莱钢焦炉鼓风机DCS自动控制系统的开发与应用.pdf

科技信息 工 程 技 术 莱钢焦炉鼓风相 D C S自动控制系统昀开发与应用 山东莱芜钢铁集 团有限公 司 自动化部 朱英华苏跃华 王晓云 [ 摘要 ] 本课题详细介绍 了利 用横 河对莱钢 焦炉鼓 风机 组 DCS系统 的研 究与应 用。该机 组控 制 系统采用横河公 司的 CS 3 0 0 0系列 系统 ． 采用数据块 实现 了对 重要设备 的计 算机 自动控 制。 [ 关键词 ] S T L焦炉鼓风机三 电一体4 L E I C DCS 抗干扰 防喘调节 0 ． 引言 焦炉鼓风机是给焦炉提供冷 风的大型旋转设备 ，是炼 焦生产线 中 制约焦炉生产的重要因素之一。因此在设计上 ， 充分考虑 了 自动控制系 统的稳定可靠性。主要设计内容包括控制系统设计、 仪控系统设计、 电 气专业设计 、 抗干扰优化和冷风保安系统设计等几个部分 。 控制系统设计充分考虑 了可靠性 这个因素 ，采用基 于现场总线 的 全冗余系统， 包括控制器冗余、 电源冗余、 网络通讯冗余 、 上位机冗余。 多重冗余的设计不但提高了控制系统 自身的稳定性能，而且还极大地 提高了控制 系统的先 进性 。 仪 表设计 主要在选 型上紧密围绕着可靠性 ， 选用 了性能优 良、 可靠 稳定 的一系列 专用仪 表设 备。同时考 虑到先进性 ， 这些设备都带有与控 制 系统通讯 的接 口。 提高 了整个系统 的 自动化程度 ， 为安全运 行提供可 靠保证 。 在该项 目中采用 了大量先进 的控制技术 和控制 思想。 比如 防喘变 增益 自动调 节 、 逆流三选二判 断 、 静叶定风压 ／ 定 风量选择 控制等 。这 些控制思路不但保证 了机组 的安全可靠运行 ，对 于提升整个风机机 组 控制 自动化程度有着很大的现实意 义。 1 ． 焦炉鼓风 机工艺和主要技术指标 1 ． 1焦炉鼓风机组工艺简介 焦炉鼓风 机组 以下 简称风机 是为焦炉 冶炼提供 冷风的设 备 ， 其 工作原理是通过汽轮机或 电机拖动使鼓 风机高速旋转 ，将 常温常压空 气压缩 到一定 压力 温度后 ， 输 送给焦炉用 于焦碳冶炼 ， 完成将蒸 汽热能 或电能转化 为动能 的过程 。焦炉鼓风机组 在焦碳冶炼过程 中起着 非常 重要 的作用 ， 是制 约焦炉 生产 、 顺 产的重要因素之一。 1 ．2控制系统技术指标 该控制 系统 的总体方 案为 从三 电一 体化的角度 出发 ，以集 中控 制 、 分层结构为主要特点， 综合考虑整个控制系统的抗干扰能力， 最大 程度地保证整个机组 的安全稳定运行 。 根据总体方案 ， 该控制 系统 的设 计分为 四大部分。其总体设计如 图 1 所示 。 I抗干扰优化设计 I ， 、 图 1 焦炉鼓风机组总体设计方案示意 图 自控系统根据设 计总要求共分为三层 第一层 现场参数检测与数据采集 第二层 分散 的数据处理 、 过程控制 第 三层 集中操 作监 视 结合该机组工艺布置和特点， 设两个过程站 ， 实现模拟量、 数字量 的采集和处理 。 2 ． 焦炉鼓风机组 D CS系统 莱钢风机是静叶可调多级轴 流风机 。机组 主要 由汽轮机 、 鼓风机 、 联轴装置、 辅机等部分组成。新上 7 、 8 焦炉鼓风机机组 以下简称风 机 计算机控制系统采用横河公 司工业 I T系列 的 C S 3 0 0 0系统 。 2 ． 1系统硬件设 计 C S 3 0 0 0现场控制器是横河公司近年推出的一种全能综合型开放 控制系统 ， 该系统 既具有 DC S的复 杂模拟 回路调 节能力 、 友好人 机界 面 H MI 及 方便 的工程 软件 ， 同时具有与 高档 P L C指标相 当的高速 逻 辑 和顺 序控制性能 。C S 3 0 0 0是 融入现场总线 的过程控 制站 ， 它拓展 了 传统 的过程站功 能， 为用 户提供 了应用 现场总线技术的灵活性。 指 令 系统 主要 考虑 指令 系 统 的功 能是 否能 够 满足 控 制要 求 。 C S 3 0 0 0的功能非常强 大， 适用 于各个行业 的中小型 自控系统。 2 ． 2系统通讯 采用冗余控制和通讯方式。控制器实现冗余， 当主 C S 3 0 0 0出现故 障时可以平滑快速无扰动地切换到热备 C S 3 0 0 0 ， 每个现场控制器都可 以使用以太网模件用于主 C S 3 0 0 0 与热备 C S 3 0 0 0之间的通讯和同步； 现场控制器 、 操作员站和工程师站之 间采用工业 以太 网系统 总线 D I G I N E T S 。工程师站将新的或修改过的程序加载到过程站， 且可以远程 诊 断现场控制器 和各 模件的运行状 态 ，同时 C P U可 以 自动识 别模 件 ， 对该模件 的组态信息进行 自动更新 。 同时与机架式控制器兼容 ； 强大的 自诊 断功能便于系统维护 ； 前面板连接 的紧凑坚 固的结构设计 ， 便于接 线 和安装 。 2 - 3 抗 干扰设计 焦炉鼓风机控 制系统 的可靠性直接影 响到炼铁厂热线设备 的安全 生产 和经济运行 ，因此鼓 风机控制系统 的抗 干扰能力关系 到整个控 制 系统安全可靠运行。焦化厂所使用的3 套焦炉鼓风机控制系统全部集 中安装在一个控制 室内 ， 其 现场周 围环境复杂 ， 现场存在着许多无 法预 料 的因素 ， 因此在进行该控 制系统的设计 时， 偏重优化系统 的抗干扰 能 力 、 提高系统的可靠性 。 2 ． 4系统功能 2 ． 4 ． 1 防喘控制 防喘控制是整个风机控制 的核心和关键 。该项 目的防喘控制主要 采用 了变增益 P I D调节 。首先 为了确保风机安全稳 定运行 ，避免发生 “ 喘振 ” 、 “ 阻塞” 、 “ 旋 转失速” ， 把风机 工况点运行 区域进行 了划分 ， 设置 保护 。当风机 在有效 使用区域工作时 ， 不会发生不稳定现象。为 了避免 鼓风机发生喘振 ， 将实际测定的喘振线 接近喘振 下移 7 1 0 ％的量， 绘制一条喘振动作线， 当鼓风机运行工况点达到喘振动作线 ， 防喘装置 将会 动作 ， 放 一部分风 ， 保持鼓 风机稳定工 作 ， 给运行 人员一个调 整的 时 间 ； 若鼓风机 运行工况点 迅速达 到喘振放风线 ， 防喘 阀会全部打开 ， 全部放 风 不 同的机组防 喘阀全部 打开的条件 不一样 ； 若 风压急剧增 加 ， 风量急剧减少 ， 防喘 阀会立 即打开 以防止 喘振的发生。 2 ． 4 ． 2静叶控制 静叶是风机的关键设备之 一 ，其开度 的大 小直接影响风机 的送风 量， 我们在考察了其他钢铁厂的风机后， 发现静叶控制都是在计算机上 进行 手动操 作 ， 因为这样 比较便于风 机侧 控制风量 ， 因此 为了方便送风 量的控制 ， 我们 对风机的控制也采用 了手动控制 ， 即由操作人 员在画面 上手 动直接 控制静叶的开度。 静 叶控 制系统是一个典型 电液伺 服控制闭环系统 ，由计 算机发出 指令信号 ， 以油液 为工作介 质实现位置控制 的系统。就控制作用来看 ， 分为给定环节 、 反馈环节 、 比较环 节 、 放大运 算环节和执行环节。 被控 对 象为焦炉鼓风机的静叶。其闭环控制系统的组成如图 2 所示 比较环节 输出羞 图 2静叶控制 2 ． 4 ． 3联锁控制 启动连锁 润滑油 温度正 常 、 逆止 阀关 闭 、 静 叶关闭 、 放 风 下转第 3 7 1 页 ．．． 36 9．．． 科技信息 工 程 技 术 锚杆 间距可有 为设计 问距 1 0 ％的缩短或加宽涮 整范围； 5 ． 2 ． 2根据地形 条件 ， 孔 间距 可有 0 ． 3 m的 调整 量 ， 对非 低凹处或 不 能满 足系统安装后 可能 紧贴 坡面 的锚杆 孑 L 一般连续悬空 面积不得 大于 5 m ， 否则宜增设 长度不小于 0 ．5 m的局部锚杆 ， 该 锚杆 可采 直 径 T． ／ b于 1 2的带弯钩 的钢筋锚杆 或直径 不小 于 2 b 1 2的 双股钢绳锚 杆 ， 应 存每一 彳 L 位 处凿一深度 不小于锚杆 外露环 套长度 的凹坑 ， -一 般 口径 2 0 e m， 深 2 0 c m。 5 ． 3钻孑 L 铺杆施 I 5 ． 3 ． 1 挖锚杆坑前 ， 应根 据没 汁要求 和底层岩性 ， 定 H { 坑位 ， 做 l { I 标记 ； 5 ． 3 ． 2上下边沿锚坑的最小尺寸大小为 b 5 0 ra m， 深度为铲去表层土 壤后 2 ． 7米深 针对 2 ．5 m锚杆 ， 中间锚坑 的最小尺寸大小为 5 0 ra m， 深 度为铲去表层土壤后 2 ．2米 深 钊‘ 对 2 m锚杆 ， 、j j 开挖 至基岩 尚未达到 没计深度时 ， 则存基坑内的锚杆孔位 置处钻凿锚杆孔 ， 待锚 插入基岩并 注浆后才灌 注上部基础 ； 5 ．3 ．3锚杆 的钻孔轴线 应符 合设计 要求 ； 5 ．3 ．4对钢绳锚 杆 ， L 深应 比设计锚 杆长度 长 5 0～1 0 0 mm； 白进 式 锚杆 钻进深度误差 不宜大 1 二 5 0l／ i ra； 5 ． 3 ．5锚杆孔径 应符合下列要求 双股 钢绳锚杆孔径应 大于钢绳 2 倍直径 1 2 mlT I ； 其 他股数钢绳锚 杆孑 L 径应符合设计要求 ； 5 ． 3 ． 6 受凿岩设备 限制时 ，构成每根锚杆 的两股 钢绳 可分别锚 人 两个 孔径不小 于 中3 5的锚孔 内 ， 形成人 字型锚杆 ， 两股钢绳 间夹 角为 1 5～3 0 。 ， 以达 到同样 的锚固效果。 5 ． 4注浆并插人锚杆 预埋锚杆 5 ． 4 ． 1 预埋锚杆前 ， 应做好下列检查T作 ①锚杆原材料 型号 、 规格 、 品种 ， 锚杆各部件质量及技术性 能应 符合设计要求 ； ② 锚杆孔位 、 孑 L 径 、 孔深及布置形式应符合设计要求 ； ③孑 L 内积水 和岩粉应 吹洗f净。 5 ． 4 ． 2锚杆的原材料及砂浆配合 比， 应遵守下列规定 ①钢筋锚杆杆 体使用前应平直 、 除锈 、 除油 ； ②钢绳锚 杆杆体使用前应 除油 ； ③宜采用 中细砂 ， 粒径不应 大于 M2 0 ， 水 泥 砂宜为 1 1 1 ． 2 重量 比 ， 水 灰 比宜 为 0 ． 4 5 0 ． 5 ， 不应选用标号低 于 3 2 5的水泥 。 5 ．4 ．3砂浆应拌 和均匀 ，随拌随用 ，一次拌和的砂浆应在初凝前用 完 ， 并严防石块 、 杂物 混人。 锚杆长度大于 3 m时 ， 注浆宜采用机械注浆 。 其注浆作业应遵 守下列规定 ①注浆开 始或中途停止超 过 3 0分钟时 ， 应用水或稀水泥浆润滑注浆罐及其管路； ②注浆时， 注浆管应插至距孔 底 5 0 1 0 0 m m， 随砂浆 的注 入缓慢匀 速拔 出； 杆体插 入后 ， 若孔 [ 1 无砂浆 溢出， 应及时补注； ③钢绳锚杆应在杆体插入孑 L 后内再注浆。 5 ． 4 ． 4杆体插入 孔内长度不应小 于设 计规定 的 9 5 ％。锚 杆安装后 ， 不得随意 敲击 ， 三天 内不得悬挂重 物或进行下 道T序施 丁。 5 ． 5纵横 向支撑绳安装 5 ． 5 ． 1横 向 支 撑 钢 丝 绳 的 选 用 ① 钢 丝绳 材 质 强 度 不 宜 低 于 1 7 7 0 Mp a的 61 9 I WS结构类 型的高强度钢芯钢丝绳 ；②钢丝绳公称 直 径 宜选 用 1 2 mm、 1 6 ram、 1 8 m m 和 2 0 ram；③ 必 须 采 用 镀锌 量大 于 7 0 m2 的热镀锌 钢丝 绳 网 ； ④钢 丝绳 质量性 能应 符合 闺家标 准 钢丝 绳 G B ， r 8 9 1 8 1 9 9 6 的要求 ； 5 ．5 ．2张拉 紧后两端各朋 2～4个 支撑绳 长度 s l , q 1 5 m时为 2个 ， 大 于 3 0 m时为 4个 ， 其I 司为 3个 绳卡 与锚杆外露环 套同定 连接 5 ．6铺挂格 栅网 5 ．6 ． 1 从上 向下铺 挂格栅网 ， 格栅网问重叠宽度不 小于 5 c m， 两张卡 符 栅 网间的缝合 以及格栅 网 与支撑绳问用 1 ． 5铁丝进行扎结 ， 坡度小 于 4 5 。 时， 扎结 点问距 不得大于 2 m， 当坡度 大于 4 5 。 时 ， 扎结点问距不僻 大 于 h n 有条件时本 ] 序可 前 一1 序完 成 前即将格栅 网置于支撑绳 之 下 5 ． 6 ． 2格栅底部膻沿斜坡 向上敷设 0 ．5 m左有 ， 并为使下 支撑绳 与地 而问不 留缝 隙， 用一些石块将 格栅 底部压 住 5 ． 7铺设钢丝绳 网并缝合 5 ． 7 ． 1 钢丝绳网的就位方法宜根据现场施 1 一 场地 、 机具 起 吊滑轮组 、 钢丝绳 、 粗麻绳 、 葫芦 、 梯子 等 、 人力条件 以及经 验和习惯而定 ， 一般宜 采用 以下方法 ① 用一根起 吊绳 钢 丝绳或 专门准备的粗麻绳 穿钢丝 绳上缘第 排左右 网孑 L ， 一端 同定存临近牢 罔点 的顶 端 ， 另一端穿过悬 挂 同定于横支撑绳上 的起 吊滑轮组 使尾端 垂落到地面附近 ；②拉动 起 吊绳尾端 ， 直到钢丝绳 网上 缘上升到横 支撑绳 水平 为止 ， 再用绳 将 网与横支撑绳暂时进行松 动联 结 ，同时也 可将 网与下一格的横支撑绳 暂时联结以确保缝合时更为安全 ， 此后起 吊绳可 以松 开抽出 ； ③重复上 述 步骤直到全部钢丝绳 网暂 时挂到横支撑绳 上为止 ，并侧 向移动钢丝 绳网使其位于正确位置 ； 5 ．7 ．2钢丝绳 的缝 合 从上 向下 铺设 钢丝绳 网l片缝 合 ， 缝合绳为 b 8 钢绳 ， 每张钢 丝绳网均用一根长约 3 1 m或缝合绳 按单 张网周边长的 1 _ 3 倍截短， 即2 7～ 3 1 m 的缝合绳 与四周支撑绳进行缝合并预张拉， 缝合 绳 两端各用 两个 绳卡与网绳进行 固定联结。 6 结论 S N S边 坡防护 网在局 部大体积或危岩堆 时 ，可考虑采用双层 钢丝 网加强型 主动 防护 ， 并 能实现较高 的防冲击 能力 ， 恰好克制 落 危害具 有强 大的动 力冲击破坏作 用 ； S N S边 坡 防护网能在 设计能 力范 围内安 全地 吸收落石 动能并将其 变形能 力加 以消散 ， 充 分利用 “ 以柔克刚 ” 的 个性 ， 使柔性 和强度足 以吸收和分散传递预{ { ‘ 溶石冲击动能 ； s N s边坡 防护 网是采用热镀锌钢丝绳等 材料制作而成 ， 具 有较长防腐寿命 ， 延长 坡面有效防护使用寿命 ， 有安装方 便快捷 、 防护 耐久 性好 、 防护效果好 、 降低_ [ 程造价和改善沿线景观等特点 ，且适 应性强 ， 便 于人 绿 化， 利 于 环保 等优点。 参考文献 [ 1 ] T B 1 0 0 3 5 ～ 2 0 0 6 { 铁路 特殊路基设计规 范 [ 2 ] 中华人 民共和 国铁道部运输局． 运基线,Y -g 2 0 0 0 3 2 3号 S NS边坡 ’ 柔性 网防 护 系统设 计 、 施 工、 验 收 暂行 办法[ S ] ． 北京 铁 道部 运 输局 ， 2 0 0 0 上接第 3 6 9页 阀 全开 、 润 滑油压 力正 常 、 动力油 压力正 常 、 盘车 闭锁等条件都满足， 画面显示“ 机组允许启动” ， 就可以启动风机 ， 若上 述任何 一个条件 不具 备 ， 就不能启动机组。 停 机联锁 手动紧急停机按钮 被按 动 、 润滑油压 力太低 、 风机 ／风机 轴位移过 高 或过低 、 持续逆 流发生 、 防喘 阀故障 、 风机转 速过 高 、 动力油 压力 太 低 、 风机速关油压力低， 以上停 机条件任何一个满 足 ， 立 即停 机 ， 并在 画 面上记 录下停机原 因。 2 ． 4 ． 4安全运行 图 3安全运行控制检测流程框 图 在机组运行过程 中 ，当由于逆流 、进风温度 高或手动转入安 全运 行 ， 机组 就进入 安全运行 ， 此时 ， 防喘阀全 开， 当意外情 况排除 ， 要重 新 使机组 正常运转 ， 向 工艺送 风 ， 就在 画面上按下 “ 存储器复 位” 按钮 ， 然 后按“ 自动操作 ” 按钮 ， 就 可以向焦炉送 风。 当进入安全运行状态后 3秒 ， 若检测到 防喘阀没有全开 ， 则报警 仪 上 出现 声光报警 “ 防喘 阀快 开失灵 ” ， 并 立 即停机 。控制原理 如图 3所 刁 。 3 ． 结束语 莱钢焦化 厂风机机组 主要 由风机 系统 、 汽 轮机系统 、 油系统组 成 。 这几个系统的电气、 仪表及自动控制方面的设计、 安装 、 编程、 调试等工 作是 由莱钢集 团有 限公 司 自动化部独立完成的。通过半年多的运行 ， 该 系统设 计完善 、 运行可靠 ， 功能完 善 ， 报警指示 准确 ， 运行 稳定可靠 ， 年 降低故障休风时间约 5 0 小时， 报警及时准确 ， 可及时指导维护人员处 理故障 ， 大大缩短故 障处 理问题 时间 ， 确保了生产的顺 行。 参考文献 [ 1 ] 孙 自强． 生产过程 自动化及仪表 ． 华 东理 工大 学出版 社 ， 1 9 9 9年 8月第一版 [ 2 ] 李正军． 现场总线及其应用技术． 机械工业 出版社， 2 0 0 4 [ 3 ] 横 河公司． CS 3 0 0 0系统 随机 资料 [ 4 ] 涂植 英 过程控制 系统． 机械工业 出版社