高炉轴流风机的冗余自动控制系统

王 军，刘 鹏

(1．陕西龙钢集团炼铁厂，陕西 韩城 715405;2．天津赛瑞机器设备有限公司，天津 300301)

1 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，尤其对于上千立方米大高炉。

2 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.1 Structure of system

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DP Master，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SCALANCE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，并利用计算机串口对UPS电源实现在线监控及报警输出。

3 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Windows Xp，同时配备两块西门子CP1613 A2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6ES7654，其中包含UR2－H 2*9机架一块、PS407 10A冗余电源模块两块、S7－414H控制器两块、通讯处理器CP443－1两块、同步模块四块、1M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、流量、定位器、防喘阀等均采用 Bently、Rosemount、EJA、E+H、Fisher等品牌。

4 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。

操作员站使用了中文版WinCC6.2 SCADA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SIMATIC Step7 5.4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。

5 主要工艺

5.1 静叶控制

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，人工输入。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14°，当转速稳定后，系统自动发出静叶释放命令，静叶释放至22°并保持。当系统投入自动后，将使其处于自动操作状态，并可在手动和自动之间转换。

5.2 主要保护逻辑

当系统检测到风机逆流后，将按照以下顺序动作:首先发出喘振预报1s后，如风机仍然逆流，则将防喘阀打开至一个预设角度，降低风机负载3s后如持续逆流则风机进入安全运行，此时防喘阀全开进行放风，静叶回到22°，5s后如没有变化则认为出现了严重故障，风机发出停机信号。系统安全运行(逆流)流程如图2所示。

图2 安全运行(逆流)流程Fig.2 Flow chart of safety running

6 提高可靠性的措施

6.1 供电系统

控制系统包括操作员站、PLC、现场自动化仪表、汽轮机电磁阀、汽轮机油动机、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。

6.2 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1 Ω，机架之间采用粗软铜线进行等电位连接，并引入接地母排。

6.3 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、动力油压力开关、真空度低、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4～20 mA，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。

6.4 故障处理程序

采用结构化编程，生成通用性的FC和FB，根据需要调用。下载相应的组织块，如OB70、OB72、OB81、OB82、OB83、OB84、OB85、OB87、OB121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。

埋敷在汽轮机和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，从而发出停机信号造成误停机。实际调试中，系统增加了热电阻断线检测功能，即设置两个实际中不可能达到的的温度上下限值，超出该区间，立即切断该信号的保护功能并触发断线报警。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，在操作员站中组态相应的连锁切除功能按钮，按温度、压力、机械量、接点信号等分类。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。

7 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。

［1］ 天津电气传动设计研究所著．电气传动自动化技术手册(2版)［M］．．北京:机械工业出版社，2008．