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基于冗余容错技术的高炉鼓风机控制系统优化改造 |
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作者：赵佳 赵彦奎 郭勇 高洪军 |
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摘 要(Abstract) 本文主要介绍了基于现代冗余容错技术的高炉鼓风机自控系统适应性优化改造，提高高炉鼓风机控制系统的稳定性和可靠性，保障高炉生产安全稳定运行。
1 引言
高炉鼓风机(以下简称风机)是给高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，供给高炉用于铁水冶炼，完成将蒸汽热能或电能转化为动能的过程。高炉鼓风机在铁水冶炼过程中起着非常重要的作用，是制约高炉生产、顺产的重要因素之一。
目前莱钢共有高炉4座，与之配套的风机机组只有5台，其中3、4#风机为10年前引进的日本原装风机，设备及仪控系统部分老化。正常生产过程中，4台机组供风，只有1台备用机组。对于风机侧来说，备机严重不足，如果1台运行风机出现故障，备机投入使用，整个热电厂将面临着无备机运行的情况。因此非常有必要加强现有的风机机组控制系统的安全可靠的运行。
对于自控系统，提高其稳定性、可靠性是目前最迫切的问题。冗余容错技术是近几年发展起来的新兴技术，具有高可靠性、高可用性、无单点故障等多处优点，非常适合在风机机组改造中应用。在这次改造中主要从电源、网络结构、工艺联锁参数三个方面入手，广泛的应用了该技术。
2 电源冗余优化
控制系统对交流电源的电源品质要求不是很苛刻，但对电源的不间断供电要求特别高，因此风机控制系统都配备了UPS(Uninterruptable power supply)，当市电失常时，切换到UPS蓄电池供电，保证控制系统正常运行一段时间。
UPS为自控系统的稳定提供了一定保障，但实际运行过程中，由于现场环境、电池活化、电网质量等诸多因素，UPS在实际切换过程中还存在着很多问题，导致UPS出现各种供电故障。近几年UPS故障统计表明，UPS出现供电中断事故主要发生在由UPS主回路、交流旁路、维修旁路相互切换的过程中，由于在切换过程中瞬态电压差的不同，导致了“环流”，当环流过大就会造成UPS逆变器故障，导致输出电源畸变甚至瞬时中断供电，而且切换过程中故障有随机性，很难监测。因此有必要对电源进行优化改造。
如果对UPS进行冗余配置, 会投入很大的成本，而且无论UPS并联还是串联, 对UPS的同步性、带阶跃性负载能力都有很高的要求。考虑到现有的控制系统电源都是冗余配置的, 因此, 可以在UPS负载侧解决电源冗余问题。
控制思路是:电网电源，UPS电源对控制系统同时供电，由DCS自身解决电源冗余切换问题。如图1所示:
图1 改造后的电源原理简图
根据以上设计，当UPS发生故障时，另一路市电会对系统正常供电;当市电回路出现问题时，UPS所在电源仍然正常工作;即使两路电源同时出现问题, 只要UPS蓄电池没有问题，系统仍然能正常运行一段时间。大大增强系统电源的可靠性, 减少了电源故障，提高整个系统的可靠系数。
3 网络拓扑结构优化
热电厂1#风机原通讯电缆为细同轴电缆，网络结构为总线型结构，同轴电缆的连接头与网络接口卡的连接经常出现松动，引发过程站与监控站之间的网络通讯中断，影响了操作人员对机组的监视和操作。原网络只有1台上位机，当上位机发生死机情况时，短时间内将看不到机组的运行情况，对于高速运转的设备来说比较危险。因此根据生产的实际需要对该机组的网络拓扑结构进行改造，改造前、后的网络结构图如图2所示。
图2 改造前后网络拓扑结构图
在网络中增加了1台HUB集线器，将网络结构由总线式网络改造成星形网络，把同轴电缆更换为双绞线，由于控制站接口中无RJ-45接口，在过程控制站通过Dlink转换接头，将AUI接口转换为RJ-45接口，实现了整个网络的优化改造。优化改造后，在运行过程中彻底消除了网络通讯时常中断问题，系统的安全性、稳定性得到了加强。
根据现场的需要，对5#风机机组控制系统网络结构进行了如下改造:5#风机原有的拓扑结构如图3所示。原有的网络不能实现完全的冗余，当某一个通讯模块CI830出现故障时，出现故障CI830所在的整个从站会出现通讯完全中断，会给生产带来严重后果。在莱钢某制氧机曾出现过该模块损坏的案例，造成制氧机停机事故。在论证后，对网络结构进行了修改，采用了具有冗余切换能力的CI840通讯模块，取代原有的CI830通讯模块，如图4所示。不但简化了网络结构，而且使整个网络实现了完全冗余，一条网络上的任何一个元件损坏，整个网络都会保持通畅，不影响正常生产。
图3 原有网络拓扑结构
4 工艺联锁参数
对于高速旋转的设备，喘振工况的检测至关重要。如果汽机转速正常，风机喉部压差过小，此时最容易发生喘振。在原来的逆流判断中，仅仅使用了差压变送器对风机喉部差压进行逆流判断，由于单个变送器有可能出现电气故障，如老化断线或接线端子松动，出现信号误变化导致误停机，因此采用了3个喉差开关三选二逻辑判断的策略, 消除单点错误引发的错误判断, 提高风机了稳定性和可靠性。
图4 改造后的网络拓扑结构图
图5 喉差三选二判断
这些压差开关信号通过继电器分成两路:一路进入DCS，参与DCS中的逆流判断;另一路进入一个小型的PLC(OMRON sysmac CPM1A)。这3个压差信号不论是在DCS中，还是在小型PLC中，都是采用的三取二的表决判断方法，一旦这3个压差信号中的两个达到逆流值，则立即进行相应的延时，DCS和PLC的输出同时控制现场设备，使机组防喘阀打开或联锁停机。这样就可以提高逆流判断的快速和准确性，一旦DCS出现故障，只要PLC正常，则出现逆流后，经过一定的延时，仍然可以使机组防喘阀打开或停机，这样在DCS出现故障的情况下，仍然可以保护机组。逻辑图如图5所示。
对于引起工艺联锁停机的信号，如润滑油压低，动力油压低信号在程序中均增加了三选二逻辑判断;增加两个温度开关与原风机进风温度热电阻一起组成三选二逻辑判断，将进风温度高作为机组安全运行的一个条件，增加机组的安全性能。
5 结束语
有统计资料表明，实际应用中DCS的功能仅发挥30%以下。在原有DCS基础进行改造实现先进控制，只需增加10%的成本，就可得到40%的效益。
利用该自动控制系统优化后，热电厂减少了冷风的放散量约100m3/min左右，每年减少非计划休风时间约50h，带来了200多万元的可观的经济效益和社会效益。该优化改造获得了莱钢自动化部2003年度科技攻关一等奖和2003年莱钢级技术鉴定，达到省内先进水平，实际应用效果非常好，值得在冶金行业广泛推广。
参考文献
[1] CI840通讯模块使用手册
作者简介
赵 佳(1976-) 女 助理工程师 1998年毕业于沈阳大学自控系，在莱钢自动化部工作至今，目前从事计算机控制系统及热工仪控系统的维护工作。(end)
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(3/19/2005) |
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