn)時每個時刻都要保持2座熱風(fēng)爐向高爐提供持續(xù)不斷的熱風(fēng)。鑒于熱風(fēng)爐對高爐的重要性，熱風(fēng)爐PLC系統(tǒng)停機(jī)將會間接導(dǎo)致高爐休風(fēng)，帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失，在這種情況下，只有冗余系統(tǒng)才能滿足高可靠性的要求。使得熱風(fēng)爐操作可以更加平穩(wěn)可靠，從而保證了高爐穩(wěn)定操作。

2改造背景

韶鋼7號高爐有效容積為2200立方米，總投資十多億元，年產(chǎn)生鐵200萬噸。7號高爐大膽采用新工藝、新技術(shù)、新設(shè)備，達(dá)到當(dāng)時國內(nèi)外同類型高爐的先進(jìn)水平。雖然后續(xù)建設(shè)的8號高爐已經(jīng)投產(chǎn)，但隨著韶鋼不斷淘汰落后產(chǎn)能，小高爐均已停產(chǎn)，7號高爐仍然需要滿負(fù)荷生產(chǎn)，才能滿足鋼后供應(yīng)。

7號高爐熱風(fēng)爐PLC系統(tǒng)原使用西門子S7-400系列產(chǎn)品，CPU型號為CPU416-2XK04。改造前的5年時間內(nèi)，該系統(tǒng)共出現(xiàn)過3次CPU故障，導(dǎo)致7號高爐不同程度停產(chǎn)，給煉鐵生產(chǎn)造成較大損失。出于保證生產(chǎn)更加穩(wěn)定順行的目的，決定對該系統(tǒng)進(jìn)行改造。

3改造的實現(xiàn)

3.1熱風(fēng)爐自動控制系統(tǒng)組成

熱風(fēng)爐自動化系統(tǒng)控制內(nèi)容有：一是四座熱風(fēng)爐的本體區(qū)，主要通過控制各個閥門使熱風(fēng)爐在燃燒、燜爐、送風(fēng)三種狀態(tài)之間切換；二是液壓系統(tǒng)共有5臺油泵，二用二備一循環(huán)，設(shè)有油位、油壓、油溫檢測報警系統(tǒng)；三是助燃風(fēng)機(jī)區(qū)，包括兩臺助燃風(fēng)機(jī)，一用一備；四是余熱回收區(qū)，設(shè)整體式熱管換熱器，用于預(yù)熱助燃空氣。關(guān)鍵控制內(nèi)容包括熱風(fēng)爐燃燒控制、送風(fēng)控制、換爐控制等。

（1）PLC系統(tǒng)：7#高爐熱風(fēng)爐PLC系統(tǒng)主要組成：西門子S7-400系列CPU、通訊模塊CP443，以及S7-300系列I/O模塊，包括20個32P的DI數(shù)子量輸入模塊和6個32P的DO數(shù)字量輸出模塊、以及RTD熱阻和TC熱偶等27個8P的AI/AO模擬量模塊，各子站之間通過現(xiàn)場DP總線連接。

（2）計算機(jī)系統(tǒng)：配置了5臺計算機(jī)，分別為2臺服務(wù)器、1臺工程師站、2臺操作員站。熱風(fēng)爐自動控制系統(tǒng)的服務(wù)器與高爐上料、本體、爐前等系統(tǒng)共用，主要用于PCS7過程控制系統(tǒng)的運行及客戶端服務(wù)的發(fā)布，服務(wù)器與PLC之間通過工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行通訊；工程師站主要用于系統(tǒng)配置、畫面設(shè)計、程序修改與監(jiān)控、故障診斷等；操作員站主要用于崗位操作。

（3）控制系統(tǒng)軟件：采用SIMATIC PCS7V7.0，它是集組態(tài)（包括硬件配置、控制策略、人機(jī)接口等組態(tài)）、工程調(diào)試和診斷功能為一體的軟件包。根據(jù)系統(tǒng)控制要求，選用LAD、STL和CFC編程語言。

3.2冗余改造關(guān)鍵內(nèi)容

以采用當(dāng)前成熟、穩(wěn)定的產(chǎn)品與技術(shù)為原則，同時保證與其它高爐備件的通用，選用SIMATIC S7-400H系列PLC。S7-400H的冗余結(jié)構(gòu)包括電源模塊、CPU模塊、以太網(wǎng)模塊、IM153模塊和DP網(wǎng)絡(luò)的冗余配置，當(dāng)工作主系統(tǒng)發(fā)生問題時，自動切換到從系統(tǒng)工作。為控制系統(tǒng)改造實施風(fēng)險，利用高爐休風(fēng)停產(chǎn)檢修2個小時以上的時機(jī)實施此次改造。

（1）硬件部分

①CPU模塊升級：將原S7-400系列單CPU改成冗余控制器CPU417，該CPU屬于高可靠性的SIMATIC S7-400H系列，能充分滿足控制系統(tǒng)高可靠、高穩(wěn)定性的要求。它能連續(xù)運行，即使控制器的某些部件由于一個或幾個故障而失效也不受影響。另外，該型號提高了CPU的處理速度及工作存儲能力，并增加了一些新的功能，將大大提高熱風(fēng)爐系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

②通訊鏈路冗余改造：對于與擴(kuò)展機(jī)架ET200M的通訊，使用具有冗余接口的IM153-2BA00模塊，保證了CPU和IO模塊之間通訊鏈路的冗余。

③熱插拔功能升級：ET200M從站使用有源底板，通過編寫相應(yīng)程序，可實現(xiàn)在系統(tǒng)運行期間對IO模塊進(jìn)行熱插拔更換。ET200M是在工業(yè)現(xiàn)場經(jīng)常使用原PROFIBUS DP分布式從站，一個ET200M從站一般由導(dǎo)軌（S7-300系列通用導(dǎo)軌）、IM153接口模塊、若干塊S7-300系列的模塊（PS電源模塊、I/O模塊、CP通迅模塊、FM功能模塊）組成；這樣的ET200M從站是不支持熱插拔功能的。為了實現(xiàn)ET200M從站的熱插拔功能，需要對ET200M的硬件配置進(jìn)行一些調(diào)整，將通用導(dǎo)軌更換成有源總線導(dǎo)軌+有源總線模板的模式，這樣就可以在系統(tǒng)通電運行的狀態(tài)下，進(jìn)行硬件的熱插拔更換和調(diào)整。

④24V電源供應(yīng)改造：在系統(tǒng)供電方面，除保持使用UPS供電外，此次改造還使用了兩個24V穩(wěn)壓電源搭配二極管的方式實現(xiàn)給PLC模塊的冗余供電。

（2）軟件部分

①根據(jù)PLC硬件部分升級的內(nèi)容，使用step7軟件對PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行重新組態(tài)，改造前的系統(tǒng)組態(tài)如圖1，改造后的系統(tǒng)組態(tài)如圖2。

②使用SIMATIC PCS7V7.0軟件對整個PCS7程序進(jìn)行重新編譯，重新生成WINCC連接變量，使WINCC監(jiān)控畫面能與新CPU進(jìn)行正常通訊。

③操作員站系統(tǒng)畫面不作任何修改，操作人員無需重新培訓(xùn)，只要按照原操作習(xí)慣進(jìn)行操作即可。

4 改造后的效果

4.1 系統(tǒng)可靠性大幅提升

（1）冗余控制器CPU417-4H具有兩個CPU同時處于運行狀態(tài)，一個為Master（主），另一個為Slave（從）。Slave從Master拷貝所有數(shù)據(jù)備用。當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測到Master異常時，自動無間隙實現(xiàn)Slave的投入，并獲取控制權(quán)，保證系統(tǒng)不間斷運行。改造后的冗余控制器運行穩(wěn)定可靠，基本上不會出現(xiàn)因控制器故障而影響生產(chǎn)的情況。

（2）DP總線冗余，即使一部分接口模塊出現(xiàn)故障，CPU和I/O模塊之間的通訊也不會中斷。

（3）熱插拔功能的實現(xiàn)有以下好處：不會造成模塊的硬件損壞；CPU不會停機(jī)，并產(chǎn)生報警；該模塊I/O通道數(shù)值保持不變，而其他模塊的運行不受影響；CPU中會觸發(fā)中斷組織塊或通過DP診斷程序快，得到模塊拔出或插入的事件信息，在用戶程序或中斷組織塊OB1中進(jìn)行相應(yīng)的控制邏輯和I/O通道的處理。

（4）提高了PLC系統(tǒng)供電的可靠性。

4.2 增加生產(chǎn)效益

因冗余改造大大提高了控制系統(tǒng)的性能及可靠性，降低了系統(tǒng)故障率，間接帶來了一定的生產(chǎn)效益。

5結(jié)束語

通過實施系統(tǒng)冗余控制改造，大大提升了煉鐵熱風(fēng)爐自動控制系統(tǒng)的可靠性，為高爐的穩(wěn)定順行奠定了良好的基礎(chǔ)。同時，因改造后降低了系統(tǒng)突然停機(jī)導(dǎo)致生產(chǎn)發(fā)生意外事故的機(jī)率，所以改造也提升了高爐生產(chǎn)的安全性。

參考文獻(xiàn)：

[1]靖宇.PCS7在承鋼2500m3高爐生產(chǎn)上的應(yīng)用.北方釩鈦，2011年1期