风机自动控制系统的三电一体化设计.pdf

莱钢科技 2 0 0 4年 8月 风机 自动控制 系统的三 电一体化设计 赵佳赵彦奎 郭 勇 黄汝科 自动化部 摘要 主要介绍了热电厂 5 风机计算机控制 系统的三 电一体化设计思路和设计特点， 主要 包括仪控 设计、 计算机控制 系统设计、 电控设计以及控制功能的实现。 关键词 风机三电一体化设计 自动控制F C S Al m me t rI 1 l i s p a p e r ma i n l y i n t r o d u c e s t h e t h o u g h t s a n d’c h a r a c t e r i s t i c s o f the EI C d e s i g n of the c o mp u t e r c o n t r o l s y s t e m f o r the No ． 5 t u r b i n i n the He a t and P o we r P l a n t o f L a i wu S t e e l ， i n c l u d i n g i n s t r u me n t c o n t r o l d e s i gn ， c o mp u t e r c o n t r o l s y s t e m d e s i gn an d c o n t r o l f u n c t i o n r e ali z a ti o n ． Ke y Wo r d s t u r b i n e， EI C， a u t o ma ti c c o n t r o l ， F CS 与莱钢4 高炉配套， 热电厂引进了唐钢一台汽 轮机拖动的陕鼓 A V 5 61 3二手鼓风机。自动化部 承担 了该风机的三电一体化设计、 施工和调试工作。 该设计主要包括仪控设计、 计算机控制系统设计、 电 控设计三个部分 。考 虑到了设备 的先进性 和通 用 性 ， 选用 A B B公司的 A C 8 0 0 F控制系统。在吸收 了 热电厂原有风机设计优势的同时， 不仅避免了前两 台风机在设计上出现的不足， 而且还对静叶控制系 统， 轴系检测系统， 电调系统等关键部分进行了优 化， 完善了控制程序， 优化了风机控制画面， 建立了 友好的用户界面， 提高了风机 的控制水平和控制精 度。下面将从仪控设计、 计算机控制系统设计、 电控 设计三个方面详细论述。 1 仪控设计 由于风机控制要求 比较严格 、 精确 ， 因此根据 5 风机的技术要求， 在仪控设备选型、 设计等几个方 面进行了严格的论证。主要设计内容包括 1 ． 1 静叶控制系统 静叶控制是风机控制的关键部分 ， 该系统控制 的精确度、 稳定性直接关系到风压、 风量的变化， 影 响高炉的工况。因此性能优良的静叶控制设备是风 机正常运行的前提保证。在对多家设备进行对比 后， 选择了山北航6 3 4所的B G C D一 6 1 2 1 B型伺服控 制器、 美国 P A R K公司 B D 1 5电液伺服阀、 F I S H E R 公司 4 2 1 1 位置变送器构成的闭环控制回路 ， 该套设 备采用标准输入信号， 设备通用性好； 位置反馈由原 来的直行程变成现在的角行程， 精度和稳定性更高， 故障率很低。伺服控制器采用美 国 MO O G公司的 核心技术， 专用于轴流风机静叶角度控制， 可靠性 高， 应用方便， 可以计算机远程控制也可以由伺服控 制器本地控制。该套控制设备 目前在首钢、 武钢等 大型钢厂都 着广泛的应用， 并且普遍反映控制效 果比较理想， 通过一段时间的实际应用， 控制效果非 常理想。 I ． 2 防喘设备 防喘阀采用了分体气动式 F I S H E R阀， 解决了 防喘阀安装位置振动大， 温度高的问题， 改变了液动 防喘阀控制不稳定的状况。 2 计算机控制系统设计 采用计算机控制， 可以极大的提高了生产效率， 通过远程控制， 节约生产时间， 加快了生产节奏。 5 风机采用了 A B B公 司最新的全能综合 型现 场开放控制系统 I n d u s t r i a l IT， 该系统融合 D C S和 P L C优点于一体， 并支持多种国际现场总线标准， 具 有高度的灵活性和极好的扩展性 。 该控制系统 的核心技术为 F C S F i e l d C o n tr o l e r S y s t e m 控制技术。即采用现场总线这一开放的， 具 有可互操作的网络将现场各控制器及仪表设备互 连， 构成现场总线控制系统， 同时控制功能彻底下放 到现场 ， 降低了安装成本和维护费用。这种开放的、 具可互操作性的、 彻底分散的分布式控制系统， 具有 极大的优越性和可靠性。 21 维普资讯 赵佳． 等 风机自动控制系统的三电一体化设计 第4期 总第 1 1 2 期 2 ． 1 硬件结构 5 ‘ 风机的网络结构图如图 1 所示。 I 囊 | I f 站撮 作 员站 圈 1 系统配置圈 本 系统 网络结构组成 底层是基 于 P R O F I B U S D P的现场级设备层控制系统； 上一层是工业以太 网。监控层计算机向上支持工厂管理级网络接口及 通信驱动。底层 P R O F I B U SD P支持 9 ． 6 K一1 2 M 的通信速 率和 中继器 R E P E A T E R 的扩展 功能。 底层 P R O F I B U SD P还支持基于光纤传输介质的 通信； 可支持点对点、 总线及环形光纤网。 控制器是该系统的中枢部分 ， 包括电源模块、 与 上位通讯的网卡、 实现控制器冗余的网卡、 与 I ／ O通 讯的网卡四部分。两台冗余的控制器通过以太网与 两台上位机进行通讯， 实现现场设备的监控、 报警、 报表打印、 历史趋势查看等功能。冗余的控制器通 过连接模块形成冗余的 P R O F I B U S网络， 通过与 I ／ O模板的数据交换 ， 实现现场数据的采集和处理。 系统配置了两套控制器 ， 平时正常运行时， 一套 处于运行状态， 另一套处于热备状态， 一旦主控制器 故障， 则备用控制器能立刻无扰动投入运行， 丝毫不 影响系统的正常运行 ； 每套控制器配置 了两套现场 总线网络， 均处于工作状态， 一旦其中的一条网络出 现故障， 则另一条网络仍然能保证系统运行， 丝毫不 影响系统的正常运行， 这样就提高了整个系统的可 靠性。 2 ． 2 实现功能 通过 D C S的控制， 可以实现 以下仪表控制功能 和电气控制功能 2 ． 2 ． 1 仪表控制功能 2 ． 2 ． 1 ． 1 冷凝器液位 自动调节 通过调节疏水阀和回水阀来控制冷凝器热井液 位， 用一个 P I D回路同时控制两个阀门， P I D的输出 直接控制回水阀， P I D的输出经取反后控制疏水 阀， 控制框图见图2 。即 当要求水位升高时 ， 自动关疏 水阀的同时 自动丌 回水 阀， 当要求水位降低时，自 动开疏水阀的同时 自动关 回水阀。 圈2 冷凝器液位控制框图 2 ． 2 ． 1 ． 2 防喘控制 防喘控制是风机控制的关键 ， 也是保证机组安 全的重要手段。 在风机不同的静叶角度下 ， 造成喘振 的喉部差 压和排气压力是不同的。在一定静叶角度下 ， 分别 测出一系列工况点， 以及造成喘振的喘振点， 将各个 测试角度下的喘振点相连， 绘制出喘振曲线； 将喘振 曲线沿着工况点下移一定百分比， 绘制出防喘线， 如 图 3 所示 。 鼓风机正常工作时， 其工作点是在防喘线以下 运行的， 若越过防喘线则 防喘 阀动作 ， 进行放风调 节 ， 以防止喘振现象的出现。 图 3 防喘振工况监视 图 根据工艺要求， 采用了模拟加数字的控制方法， 在调节范围内， 常规 P I D调节起作用， 在紧急情况 下， 数字调节起作用， 使风机的防喘阀迅速打开， 解 除紧急情况 ， 调节框图见图4 。 为了安全起见， 在防喘线下又计算出一条工况 偏高线 ， 当工况点移动到距防喘线 2 ％以内时， 系统 维普资讯 莱钢科技 2 0 0 4年 8月 发出工况偏高报警， 提醒操作人员注意风机运行工 况； 在防喘线和喘振线之间计算出一条喘振预报线， 当工况点移动到防喘线之上 2 ％时 ， 系统发 出喘振 预报报警， 提醒操作人员风机正运行在非正常工况， 应立 即采取相应措施。 圈 4防喘振控制框 图 采用此种控制方法后 ， 大大提高了机组的稳定 性 ， 降低 了设备故障率。 3 ． 2 ． 2 电气控制 主要功能包括 风机启动联锁控制 、 安全运行控 制、 逆流保护和判断、 联锁停机 、 防喘阀故 障判断等 功能， 还可以实现对设备的主备选择、 自动启停、 故 障报警以及紧急停机等功能。 以逆流保护和判断为例， 对控制功能进行简要 说明 当风机发生逆流时， 风机喉部差压信号会迅速 减小， 喉部差压信号是反映风机是否发生逆流的最 敏感的信号 ， 因此喉差信号 的稳定性和安全性 比较 关键。以往的设计是， 参与逆流判断的喉差信号为 差压变送器 ， 而且只有 1台， 这样 ， 一旦此变送器出 现故障， 就会引起系统误判断， 使得风机在正常运行 时， 会误转入逆流控制方式， 防喘阀完全打开， 对高 炉造成一定的经济损失。 为了防止这种情况出现， 设计首先在逆流设定 值之下 1 0 ％设置报警值， 提醒操作人员注意； 然后 对逆流判断采用了三个喉差开关三选二的方式， 控 制测策略为若机组正常运行过程 中， 检测到三个喉 部压差开关中有两个同时低于报警设定值， 则说明 发生了逆流， 机组立即转入逆流保护， 若只有一个喉 差开关检测到低于设定值， 则系统正常运行， 操作人 员可对出现问题的信号进行适当的检查， 看是由于 什么原因造成信号偏高， 既保护了机组又防止了误 停机的发生。原理图如图5所示。 3 电控设计 ’ 电控部分的主要设计内容包括主控室电控盘设 计、 低压配电盘设计、 机旁操作箱设计等几个部分。 圈5 喉差三选二判断流程圈 3 ． 1 所有泵类都在电气控制盘设计了 自动、 手 动、 闭锁转换开关， 在手动位置， 可通过电气控制盘 和本地操作箱上的启动、 停止按钮启动／ 停止现场设 备 ； 在闭锁位置 ， 所控设备处于停止状态 ， 手动按钮 和计算机均无法控制， 该功能主要用于检修设备时， 保证人身和设备安全； 在自动位置， 由计算机系统控 制现场设备， 所有电气控制盘和本地操作箱上的启 动／ 停止按钮均不起作用； 选择开关的自动位进计算 机系统； 电气控制盘和本地操作箱上的指示灯指示 目前设备的状态。 3 ． 2 为了保证电源系统的稳定可靠 ， 设计了电 源自动切换柜， 来 自低配室的两路电源都进入电源 自动切换柜 ， 正常时一路供电， 另一路备用 ， 一旦主 供电电源出现故障可 自动切换到备用供 电线路 ， 保 证电源系统的正常供应。 3 ． 3 对于盘车操作采用了既可在计算机系统 中进行操作， 又可以在开机盘上进行操作的方式， 避 免在计算机系统出现问题的时候无法盘车的情况。 3 ． 4 由于电气元件的问题， 在系统调试过程中 发现 当设备控制由自动转换到手动后， 无法用手动 按钮停止设备， 造成在紧急情况下， 无法在现场立即 停止设备， 针对这个问题， 在程序中采用了电气延时 技术， 保证在切换到手动后， 控制系统输出的信号保 持一定的时间， 保证电气设备无扰切换， 提高了系统 的可操作性 。 4 结束语 该项 目投入应用后， 在风机方面 ， 保证风机稳定 运行， 提高了风机的控制精度， 降低了故障休风率； 在高炉方面 ， 满足了高炉对风量、 风压 的需求 ， 提高 了高炉的利用系数， 相应提高了莱钢的核J C 竞争力。 审稿人 郑瑶斌 维普资讯