进口SO2高压风机控制系统可靠性改造.pdf

工业控制计算机} 2 0 0 9年 2 2卷第 4期 进口S O 2 高压风机控制系统可靠性改造 李 唯 曹王剑 株洲冶炼集团股份有限公司， 湖南 株洲 4 1 2 0 0 4 摘 要 简介 了株冶十万吨锌 l I 系统 S O2 风机控制的运行情况和 出现的 问题 ，重点分析 了风机控 制可靠性 不高的原 因以及通 过 改造 采 取 的措 施 和 方 法 ， 实施后 取 得 了 良好 的 效 果 。 关键词 高压风机 ， 干扰 ， P L C， 屏蔽 ， 接地 株冶锌 I 】 硫酸 S O 高压风机 以下 简称 风机 是 锌 I J 系统 烟气制酸的关键 性工艺设备 ， 承接了 1 0 9 m 锌精矿沸腾焙 烧炉 与 S O 烟气 制酸两大生产系统 ，因此整个生产系统的正常运行 依赖于其稳定运行。 该风机 1 9 9 6年从德国 K K K公司进 口， 包含 整个风 机的控制 ， 2 0 0 0年对风 机的控制系统进 行了改造 ，由原 来 的继 电器 阵列控制改为 P L C控 制 ， 但改造后 的风机控制 系统 仍然频繁出现跳闸 ，造成锌 l l 系统 的停 风保 炉甚 至停 产 ，尤其 2 0 0 7年 5月频繁跳闸达 4次 ， 严重影响了系统的正常生产 。 1 故障现象与原因分析 1 ． 1系统控制跳 闸的故障现象 控制柜内继 电器触点腐蚀引起风机跳 闸；上位机通讯线路 热插拔引起 风机跳 闸； 风机压缩机轴震动值 超标引起 风机跳闸 ； 雷击引起风机跳 闸； 被老鼠破坏的屏蔽线接 地引起风机跳闸 ； 在 实际操作 中， 风机 自动开关 风门与耦合 器时经常引起 P L C误动 作造成跳闸等。 1 - 2 系统可靠性不高的原因分析 分析总结风机历次跳闸的原因 ，信号干扰为引起故障 的主 要因素 ， 归纳为以下几种 1 风机控制柜设计缺陷 动力 交流电器 与 P L C直流毫伏信 号模块装在一个控制柜内 ， 动力线与信号线配在 同一个槽 ， 造成 强电干扰弱电信号 ， 引起 P L C误 动作 。控制柜 内产 生较 强干扰 源设备主要有变压器 3 8 0 V ／ 2 2 0 V 和交流接触 器。一类 是变压 器产生 的干扰 ， 为长时干扰 ， 此类 干扰 的特 点是 干扰 电压 长期 存 在但变化不大。 另一类是 交流接触器动作产生的 ， 为快速瞬变干 扰 ， 此类干扰是在接触器动作的瞬间 ， 在接触 器线圈上瞬时产生 很 高的感生 电动势 ， 高达几千伏 ， 在电压 突变的情况 下产 生快 速 瞬变干扰。 其主要特点是 幅值高 、 前沿陡、 脉冲尖 。 干扰脉冲的前 沿 特别陡 ， 只有 5 n s ， 半峰宽 度 只有 5 0 n s 。该 干扰直接 影响 到 P L C的正常运行 ， 因 P L C模块 内部的 电子元件都是弱 电工作元 器件 ，该干扰信号会造成继 电器逻辑紊乱 、 CP U死机或置位 、 l／ O模 块信 号失真 等误 动作 ， 造成风机跳闸。因此快速瞬 变干扰是引起风机跳闸的主 要因素之 一。如 图 1 所示 。 2 现场电缆的干扰影 响 由于高压动力电缆 线与信号 线 同在 一 条 电缆 沟 内并 行 3 O余米 ， 使得高压线 与信号 线以及大 电流控制线产 生空 间电磁场 。而 当突发产 生的 快速瞬变 电压或浪 涌电流 ， 将直接 串人 动力线 ， 形 成串 不同的电J土等级对 图 1 电快速脉冲试验的典型干扰波形 模 干扰 ，干扰源通过 电磁感应和静 电耦合作用使得信号线上 的 感应 电压数值叠加 ， 造成信号失真 。 轴振动信号线与动力线平行 敷设 ，曾经测试 来 至 五配 的电缆 线两 头 断开设 备 的时候 ， 有 1 3 0 V的感应 电压 ， 所 以存在影响轴振 动值超标 的干扰源 ， 造成 振动值超标 的虚假信号和误跳闸 。现场 电缆敷设与设备连接 图 如 图 2所示 。 图 2现场电缆 敷设与 设备连接图 3 系统通讯与接地造成的干扰 风机上位机与 C P U控 制器 通讯采用 MP l 总线连接 ， R S 4 8 5物理接 口，屏蔽双绞线连接方 式。如图 3中可见通讯线 的屏蔽线作 为地 线与 P L C串联接地 ， 形成两处于扰。一是屏蔽线作为地线会有 噪声 电流形成接地 串 扰 ； 二是两台设备串联接地会造 成设 备间产生电位差引入干扰 ， 该干扰会 弓 l 起 P L C误动作 ， 造成风机误跳 闸。 通 讯 电缆 }撺 柜 图 3上位 机 与 PL C 的 通 讯 连 接 4 计算机系统对仪表的干扰信号或稳定问题缺乏判断 ， 容错 能力差 偶尔 出现 的一些问题 ， 如温度或压 力的接线接触 不好 ， 形成开路 ；震动值 由于干扰 而超标 等计 算机系统无法判断或过 滤 ， 引 起 风 机 跳 闸 。 2 系统解决方案与措施 2 ． 1系统硬件部分 2 ． 1 ． 1系统结 构 系统结构主要分为控制室与现场两部分组成 。控制室部分 将 强电与弱 电分 开 ， 分 为动力柜 CP 与 P L C控制柜 I P 、 电源 柜 。 空气 开关 、 交流接触器 、 热继电器 、 中间继 电器 、 动力线 、 隔离 变压器均 布置在动力 柜 内。P L C CP U模 块 、 通讯模块 、 I ／ O模 块 D C 2 4 V电源等布置在控制柜 内。 强 、 弱电系统之 问有源信号 联络均 采用 中间继 电器隔离 ， 信 号线 弱电 与控制线 强 电 分 开捆扎走不 同的线槽进控制柜 接线 端。U P S电源 、 分 析仪表放 在 电源柜 内。现场部分将 电缆隔离敷设。现场挖了两条沟 ， 一条 一 一～ 寸 机 一_-l 他 上 ● 进 口 S O2 高压风机控制系统可靠性改造 走动力电缆 、 另一条走模拟量信号电缆和开关量控制电缆。 动力 电缆通过 动力沟 ， 经过现场动力接线盒进设备 ， 每台设备均采用 保护接地 。 模拟信号 电缆通过电缆沟不经过接线盒直接人仪表 ， 开关量控制 电缆通过电缆沟经过接线盒进仪表。 2 ． 1 ．2 系统 配置及部件选型 控制柜 1 P 采用西 门子 S 7 3 0 0 P L C控制 系统 ， CP U采 用 C P U 3 1 5 2 DP ， I ／ O子站采用 E T 2 0 0 M， 控制 器与 I／ O子站之 间通过 P r o f i B u s D P总线连接。 E T 2 0 0 M 配置了有源背板总线 ， 实现 I ／ O模块带电插拔功能 ，并且不会 因现场 I／ O信号 干扰 引 发 C P U不稳定甚至死机 ， 系统运行更稳定 。 上位监控站采用研华工控机 。为 了减轻 CP U通讯负荷 ， 在 S 7 3 0 0控制器机架 中配置一块 C P 3 4 3 1工业 以太网模块 ， 通 过 R J 4 5接 口与上位监控站实现连网通讯。R J 4 5接 口插拔不会 影响 P L C系统正常运行 ， 便 于上位机检修维护 。该监控站安装 于现场不锈钢操作 台内 ， 可兼作操作站和工程师站。 通讯 上下两层网络分别采用符合国际标 准的工业 以太 网 和现场总线协议 ， 控制 系统具有 良好 的开放性 ， 便 于今后 系统扩 展或与其 它系统实现信息交换 。 供电 增加一套美国 AP S公司在线式 U P S电源 ，对 P L C 控制系统和过程检测仪表独立供 电。U P S有滤波 功能 ， 可使控 制电源得 到净化 ；在外部电源电源失电情 况下 ，由电池逆变供 电， 维持对控制系统不 问断供 电。设置两套 2 4 V D C冗余 电源装 置 ， 一套用 于 P L C 系统 内部供 电 ， 一套用于仪表 、 中间继 电器和 DI 信号 回路供 电。对于仪表 和 DI 信号 回路 ， 除设置分断路器之 外 ， 还设置熔断型端子 ， 便于 回路 检修 并使 危险分散 。即使在控 制系统电源全部失去时 ， 因中间继 电器采用常开接点输出 ， 电动 执行器不会动作而保持原位 ， 确保工艺设 备安全。 动力柜 CP 采用美国 A B B公 司生产 的交流接触 器 、 热继 电器 、 中间继电器 、 空气开关 、 信号灯等设备 ； 采用密封好 、 防腐 性强的梅勒控制柜 ； 为防止 浪涌 电流对 电路 的冲击和干扰 ， 在动 力柜 内及控制柜进线前端 UP S后 装了防雷保护器 。 现场动力线采用的是 K V V多芯动力 电缆 ， 信号与控制线采 用的是 K V V P多芯屏蔽电缆。 为了防止通过接地 串扰 ， 本 系统控制柜设置两类接地条 ， 分 别用于信号 、电缆屏蔽接地和电气安全接地 ，两类 接地严格 区 分。电气安全地用于柜体和设备外壳安全接地 ， 防止人身伤害事 故发生 。信号 、 电缆屏蔽接地 主要用 于 P L C模块 、 计算机 、 触摸 屏 、低电平仪 表以及检测信号电缆屏蔽层接地。为防止 电磁 干 扰 ， 控制设备采用混合接地方式 ， 即单点接地与多点 接地混合接 地方式 ； 而电缆屏蔽层 则采用一点接地 。如果屏蔽层有 了两个接 地点 ， 就会在屏蔽层中产生 噪声 电流 流动 ， 从而通过 电感性耦合 进入信号电缆。图 4 a是 同轴电缆和屏蔽双绞线的一点接地原理 图， 屏蔽层 的接地点可选在 两端 的任意一端 ， 但 不能同时两端接 地。 当屏蔽层两点接地 见图 4 b ， 屏蔽层和两条接地导线构成闭 合 回路 ， 屏蔽层和信号电缆 的电感性耦合使信号线 中产生干扰。 趔塑 丝 f 号源 蔽 R 屏 蔽 L 的 噪声 电流 1 图 4电缆 屏蔽层 的单点接地和两点接地 城 l乜 路 2 ． 1 ． 3 其它措施 为了防止弱信号电缆线 路过 长受 干扰 ，将原轴震动变送器 移至现场仪表柜 ， 缩短与传感器的距 离。 将震动传感器送省计量 单位校验确认 。所有仪表检 查确认 ， 包括压力控制 器、 双金属温 度计 、 压力变送器等 ， 并新增偶合器油温 、 循环水液位等测点及 仪表。 2 l 2 系统应用软件方面 监 控站 计算 机 软件 配置 Wi n d o ws X P操作 系统 和 S T E P 7 5 ． 4编程软件 、 Wi n CC最新 中文开发版软件 。 通过软件采用以下 方式提高可靠性 1 信号滤波 ， 采用软件数字滤波来提 高有用信号真实性。 对 于有大幅度随机干扰的值 如 轴震动值 ， 采用 程序 限幅法 ， 即连 续采样五次， 若某一次采样值远远大于其它几次采样 的幅值 ， 那 么就舍去之 。对于油压 、 液位等参数 如耦合器油压 ， 往往会在 一 定范围内频繁波动 ， 则采用算术平均法 。 即用 n次采样的平均 值来代替当前值。 2 开路检查 ， 对模拟量信号有效 如电动机 轴承温度 ， 只需 要在通道组态 中指定。 一旦检测到 回路开路 ， 进入系统的数据可 设置为保持不变 ， 同时产生开路报警 ， 即可避免引起误 跳闸 ， 又 可发现故 障回路。 3 延时动作 ， 对 于信号 的抖 动和瞬间干扰有效 如 轴振 动 具体通过 ON延时或 OF F延时元件实现。延时时间视具体情况 由操作员定 ， 如 轴振动设置 为 1 0 0 ms ， 油压 信号设置 为 1 s等。 因为监控软件开关量次采集 是采用逢变则报方式 ，信号抖动 和 瞬间干扰会产生报警消息， 但不会 引起误跳闸。 4 信号关联 ， 找出信号之间的逻辑关系 ， 利用软件逻辑实现 联锁条件 的一致性判断。 例如 ， 若 出现泵 出口压力过低而泵电流 基本不变的情况 ，则可判断压力过低肯定是假信号。软件编程 时 ， 可将压力过低和 电流过低两个信号通过 “ 与 ” 门运算后作为 联锁条件 ， 一定程度上可避免因虚假信号引发的误 动作跳闸。 3结 束语 根据 风机 的故障现象和原 因 ， 以提高风机的可靠性为 目的 ， 因地制宜采取一些方法和措施进行技术攻关与改造 ，目前风机 已正常运行一段时间 ， 没有出现跳闸现象 ， 顺利完成改造 目的。 参考文献 [ 1 ] 成永红 ， 陈玉 ， 等． 测控技术在 电力设备在线检测 中的应用[ M] 北京 中国电力出版社 ， 2 0 0 6 [ 2 ] 秦益霖． 西 门子 S 7 3 0 0 P L C应用技术 [ M] ． 北京 电子工业 出版社 ， 2 00 7 [ 收稿 日期 2 o 0 91 1 ]