高炉风机监控系统的设计与实现.pdf

第 3 O卷第 1 期 河北理工大学学 报自然科学版 V 0 1 ． 3 O N o ． 1 2 0 0 8年 2月 J o u r n a l o f He b e i P o l y t e c h n i c U n i v e r s i t y N a t u r a l S c i e n c e E d i t i o n F e b ． 2 0 0 8 文章编号 1 6 7 4 - 0 2 6 2 2 0 0 8 0 1 - 0 0 6 7 - 0 4 高炉风机监控系统的设计与实现 娄国焕1 ,2赵伟 ， 王嘉伟 1 ．中国矿业大学 北京 机电与信息工程学院， 北京 1 0 0 0 8 3 ； 2 ． 河北理工大学 计算机与自动控制学院， 河北 唐山0 6 3 0 0 9 关键词 P L C； 高炉风机 ； 监控 系统； 静叶可调 ； 防喘振 摘要 讨论 了炼铁 高炉轴流压缩机组监控 系统的设计方法、 各控制模块的功能以及风机静叶 可调控 制 系统 无扰动 切换 的 实现 方法 ； 提 出 了防喘振 与逆 流保 护 的控 制 方 案 。通过 过 程控 制 软件对风机静叶和防喘阀的有效控制， 克服以往控制 方案 中存在 的缺陷， 满足 高炉对风压、 风 量的要求。 中图分类号 T P 2 7 3 文献标识码 A 0 引言 在炼铁中， 鼓风机送风能力 的大小及工作状况是高炉生产的一个重要环节。其任务是在充分满足机组 正常运行的前提下 ， 根据高炉炼铁所需风量进行送风 。鼓风机组 的操作水平直接影响产 品的质量、 产量和生 产消耗指标 。 P L C 可编程序控制器 是专为在工业环境下应用而设计 的一种工业控制计算机 ， 已经成为电气控制系 统中应用最为广 泛的核心装置， 它不仅能实现复杂的逻辑控制， 还能完成各种顺序或定时的闭环控制功能， 并且抗干扰能力强、 可靠性高、 稳定性好 、 体积小 ， 能在恶劣环境长时间、 不问断运行 ， 且编程简单 ， 维护方便 ， 并配有各类通讯接 口与模块处理， 可方便各级连接 。 本文介绍了为唐山中厚板材有限公司 1 5 0 0 m 高炉生产而开发的一套基于P L C 、 适合 A V 7 1 1 4 全静叶 可调轴流压缩机组的高炉送风 自动监控系统。实际运行表明， 该控制系统控 制效果 良好 ， 达到了节能降耗 、 提高产品质量的 目的。 I 轴流压缩机组概况 I ． 1 中厚板轴流压缩机组的基本结构 中厚板轴流压缩机组配置 轴 流压 缩机 齿轮箱 同步 电机 如 图 I 所示 ， 采用双层布置 ， 机组布置在二楼平台上 ， 平台标高 7 m。地脚螺栓为 贯通式。 I ． 2 轴流压缩机组的工艺流程 图l 轴流压缩机组基本结构 轴流压缩机组的工艺流程如图 2所示 ， 空气在经过滤风室之后进人鼓风机 ， 鼓风机对其做功后将其从排 风管道排出， 排风管道分成 3路分别通向防喘振阀、 电动放风阀和主风 门， 当机组处于正常的工作情况下， 防 喘振阀和电动放风阀都处于关闭状态 ， 风机排 出的空气 由主风门通 向高炉 。若风机工作点进人防喘控制 ， 控 制系统将打开防喘振阀进行放风， 以降低风机 的出 口压力 ， 使风机的工作点远离喘振边界。防喘阀分为大阀 和小阀， 采用分程控制方式 。当两个防喘阀均 出现故障， 不能正常工作时 ， 操作人员用手动控制电动放风阀 完成放风操作。 收稿 日期 2 0 0 7 0 4 1 9 维普资讯 河 北理工大学学报 自然科学版 第 3 O卷 2 鼓风机组监控系统的设计 图2 轴流压缩机组的工艺流程 高炉鼓风机是高炉生产中一个至关重要的环节 ， 制约着高炉生产的生产状况 ， 对可靠性要求高， 其监控 系统必须确保供风系统的安全运行。为了适应高炉连续可靠的生产要求 ， 确保高炉产出高质量 、 高产量 的铁 水 ， 要求鼓风机具有 良好 的应对突发事件的能力， 因此需要一套严密复杂的连锁保护和调节系统 ， 以保证设 备安全、 可靠的运行 。 2 ． 1 轴流压缩机组监控系统的软硬件设计 中厚板 A V 7 1 1 4全静叶可调轴流压缩 机组监控系统硬件采用西 门子 S 7 4 o 0 H系列 P L C； 工程师站 E S 和操作员站 O S 选用西门子工业 P c机， 并在 Wi n d o w s X P 系统上运行西门子 Wi n C C人机界面平台软 件。交换机选用西门子工业以太网交换机 O S M --I T P 6 2 ， 网卡选用 C P 1 6 1 3 。控制 系统硬件结构图如图 3所 示 引。 控制系统中除了设置“ 定风量／ 定风压” 调节控制和防喘振调节控制外， 还有机组安全运行方式 ， 启动联 锁， 静叶释放 电拖机组 ， 自 动操作， 逆流、 持续逆流、 轴振动过大、 轴位移过大、 动力油压力过低、 润滑油压 力过低等停机联锁保护 ， 保护压缩机组的安全 。运行安全联锁是控制压缩机启／ 停 和运行状态最为重要的关 键设备 ， 其主要控制对象为高压电气联锁 电拖机组 、 可调静叶、 防喘振 阀快开 电磁阀、 逆止阀。在机组运 行过程中， 各种安全联锁功能按一定时序相互关联 ， 用以实现对压缩机组 的联锁控制 ， 以保证机组的安全 。 另外 ， 在 P L C控制程序和上位人机界面中对每一个参控 变量均设置了报警信息提示 ， 使操作员可以快速地 查找故障点， 及时处理故障。 设置电机启动条件连锁控制的 目的就是为了保证机组安全正常地开机 ， 当启动条件全部满足后 ， 系统发 出“ 允许启动” 信号， 否则开机操作无效。 风机启动时， 应风机静叶必须在3秒内迅速通过 1 4 。 静叶全关位置 2 。 最小工作角 的禁止范围。 否则静叶释放失败。 油系统控制系统采用 2 个互为备用的油泵， 通过开关 D C S 软键或电控盘操作开关 可选择其中之一为 主泵， 则另一台即为备泵。当油系统油压低于设定值或主油泵故障时， 自动启用备用油泵， 补充油压的不足； 当油压正常， 主油泵运行正常， 可选择停其中一台泵， 同时将其切换至备用状态。 为了保障机组的安全运行， 没有相应的停机联锁保护， 如果满足其中一个条件， 就要将机组强制停下来， 进行联锁保护停机 。这些条件为 压缩机轴振动过高 ， 压缩机轴位移过大 ， 持续逆 流， 润滑油压力过低， 动力 油压力过低等 。 维普资讯 第 l 期 娄国焕 ， 等 高炉风机监控系统的设计与实现 操作员站 图3 控制系统硬件结构图 2 ． 2 风机静叶可调系统切换的控制方案 全静叶可调式轴流压缩机的叶片组 由多级旋转叶片 称为动叶 和若干级静止叶 片 称 为静叶 组成 。 静 叶与动叶之间的夹角称为静叶角度 ， 静叶可调是指静 叶角度可以通过控制系统来调整 。例如 A v 7 l l 4 全静叶可调式轴流压缩机的静叶角度在 l 4～ 7 9 。 之间可调。静叶角度越小 ， 压缩机 的出 口风量、 风压越小 ， 拖动压缩机 的主电机的负载越轻。当压缩机组向高炉正常供风时 ， 静叶角度根据工艺需要在 2 2 7 9 。 之间 连续可调。根据生产工艺的要求 ， 需要根据定压／ 定流来调节静叶角度以满足实际生产需要 。在定压／ 定流 的手 自动切换以及 自动状态下定压／ 定流切换过程中 ， 会产生扰动 ， 因此需要在监控系统中实现 以上三种情 况 的无扰动切换模块。 ‘ 如图 4 所示 ， 静叶角度的调节回路 由内环控制和外环控制形成的串级 回路组成 ， 外环部分通过 P L C内 部的 P I D调节控制器完成 ； 内环部分包括静 叶位置变送器 、 静 叶伺服控制器 和静 叶伺服机构 。通过调 节 静叶角度的变化 ， 可按工艺状态的要求增降压缩机的出力 ， 在工艺对风量要求不大时 ， 压缩机的负荷也随之 降低， 没有因放空运行造成的能源浪费， 节能作用十分明显。 伺服控制器 在内环控制部分， 静叶伺服控制器通过比较来 自 位置变送器和 P L C的控制信号， 发出伺服 指令信号驱动静叶伺服机构， 推动静叶承缸按指定方向动作， 从而完成对压力和风量的稳定控制。 P L C内部回路 在外环控制部分 ， 操作人员可选择定压力或定流量控制、 手动或 自动控制 ， 按照工艺需要 对 目标值进行设定 ， 由 P I D调节器完成对压力或流量的 自动调节。在切换过程中， 通过编程设计 ， 实现切换 过程 中的无扰动切换 ， 以保证鼓风机组的平稳运行。 图4 静叶伺服控制系统 维普资讯 7 0 河北理工大学学报 自然科学版 第 3 0卷 2 ． 3 轴流防喘振系统的设计 ‘ 喘振是一种使风机处于不稳定的工作状态 。如果发生喘振 ， 风机和管网系统 中全都气体流量和压力将 周期性地低频率 、 大振幅地上下波动 ， 同时机组 发生强烈震 动， 进而导致风机损 坏 ， 气体外漏而造成严重事 故。防喘振控制系统作用是在机组接近喘振工况时， 立即作出行动， 使工况点远离喘振线， 保证风机的正常 运 行 。 轴流防喘振系统是 以实际工况的排气压力为主变量 ， 放空阀位为副变量构成串级控制系统 ， 内环采用分 程控制 ， 外环采用 P I D控制器 。系统框图如图 5所示。 图 5 轴流防喘振控制 系统 2 ． 4 逆流保护的设计 逆流是轴流压缩机最危险的工况， 逆流保护是轴流压缩机最为重要的保护。由于出口压力高， 压缩气体 不能畅通输 出， 则旋转机械能将其转化为热能使叶片膨胀 ， 造成动叶和静叶 的相碰而损坏轴流压缩机。防止 逆流的根本措施是加强防喘振控制， 阻止喘振状态进一步升级 ， 并防止 出口气体的倒流。 系统在发生逆流 的同时， 进行逆流保护 ， 机组 自动进人安全运行状态 ， 安全运行结果是 1 放风阀快速 全开 ； 2 静叶退回最小角 2 2 。 ， 使风量减少 ， 风压降低 ； 3 逆止阀强行关闭。 3 结束语 当前基于 P L C的高炉鼓风机监控系统 以其成本低 ， 可靠性高， 正在逐步取代国外进 口 D C S系统 ， 同时也 是各大钢铁厂技术改造升级 的首选 J 。本文介绍 的高炉风机监控 系统 的设计方法 ， 采用模块化设计 ， 易于 操作人员及工程师对设备和系统的维护与修理， 相信对于今后的风机监控系统设计有着很好的借鉴经验。 参考文献 [ 1 ] 衙庆， 俞金寿． 集散控制系统原理及应用[ M] ． 北京 化学工业出版社， 2 0 0 2 ． [ 2 j 廖常初 ． 7 3 0 0 ／ 4 0 0 P L C应用技术[ M] ． 北京 机械工业出版社， 2 0 0 5 ． [ 3 ] N o c h i ， T ． S a k a m o t o ， T _ Y a m a d a e t a 1 ． S u p e r v i s o r y a n d c o n ra i l s y s t e mf o r s e w e r a g e [ J ] ． N E C h ， 1 9 9 8 ， 1 O 1 1 9 1 2 4 ． [ 4 ] 庞国仲．自 动控制原理 [ M] ． 北京 中国科学技 出版社， 1 9 9 5 [ 5 ] 何衍庆 ， 俞金寿． 集散控制系统原理及应用[ M] ． 北京 化学工业出版社， 2 0 0 2 ． The De s i g n a n d I mpl e me nt at i o n o f Bl a s t Fur n a c e Bl o we r Su pe r v i s i o n S y s t e m LOU Gu o h ua n ， 一 ， ZHAO W e i ’ ，WANG J i a ． w e i 1 ． C o l l e g e o f C o m p u t e r a n d A u t o ma t i c C o n t r o l ， H e b e i P o l y t e c h n i c U n i v e r s i t y ， T ang s h He b e i 0 6 3 0 0 9 ， C h i n a ； 2 C o l l e g e o f Me c h an i c a l El e c t r o n i c an d I n f o r ma t i o n E n g i n e e r i n g ． C h i n a U n i v e r s i t y o f Mi n i n gT e c h n o l o g y B e i j i n g 1 0 0 0 8 3 ，C h i n a Ke y wo r d s PLC； b l a s t f u r n a c e b l o we r ．； s u p e r v i s i o n s y s t e m； a d j u s t a b l e v a n e ； a n t i s u r g e Ab s t r a c t T h e d e s i g n me t h o d s o f a x i a l b l a s t f u rna c e b l o w e r s u p e rvi s i o n s y s t e m， f u n c t i o n s o f c o n t r o l mo d u l e s a s we l l a s t i l e r e al i z a t i o n o f u n d i s t u r b e d s w i t c h i n g o f a d j u s t a b l e v a n e c o n t r o l s y s t e m a r e d i s c u s s e d ． T h e c o t t r o l l n e t h o d s f o r p r e v e n t i n g t h e s u r g e o f a x i a l b l o we r a n d a d v e r s e c u r r e n t p r o t e c t i o n a r e p r e s e n t e d ． T h e s t a t o r b l a d e s a l l d a n t i s u r g e v a l v e s a r e e ff e c t i v e l y c o n t r o l l e d wi th p r o c e s s i n g c o n t rol s o l f t w a r e ， wh i c h o v e r c o me s t h e f a u l t s i n t h e o l d c o n t r o l me t h o d ， a n d t h e d e ma n d s for a i r p r e s s u r e a n d q u a n t i t y fi o m b l a s t f u r n a c e c a n b e me t ． 维普资讯