我司（無錫羅茨鼓風(fēng)機(jī)廠）是主要從事于生產(chǎn)L系列羅茨鼓風(fēng)機(jī)的專業(yè)廠，生產(chǎn)羅茨鼓風(fēng)機(jī)已有30多年歷史，今天就來說說基于冗余容錯技術(shù)的高爐鼓風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)優(yōu)化改造。

本文主要介紹了基于現(xiàn)代冗余容錯技術(shù)的高爐鼓風(fēng)機(jī)自控系統(tǒng)適應(yīng)性優(yōu)化改造，提高高爐鼓風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，保障高爐生產(chǎn)安全穩(wěn)定運(yùn)行。 

1 引言 

高爐鼓風(fēng)機(jī)(以下簡稱風(fēng)機(jī))是給高爐冶煉提供冷風(fēng)的設(shè)備，其工作原理是通過汽輪機(jī)或電機(jī)拖動使鼓風(fēng)機(jī)高速旋轉(zhuǎn)，將常溫常壓空氣壓縮到一定壓力溫度后，供給高爐用于鐵水冶煉，完成將蒸汽熱能或電能轉(zhuǎn)化為動能的過程。高爐鼓風(fēng)機(jī)在鐵水冶煉過程中起著非常重要的作用，是制約高爐生產(chǎn)、順產(chǎn)的重要因素之一。 

目前萊鋼共有高爐4座，與之配套的風(fēng)機(jī)機(jī)組只有5臺，其中3、4#風(fēng)機(jī)為10年前引進(jìn)的日本原裝風(fēng)機(jī)，設(shè)備及儀控系統(tǒng)部分老化。正常生產(chǎn)過程中，4臺機(jī)組供風(fēng)，只有1臺備用機(jī)組。對于風(fēng)機(jī)側(cè)來說，備機(jī)嚴(yán)重不足，如果1臺運(yùn)行風(fēng)機(jī)出現(xiàn)故障，備機(jī)投入使用，整個熱電廠將面臨著無備機(jī)運(yùn)行的情況。因此非常有必要加強(qiáng)現(xiàn)有的風(fēng)機(jī)機(jī)組控制系統(tǒng)的安全可靠的運(yùn)行。 

對于自控系統(tǒng)，提高其穩(wěn)定性、可靠性是目前最迫切的問題。冗余容錯技術(shù)是近幾年發(fā)展起來的新興技術(shù)，具有高可靠性、高可用性、無單點(diǎn)故障等多處優(yōu)點(diǎn)，非常適合在風(fēng)機(jī)機(jī)組改造中應(yīng)用。在這次改造中主要從電源、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、工藝聯(lián)鎖參數(shù)三個方面入手，廣泛的應(yīng)用了該技術(shù)。 

2 電源冗余優(yōu)化 

控制系統(tǒng)對交流電源的電源品質(zhì)要求不是很苛刻，但對電源的不間斷供電要求特別高，因此風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)都配備了UPS(Uninterruptable power supply)，當(dāng)市電失常時，切換到UPS蓄電池供電，保證控制系統(tǒng)正常運(yùn)行一段時間。 

UPS為自控系統(tǒng)的穩(wěn)定提供了一定保障，但實(shí)際運(yùn)行過程中，由于現(xiàn)場環(huán)境、電池活化、電網(wǎng)質(zhì)量等諸多因素，UPS在實(shí)際切換過程中還存在著很多問題，導(dǎo)致UPS出現(xiàn)各種供電故障。近幾年UPS故障統(tǒng)計表明，UPS出現(xiàn)供電中斷事故主要發(fā)生在由UPS主回路、交流旁路、維修旁路相互切換的過程中，由于在切換過程中瞬態(tài)電壓差的不同，導(dǎo)致了“環(huán)流”，當(dāng)環(huán)流過大就會造成UPS逆變器故障，導(dǎo)致輸出電源畸變甚至瞬時中斷供電，而且切換過程中故障有隨機(jī)性，很難監(jiān)測。因此有必要對電源進(jìn)行優(yōu)化改造。 

如果對UPS進(jìn)行冗余配置, 會投入很大的成本，而且無論UPS并聯(lián)還是串聯(lián), 對UPS的同步性、帶階躍性負(fù)載能力都有很高的要求。考慮到現(xiàn)有的控制系統(tǒng)電源都是冗余配置的, 因此, 可以在UPS負(fù)載側(cè)解決電源冗余問題。 

控制思路是:電網(wǎng)電源，UPS電源對控制系統(tǒng)同時供電，由DCS自身解決電源冗余切換問題。如圖1所示:
 
圖1 改造后的電源原理簡圖

根據(jù)以上設(shè)計，當(dāng)UPS發(fā)生故障時，另一路市電會對系統(tǒng)正常供電;當(dāng)市電回路出現(xiàn)問題時，UPS所在電源仍然正常工作;即使兩路電源同時出現(xiàn)問題, 只要UPS蓄電池沒有問題，系統(tǒng)仍然能正常運(yùn)行一段時間。大大增強(qiáng)系統(tǒng)電源的可靠性, 減少了電源故障，提高整個系統(tǒng)的可靠系數(shù)。 

3 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化 

熱電廠1#風(fēng)機(jī)原通訊電纜為細(xì)同軸電纜，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為總線型結(jié)構(gòu)，同軸電纜的連接頭與網(wǎng)絡(luò)接口卡的連接經(jīng)常出現(xiàn)松動，引發(fā)過程站與監(jiān)控站之間的網(wǎng)絡(luò)通訊中斷，影響了操作人員對機(jī)組的監(jiān)視和操作。原網(wǎng)絡(luò)只有1臺上位機(jī)，當(dāng)上位機(jī)發(fā)生死機(jī)情況時，短時間內(nèi)將看不到機(jī)組的運(yùn)行情況，對于高速運(yùn)轉(zhuǎn)的設(shè)備來說比較危險。因此根據(jù)生產(chǎn)的實(shí)際需要對該機(jī)組的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，改造前、后的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。
 
圖2 改造前后網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

在網(wǎng)絡(luò)中增加了1臺HUB集線器，將網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)由總線式網(wǎng)絡(luò)改造成星形網(wǎng)絡(luò)，把同軸電纜更換為雙絞線，由于控制站接口中無RJ-45接口，在過程控制站通過Dlink轉(zhuǎn)換接頭，將AUI接口轉(zhuǎn)換為RJ-45接口，實(shí)現(xiàn)了整個網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化改造。優(yōu)化改造后，在運(yùn)行過程中徹底消除了網(wǎng)絡(luò)通訊時常中斷問題，系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性得到了加強(qiáng)。 

根據(jù)現(xiàn)場的需要，對5#風(fēng)機(jī)機(jī)組控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了如下改造:5#風(fēng)機(jī)原有的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。原有的網(wǎng)絡(luò)不能實(shí)現(xiàn)完全的冗余，當(dāng)某一個通訊模塊CI830出現(xiàn)故障時，出現(xiàn)故障CI830所在的整個從站會出現(xiàn)通訊完全中斷，會給生產(chǎn)帶來嚴(yán)重后果。在萊鋼某制氧機(jī)曾出現(xiàn)過該模塊損壞的案例，造成制氧機(jī)停機(jī)事故。在論證后，對網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了修改，采用了具有冗余切換能力的CI840通訊模塊，取代原有的CI830通訊模塊，如圖4所示。不但簡化了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，而且使整個網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了完全冗余，一條網(wǎng)絡(luò)上的任何一個元件損壞，整個網(wǎng)絡(luò)都會保持通暢，不影響正常生產(chǎn)。
 
圖3 原有網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

4 工藝聯(lián)鎖參數(shù) 

對于高速旋轉(zhuǎn)的設(shè)備，喘振工況的檢測至關(guān)重要。如果汽機(jī)轉(zhuǎn)速正常，風(fēng)機(jī)喉部壓差過小，此時最容易發(fā)生喘振。在原來的逆流判斷中，僅僅使用了差壓變送器對風(fēng)機(jī)喉部差壓進(jìn)行逆流判斷，由于單個變送器有可能出現(xiàn)電氣故障，如老化斷線或接線端子松動，出現(xiàn)信號誤變化導(dǎo)致誤停機(jī)，因此采用了3個喉差開關(guān)三選二邏輯判斷的策略, 消除單點(diǎn)錯誤引發(fā)的錯誤判斷, 提高風(fēng)機(jī)了穩(wěn)定性和可靠性。
 
圖4 改造后的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

 
圖5 喉差三選二判斷

這些壓差開關(guān)信號通過繼電器分成兩路:一路進(jìn)入DCS，參與DCS中的逆流判斷;另一路進(jìn)入一個小型的PLC(OMRON sysmac CPM1A)。這3個壓差信號不論是在DCS中，還是在小型PLC中，都是采用的三取二的表決判斷方法，一旦這3個壓差信號中的兩個達(dá)到逆流值，則立即進(jìn)行相應(yīng)的延時，DCS和PLC的輸出同時控制現(xiàn)場設(shè)備，使機(jī)組防喘閥打開或聯(lián)鎖停機(jī)。這樣就可以提高逆流判斷的快速和準(zhǔn)確性，一旦DCS出現(xiàn)故障，只要PLC正常，則出現(xiàn)逆流后，經(jīng)過一定的延時，仍然可以使機(jī)組防喘閥打開或停機(jī)，這樣在DCS出現(xiàn)故障的情況下，仍然可以保護(hù)機(jī)組。邏輯圖如圖5所示。 

對于引起工藝聯(lián)鎖停機(jī)的信號，如潤滑油壓低，動力油壓低信號在程序中均增加了三選二邏輯判斷;增加兩個溫度開關(guān)與原風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)溫度熱電阻一起組成三選二邏輯判斷，將進(jìn)風(fēng)溫度高作為機(jī)組安全運(yùn)行的一個條件，增加機(jī)組的安全性能。 

5 結(jié)束語 

有統(tǒng)計資料表明，實(shí)際應(yīng)用中DCS的功能僅發(fā)揮30%以下。在原有DCS基礎(chǔ)進(jìn)行改造實(shí)現(xiàn)先進(jìn)控制，只需增加10%的成本，就可得到40%的效益。 

利用該自動控制系統(tǒng)優(yōu)化后，熱電廠減少了冷風(fēng)的放散量約100m3/min左右，每年減少非計劃休風(fēng)時間約50h，帶來了200多萬元的可觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。該優(yōu)化改造獲得了萊鋼自動化部2003年度科技攻關(guān)一等獎和2003年萊鋼級技術(shù)鑒定，達(dá)到省內(nèi)先進(jìn)水平，實(shí)際應(yīng)用效果非常好，值得在冶金行業(yè)廣泛推廣。 

好了，今天的基于冗余容錯技術(shù)的高爐鼓風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)優(yōu)化改造分析就到這里，想了解我司更多關(guān)于L系列羅茨鼓風(fēng)機(jī)的信息請聯(lián)系我們。