攀钢新二烧结厂主抽风机自动化系统.pdf

攀钢新二烧结厂主抽风机 自动化系统 P L c F A 2 0 1 1 年 0 4月 Th e De s i g n a n d Re al i z a t i on o f Ne w Si n t er F a n Sy s t e m o f I r o n F a c t o r y o f Pan g an g St e e l Gr o u p 1 引言 随着全球温室效应的加剧 ，节 能 减排 已经 成 为 了 国家 的一 项重 点 工 作 。攀钢作 为西部最大的钢铁联合企 业 ，有 着义不容辞的责任和义务 ，炼 铁厂新二号烧结系统成 为了攀钢节能 减 排 的 “ 一 号” 任 务 。主 抽风 机作 为 整个烧结系统的子系统 ，为烧结工艺 提供稳定可靠的风源 ，对烧结质量起 着至关重要的作用。AB B作为炼铁厂 二 烧结 主 抽风 机 系统 的变 频器 供 货 商 ，同时负责变频器外围供电保护系 统的设计与实现 。 根据烧结工 艺要 求 ，风机 需要运 行在工频状 态。北京AB B电气传动 系 统有限公司提供的基于ME GA D R I V E 一 北京 A BB电气传动系统有限公司 陈翔辉 Ch en Xi an gh ui 摘 要烧结厂主抽风机系统 由A B B提供系统设计方案 本文主要包括系统概述、硬件系统 的构成、软件的设计等 内容 。该系统为主抽系统电气设备提供 了安全 、稳定的供电环境 ， 保 障了电机变频启动和工频运行，为烧结系统提供了稳定可靠的风源 ，为攀钢集团节能减排 做 出 了贡 献 。 关键词变频器8 0 0 x A P L C 总线 Abs t r a c t The sin t e r F a n s y s t em i s d es i g n ed b y ABB． The s y s t e m pr o v i d es a s a f e a n d s t ab l e p o wer s u p ply e n v i r o nme n t f or elec t r i c d e vic e s， an d g u ar an t ee mo t or s o f t s t ar t ing an d n o r ma l r u nn i n g ．I t he l p s t o p r o v i d e s t a b l e wi n d f or s i n t er r e qu i r e m e n t s a n d c on t r i b u t e t o En e r g y s av i n g a n d emis s i on s r e du c t i o n Ke y wor dI n v ed e r 8 0 0 x A PL C F i e l d bu s 【 中图分类号】T P 2 7 【 文献标识码】B 文童编号 1 6 0 6 5 1 2 3 2 0 1 1 0 4 0 0 6 3 0 5 L C I 的高压软 启系统负责； 电机从 零 速启动至 同期转 速后 ，L CI 负 责计 算 比较 变 频器 输 出与 电 网之 间 的 电压 差、频率差 、相位差 ，待三者满足 同 期 条件 的 时候 ，发 出 指令 给 PLC ， P L C控制开关柜将 电机切人工频 。整 个 系 统 同 时 负 责 从 l 0 k V 电源 与 Ac3 8 0 V电源进线到主抽风机 电机 为 止 的全部设 备的系统保护 。 该 系统 由AB B AC 8 0 0 M作 为主控 P L C， AB B I n d u s t r i a l I T 8 0 0 x A实现主 控逻辑和人机交互界面。主控单元负 责采集 1 0 k V进线 高压开关状态、变频 器状态 、现场 电机轴瓦温度、风机震 动值 、同步 电机励磁单元、风 门执行 机构 、变压器 、油站润滑单元 、电机 风机水冷机构等信号 ，根据主控逻辑 判断主 电合 闸顺序 以及保护跳 闸。 该系统 已经通过验收 ，于2 l 0 年 1 2 月2 5 号在 攀钢顺利投 产。 2 系统概述 主抽风机 系统负责将 电机从 零速 平稳启动并最终并入电网工频运行 。 系统 中由一套 变频起动 装置切换起动 两台主抽风机 ，负责从 1 0 k V电源进线 到全部终端设备的监控 与保护 。A B B 负责 与电机 、风机 、油站 、高压开关 柜 、励 磁 等 厂 家协 调 ，统筹 信 号接 口 ，对整个变频起动系统进行完整设 计 。系统 电气单线 图参见 图1 所示 ， 主要设备 如表 1 所示 。 MCB2 K } B IB 卜 一 ‘ 1 2 j 。 j } ’“ RCB’ 图 1系统单线图 二烧结主抽风机系统由主回路部分 和控制部分组成。其中，主回路部分主 要由9 台断路器 MC Bs 、 2 台1 0 k V变压 器 T L S 、 T MS 、 1 台变频器 L CI 、 2 台 同步电机和2 台主抽风机构成。 控制 系统主要 由 1 套本地控 制柜 L C U 、 2 台励磁 E E XU 、 2 台机旁操 作箱 L OB 、 2 台工控机 HMI 、 2 台润 滑油站 L 0 U 和2 台风机挡板构成。 主抽风机控 制系统 以本地控制柜 L C U 为中心 ，综合 断路器 、1 0 k V变 压器、变频器、励磁柜 、润滑油站 、 风机 挡 板 以及 电机 、风 机 的状 态信 号 ，通过操作 台上的工控机 H MI 控制 风机的软启以及对 风机 工频运行状态 的监控。系统 结构 图如 图2 所示 。 2 ． 1系统功能 1 充分保证现场 电气设备以及操 作人员的安全 。只有在润滑油压、电 机轴瓦温 度、冷却水压 力、变压器、 一 麓 ； 一 【 ．．一一～ ． ⋯． ． ．一l⋯ A 33 S c o p e 一⋯⋯ 一～] 、 I j LC I 、『 ■ ．．莲 三 至 j 刁～⋯一 一 一一 臣互三 二 二 巫1 _ - 一 -⋯ 一 ⋯ 二 变频器 、高压柜状态正常的情况下 ， 才能允许操作员进行合 闸启动操作。 2 主抽 同步 电机起 动及运行期间 的正 常操作都能在 中控室内完成 ，操 作 简单 ，采 取 “ 一键 式功 能” 。系统 监 控值 ，如 电机绕 组 温度 、驱 动轴 温 、非驱轴温、电机转 速 ，风机震动 值 ，润滑油压 、油温 ，电网电压 、电 流、频率 ，励磁电流 ，变压器状态 ， 这些关键 数据都可 以在人机界面 中监 视。并且对温度、震动 、电压等趋势 曲线进行纪录 并存档 。操作员站可以 在系统中远程 操作风 门的开 度。 3 一 台变频器对两台同步 电机的 切换 。任 何 一 台同步 电机 起 动 完成 后 ，系统均能进入另一台电机的投切 操作 。 4 变频器将电机从零速启动至同 期转速后 ，开始计算比较变频器输 出 与 电网之 间的 电压差、频率 差、相位 表 1主要设备清单 L CI 变频器 L CU 控制柜 8 0 0 x A 软 件 T L S ／ T MS 变压 器 MCB s 高 压柜 E XU 励 磁柜 S M 同步 电动机 F a n 鼓风机 L OU润滑油站 6 4 P L C ＆F A r一 A0 6 0 6 2 1 1 N4 6 5 Z TSF G． 5 1 3 6 KYN2 8 A． 1 2 ME 6 0 0 0 T D7 0 0 0 6 瑞 士ABB 北 京A BB 瑞典A BB 保 定天威 许继电气 成都东方电气 上海 电机 陕鼓 陕 西 r ．t q - I 2 图2系统结构图 差 ，待三者满足同期条件后 ，发 出指 令给P L C， P L C控制开 关柜将 电机切 人工频 ，可以极大程 度地减小对工厂 电网以及现场设备的； 中 击。 5 为确保 安全 ，无论在变频启动 阶段还是工频运行 阶段 ，当电机轴瓦 温度、风机震动 、润滑油压超过设定 报警值 的时候 ，报警信息会出现在操 作员界 面中 ；当以上关键点数据超过 设 定 跳 闸数值 时 ，系统会 瞬 时切 断 l O KV 供电高压 开关 ，跳 闸原 因、位 置 、时间会出现在人机界面 ，同时警 报器发 出声光报警 。 6 9 组 高压开关综保系统 、两套 励磁单元通 过Mo d b u s 总线同P L C 进行 通信 ，以便中控 室可以及 时了解设备 信息 ，如 电压、电流、耗 电量 、以及 各种报警信息 。 7 每台主抽 同步电机的起 动时 间 可以在 1 2 O 秒内 完成 ，两台同步 电机 的起动时间可以在3 0 分钟内完成。 8 两台风机 各有 一个现 场控 制 箱 ，以满足客 户在现场与控制室内均 能实现 数值监控 、风 门操作、紧急停 车等功 能。 9 主抽风机 系统P L C 通过O P C与 一 级系统进行通信 ，一级系统 中控室 可 以实时获得 电机转速、温度 ，电网 电压 、风机震动 、风量等数据 。 2 ． 2本地控制柜 本 地控 制柜 由三面 宽8 0 0 mm、 深 3 1 2 2 2 2 2 1 O 0 0 mm、 高2 1 O 0 mm的柜子组成 ，其 中一 面低压配 电柜 ， 两面P L C E 。低压配 电柜 中有两路 -- N 3 8 o v电源进 线作 为 励磁柜的主电源 为电机励磁供 电 ，同时作 为其 它设备的辅 助控制 电源 。两面P L CC E 主要包括AB B的主控P L C， S 8 0 0 系 lj l O模块 、Mo d b u s 通讯模块 、看 门狗 、以太网交换机 等。控 制柜 由AB B设计出图 ，北整负 责柜体 装配 。 3 P L C硬件配置 本系统选用A B B A C 8 0 0 M P L C家族中 4 3 P M8 5 6 作为主 控单元 ，由于现场有3 5 0 左右1 0 数据需要采集 ，共使 用3 0 个 I O模块 ，具体分配如表2 所示。 表 2 I O模块分配 DI DI 8 1 0 1 0 1 6 路 数字输 入 A I P T 1 0 0 A I 8 3 0 4 8 路 模拟 输 入 A I 4 2 0 m A A I 8 1 0 8 8 路 模 拟输入 D O D O8 1 0 6 1 6 路数字输出 AO A O8 1 0 2 8 路 模拟 输入 由于每个I O组合最大数 目为 1 2， 根据柜体 布局和接线 方便的要 求 ，分成4 个I O组 。其 中一组直接连接在P L C右 侧 ，另外三组1 0 模块 分别接 g J T B 8 2 0 上面 ，然后通过光纤 与P L C进行通信 。 为 了保证程序的稳定性 ，添 加了NWI O看 门狗模块 ， 与P L C内部程序 、急停 回路配套使 用。确保P L C出现死机 或者程 序跑 飞的时候 能及时保护跳闸。由于NWI O需要通 过光纤与外 部通信 ，所 以使 用C I 8 5 8 作为适配器 。 高压 开关柜 的内部报警信息、 电网 电压 、电流、功率 因数等数据 ，以及励磁单元的报警 、跳 闸信息、励磁 电流 等信息 ，都 要送 到PL C， 进而送 到 人机 界面 。这里 采用 一 l1 ． ， L 旦 兰蛩 ． _ _ ⋯ 三 。 。 ⋯ 一一 ’一 luI 7． ’ 一_ l ； l一 一 三 一 兰 ■ i ，一L j 一 ⋯ L 一 _ _ j j 二 二 二 ‘ 蔓 王I j 一 上 型 一螋 』 一 H 一’ 一 置 兰 塑 曼 f 、 一 了一 _ L一 一 j 五三 亟 一 _ _ “ j 二 臣匿] 三 一 0 _ _ _一一 ～ ⋯⋯ U ,E - I ； E T 图 3 P L C硬件配置 Mo d b u S 现场总线 方式 ，采 用 屏 蔽 双 绞 线 连 接 ， 使 用 MO d b u S 适 配器 模块cI 8 5 3， P L C 硬件结构如图3 所示。 4 系统软件设计 本系统的软件设计主要分 为控 制器 主控软件和人机操作 界面 ，均采用AB B I n d u s t r i a l I T 可扩展 自动化系统8 0 0 x A来 设计 实现。 4 ． 1 8 0 0 x A主要特点 可扩 展 的 自动 化 系统I n d u s t r i a l 8 0 0 x A作为AB B 集团当 前 的主推产 品，使工业技术和 信息技术相结合 ，构建 了以属 性 目标平台为基础 的、开放 的 应用 系统 。它不仅提供控制功 能 ，而且是贯穿企业生 产、管 理、决策等行为的工作平 台。 8 0 0 x A系统具有统一 的操作 、 工程信息 管理环境 、高系统利 用 率 、 可 重 复 使 用 、 符 合 I E C 6 1 1 3 1 3 编程标 准等特点 ， 在 自动化领域具有很强的技术 优势 。 1 集成化工程环境 对 自 动化 系统 的全 面 升级 给 予 支 持 ，从现场设备 ，到工厂管理 应 用 ，以至整个生命周期 的各 个阶段。 2 简化实施与运行流程 过 程 工程 工 具 集成 ，对基 本 8 0 0 x A 系统结构及组态进行 自 动化创建 ，同时 ，双向数据交 换可确保设计 的一致性 。 3 图形功能设计 工程与 编程 。从现场设备到过程逻辑 模块 ，能够为整个控 制环路提 供 图形化生命周期数据 。 f 4 重复 利用型解 决方案 有 利 于 “ 最 佳 实践 ” 标 准 的全 面整合。采用通 用设计框架 ， P L c F A 2 0 1 1 0 4 1 1 号风 门挡板关闭 ； ● MCB1 合闸供电 人 ＼ 乏 蔓 ／ ● Y 1 号励磁开关合闸 J ● S CB1 合 闸 ● 0CB 合 闸 J CB1 合 闸 ● 1 号励磁启动 人 ＼ ／ ● T L C1 变频器启动 ＼ ／ ● RCB 1 合 蓟 ◆ L C1 停机 ● I CB1 断 开 ● 0CB 断 开 ◆ S CB1 断开 ● 1 号机组进入 工频运行 ◆ 结 束 图4启动流程 能够使方案快速复制 ，工程 施工及项 目再验证最小化。 5 增强型在线下载能力允许用 户将最新程序 下载到控制器中 ，并对 其加 以评估 ，不会对现有运行程序造 成影响。 6 操作界面 互动式操作界面，可 使用预定 元素和符号进行用户定制 。 4 ． 2主控软件 主控软件 的设计采 用F B D、 S TL 语言 ，基于AB B 的C o n t r o l Mo d u l e结 构来实现的。C o n o l Mo d u l e 是一种面 向对象的编程 方法 ，可以根据被控对 象的共性 来建 立类 ，然后再 派生或者 生成具体的对象。C o n t r o l Mo d u l e 作为 A B B 特有的编程方式 ，内部使用Va il a b l e 来编程 ，不 同的 C o n o l Mo d u l e 之 间通过P a r a me t e r 来交换数据 。 整 个主 抽 系统 中有 很 多 电气元 件 ，比如高压 开 关 、变压 器 、变频 器、油站 、电机、风机 、风 门器 、励 磁单元等 ，我们根据不 同的电气元件 生 成相 应的 类 ，保存 在 自定义 的库 中。这样就可 以在系统软件中 ，基于 ’ 相同的类 ，来映射不同的控 制对象 ， 大大提高了效率 、减少 了重复代码 。 系统在设计 过程 中 ，兼 顾操作 方 便与 安全 优先两条原 则 ，I 号机组 的 软件 起动流程如图4 所示。 由于系统 中 ，两套机组 共用一 台 变频器 ，所 以只能有一台电机处于变 频启动状态 。一套机组 启动成功后 ， 另一套机组方可进 入变频启动 。 如果在启动过程 中 ，出现油压过 低、电机轴瓦温度过高、风机振动过 大、急停按钮拍下、变压器故障 、变 频器 故障 、励磁单元故 障等 ，无论系 统处于变频启动还 是工频运行 ，主电 都将被切断。故障产生的逻辑见图5 。 考虑温度瞬时 突变可能 引起的系 统 误跳 闸 ，在软 件 中加 入 了滤波 功 能 ，只有在温度值超过跳 闸设定值 l 0 秒之后 ，才进行跳 闸动作。 6 6 P L C ＆ F A r～ 4 ． 3人机界面 中控室操作台上有 两台 工控 机HMI 1 和 } { 对二烧结主抽风机 系统进行状态监视和正 常操作，其中H M／ 1 是服 务器 ，装有编程软件 ， 用于维护工程师深入分 析故障以及工厂根据 自 身要求进行新功能的添 加，H MI 2 是操作员站。 工控机 共有9 个画 面，分别是系统画面、 l 风机画面、2 J R l ] i 画 面 、 1 拌风 机 操 作 画 面 、 2风 机 操 作 画 面、参数设定画面、参 数显示画面、配电画面 和趋势画面。 系统画面主要是主 图 5故障跳闸 数 ，励 磁 电流 的实 际 值 ，电机的定子电压和 定子 电流，实际转速 ， 风门挡板的实际开度。 单击系统图中具体 的模块可以显示相应模 块的具体状态信息 ，图 7 显示的为电机和变频 器的详细信息。 风机操作画面中可 图 6系统画面 ／ 1 } ≯l 冀 j _ 。 。 { ， 橹 姥 糖 - 麓 啊 ℃ i i 糟 蟾 瓤 鼍 蓐l 啊 尊 ． l 曩 ． 竺 递 lY- - ； 孽 稿 ■ ■ 辫 ■ 曩 l 目 曩 ■ ； 精 辩 -一 奔 自 薯 { 攀 璃 一 鼍 精 冀 罐t ● 嘲 盏 ．． ⋯ { 稿 一 鼍 聩 膏 -， l 嘲 嘛 h i 嚣 { t 醐蔫 鬻 蚺 蓝 _x囊 豳 - 嚣 皇 ； r ； 图7电机、变频器信息 图 8风机画面 下转 第 5 1页 架上称重传感器、速度传感器的输入 信号接入F T C 称 重模 块 ，由称 重模块 进行计算处理 包括AD转换 ，滤波等 后 ，再通过P L C 总线直接传 给s 7 3 0 0 P L CCP U， 通过s 7 3 0 0 P L C的控制 功能实现P I D控 制 ，通过称重模块 的 模拟输 出端子输 出4 2 0 mA控制信号 例如送 到变 频器 的信号 ， 通过就 地 盘上的触摸 屏可 以显示称 重过程参 数 并进行 操作。 3 ． 4 糖香料厨房 徐 州卷烟厂技术改造工程糖香料 厨房系统 ，要求对配置的9 5 个原料 罐 中各种糖香料按配方要求定量 出料 ， 配置； 隹 确度 为1 ％。原料罐下部装有 称重传感器并连接到称重模块 ，以检 测罐内料液重量和料液配制量。系统 接收上级生产管理部 门下发的生产任 务通知单 ，自动分解出所需配制料液 的牌号 、重量 ，选定调制罐 ，系统 自 动检索配方数据库中对应牌号的配方 参数计算出所需各原料的重量 ，然后 中央控制器 P L C 通过检测 到的原料 罐 内原料的实时重量控 制参与配制时 各个原料罐的出料 阀的开闭 ，达到控 制 出料 量的 目的 ，图9 为其 中的糖料 配制区原料罐显示画面。 控制系统采用西门子s 7 4 0 0 P L C， 另有E t h e r N e t 网络模块、电源模块、2 6 个P r o f i Ne t 节点模块 、9 5 个称重模块 S I WAR E X CS 、 2 7 个 电机模块、2 8 台 图 9 糖料配制区原料罐显示画面 F C变频器模块 、1 6 5 个各种I ／ 0输人 、 输出模块及4 个网络交换机等等。9 5 个 S I WAR E X C S 称 重模块分布在5 个I ／ O 子站箱 中，每个子站箱通过E T 2 0 0 S 扩 展装有 1 9 个S 1 W A R E X C S 称重模块 最 多可装3 1 个S I WAR E X C S 电子称重模 块 ， 每个子站直接接人 网络交换机 ， 进 而通过P r o f i Ne t 网络直接 接入P L C 中。系统共控 11 2 7 台电机定速转 动、 2 8 台电机变速转动 、6 2 0 台阀门开启或 关闭。 与 以前采用的差压变送器计量 方 式比较 ，改造 后的糖香料厨房具有精 度高、零漂小 、稳定性好 受温度影响 小 、 标 定方 便 无 需专 用 仪表 等优 点 。新 系统 2 0 0 7 年7月投 入运 行 ， 2 0 0 7 年 1 2 月通 过验 收。系统运 行至 今 ，维 护量 极 少 ，管 理操 作 非 常方 便 ，各项性能指标 均达到规定要求 ， 因而得到最终 用户的充分肯定 。 P L c F A 2 0 1 年 0 4 月 集成称重控制系统 ，这使称 重系统成 为集成在全 自动化 解决方案 中的一个 自动化装置 ，从而可使 用标 准自动化 系统执行 各种称重领域 的特定任务 。 这不 仅 允许 用 户以 多种 方 式实 现操 作 、显示 、控 制 、存 储 、通 讯 等工 作 ，而且还允许称量过程 完全融人标 准 自动化 系统 中，无需额外的投资及 管理费用 。上面提到的糖香料厨房的 这个例子非常典型 ，控制系统档次高 采 用 了大型S 7 4 0 0 P L C 、 I ／ O模块数 量 多 约3 4 3 个 、 称 重设备 台数多 9 5 台 、 配方 多、要求 配方精度高、设计 的外 围控制设 备数量多 电机、阀门等 约6 7 5 台 、 应用效果好 ，也充分 说明 了采用带称重模块 的全 集成称重控制 系统 的特 点和优势 。各 类仪表装置与 控 制系统 逐步 实现 一体化 、全集成 ， 是未 来生产过程 自动化 发展 的趋势 ， 称重模块的应用将会越来越广泛 。 作 者简 介 方原柏 1 9 4 2 一 男教 授级 高级 工程 师 ，昆明仪 器仪 表 学会 副理 事 长 ，冶金 自动化 、衡器 、自动化信息 编 委 ，发 表 论文 2 3 0余 篇 ，专 著有 电子 皮带 秤 的 原 理 及 应 用，电 子 皮 带 秤 。 4 结束语 采用带称重模块的P L c 构成 了全 参考文献 略 - - ⋯。 _ ⋯-_ ⋯● _ ⋯‘ ● ⋯__ ⋯。 。 ⋯● 。 ⋯。。 ⋯。 。 ⋯。 。 ⋯。 - 一。 。一 上接第 6 6页 以清晰的反映出冈栅．系统的工艺构成，包 括风门、风道、； 令 去 口 j 虢 、润 由 署 统等 等。些关建数 直 可以直 的反映到该 操作界面，比如目 几 白 々 轴瓦温度、风机的 振动值、油温、油压、冷却水的总流量和 总压力、i 拄风口风量、冈l 压、温度 以及粉 尘浓度等信号，如图8 所示。 为了方便现场 人员的操作 ，所有 执行动作都集 中在操作界面。包括报 警 、故 障 显示 ，风 门操作 、 启动 油 站、声光报警消除、机 组选择、上主 电、风机 启动 、风机停止 、故 障复位 等。厂可 以根据季节和工艺要求 ，来 调整温度、振动报警值和跳 闸值 。 5 结束语 基于8 0 0 x A ] 攀钢炼铁厂新二烧主 抽风系统能够更加安全有效的为烧结系 统提供稳定可靠的风源。该系统操作简 单 ，操作人员可以 “ 一键式” 启动 ，同 时在中控室内就可以方便地监控现场所 有信号量，极大的 氐 了现场人员的劳 动强度。系统可以根据出现的故障做出 判断 ，切断主电确保设备和人员安全。 该系统已经通过验收 ，于2 0 1 0 年1 2 月2 5 号在攀钢顺利投 产。 作 者 简 介 陈翔辉 1 9 7 8 一 男工学硕士 ， 工程 师 ，研 究领域 为自动化 系统集成 工程 领域 。 参考文献 略 -