冗余PLC在高炉设计中的应用

2022-09-10

k公司现有高炉三座, 一座817m3高炉, 一座351m3高炉和一座450m3高炉 (1#) 。经过10年的运行生产, 现1#高炉已到了生产后期, 而且该高炉的技术装备水平偏低、能耗高、产量低, 已不能满足生产的需求, 公司决定利用1#高炉原地改造。

改造后的1#高炉, 有效容积为450m3, 高炉利用系数达到3.34t/m3·d、焦比达到520kg/t、作业率达96%、年产铁水50万吨。

1 工艺描述

本高炉炼铁系统主要由原料、上料、高炉、出铁场、除尘设施 (布袋、重力除尘等) 、热风炉、渣处理、喷煤、鼓风机站等系统和辅助设施共同构成。

炉料、矿石、燃料和熔剂从无料钟炉顶装入炉内, 从鼓风机来的冷风经热风炉后, 形成热风从高炉风口鼓入, 随着焦碳燃烧, 产生热煤气由下向上运动, 而炉料则由上而下运动, 互相接触, 进行热交换, 逐步还原, 最后到炉子下部, 还原成生铁, 同时形成炉渣。积聚在炉缸的铁水和炉渣分别由铁口和出渣口放出。

高炉自动化的目的主要是保证高炉操作的4个主要问题:即正确的配料并以一定的顺序及时装入炉内;控制炉料均匀下降;调节料柱中炉料分布及保持与煤气流良好的接触;保持合适的热状态。

2 控制系统的主要功能

高炉生产要求计算机控制系统能够保证生产过程的连续性和实时监控性, 而且要求数据量最多, 所有设备的自动化程度要高。本高炉工程的自动控制系统设计采用按照三电一体化 (EIC) 原则设计, 选用高可靠性、高性能、易于扩展的系统。三电控制系统一体化主要体现在人机操作接口 (HMI) 的一体化, 统一的操作画面系统和监视报警系统;网络数据通信一体化, 统一的通信网络, 具有快捷、高速、大容量和开放的技术性能。主要完成生产顺序控制和生产工艺参数的动态监视与远程监控。

通过画面可以直观的了解系统全部生产过程;对某些重要工艺流程可以局部放大观察。

对各系统所有温度、压力、流量、位置等检测, 由计算机集中显示与控制。

对电机、电动阀门等设备运行、停止状态、电压、电流的监控, 频器运行状态及参数, MCC运行状态, 并可以选择其操作方式, 进行连锁控制或点动操作;完成操作设备启/停功能。

通过鼠标和键盘对系统运行参数的设定值进行设定和修改, 设定值或修改值一旦输入并确认后, 系统会自动按设定值或修改值运行。

所有温度、流量、冷却水控制等具有系统调节要求的回路, 给出该调节系统的设定参数和反馈参数的数字或棒图显示, 使操作人员清晰地看到调节和过程动态参数变化。

对重要测点的检测参数进行采集并绘制成曲线给予实时显示, 并可历史趋势显示。

对于系统所有的异常数据, 均有报警画面和数据的闪烁提示;联锁条件及故障诊断报警一览表提示给操作人员, 并由控制系统做出相应处理, 以确保系统安全可靠运行。

现场信号采集与指令发送;控制器之间通讯;根据生产工艺要求, 执行设定的程序, 控制设备按照流程运转;实现各个对应系统的控制功能。

3 系统组成

根据生产工艺情况, 本控制系统划分为4个相对独立的系统, 主要包括:高炉本体、皮带上料及炉顶系统, 完成焦炭矿石的上料, 通过对炉顶设备的控制, 实现多环、扇形、定点、螺旋等布料方式, 使原料均匀布料、并采集高炉重要的温度、压力、流量等信号, 对重要炉况信号进行集中监视并历史归档;热风炉系统, 控制热风炉各阀门, 完成送风、燃烧、焖炉的状态转换;制粉喷煤系统;其它控制系统还包括:鼓风机、水处理、水冲渣、布袋除尘。顺序控制能够实现生产设备联锁起动、联锁停车、事故停车以及事故报警处理等功能。它是实现生产工艺的系统性、安全性控制要求的必要手段。过程控制则是对产品生产的全过程进行控制, 它是生产企业提高产品质量, 降低生产成本的根本保证。这几个点决定着炼铁高炉自动化的成败。

电气控制系统基础自动化L1级由电气控制和仪表控制组成, 完成设备控制及监视功能, 并预留可与设备成套控制系统及其它计算机进行数据通信 (L2级) 的接口。

基础自动化控制系统是保证高炉正常高效生产的关键系统, 相对其它系统而言, 对于系统硬件的可靠性、稳定性上要求更高, 与甲方商榷之后, 本次设计我们采用了西门子SIMATIC S7-414-2H冗余PLC。 (见图1PLC系统总体配置图)

控制系统硬件包括PLC、人机接口HMI和通讯网络。

整个PLC系统主要完成生产过程信号的采集及处理并按确定的控制原则对各个设备进行控制和调节。HMI用来实现过程参数的设定与监视、报警监测、实时及历史趋势的监视与分析, 并提供动态工艺流程图和操作画面、控制回路显示画面、报警画面、生产过程变量和事件记录并打印。PLC通过PROFIBUS现场总线采集分布式I/O数据, 数据通过工业以太网在各PLC与HMI之间进行传输。

4 系统配置

4.1 系统应用软件

操作系统Windows xp。

监控软件WinCC 7.0。

编程软件STEP 7 V5.4。

4.2 系统硬件配置

在本控制系统中采用了西门子S 7-414-2HCPU作为中央控制器, 双电源冗余, PLC的CPU采用双机热备, 在每个机架上分别插入2块CP443-1组成双以太双环网, 通讯协议采用Profibus协议, 数据传输速率可达12M/S;充分保证数据通讯的高可靠性与高属性;PLC与上位计算机采用以太环网结构, I/O模件采用了S7-300系列I/O模件, 通过ET200M远程机架与控制器相连, 每个从站使用2个IM153-2接口模块, 采用有源总线模块和导轨, 使得系统可以支持I/O模块的热插拔, 整个控制系统除I/O模板以外, 实现了真正冗余。

PLC冗余系统主要硬件型号数量如表1。

5 控制系统的主要特点

Simatic S7-414H系统使用了先进, 开放的计算机网络, 特别是符合IEC61158标准的PROFIBUS-DP现场总线技术, 具有监控范围广, 机柜布置位置分散, 工程造价低等特点。冗余系统可以实现双CPU冗余自动切换的功能, 当发生错误或故障时进行无扰动的切换, 即未受影响的热备控制器将在中断点继续执行控制而不丢失任何信息。有着极高的处理速度、卓越的CPU资源裕量和可靠稳定地运行。

冗余通讯采用双PROFIBUS-DP总线, 当一条网络链路损坏时, 系统可自动切换到另外一条网络链路, 对于信号的采集和传输提供了保证。

S7-400H的编程与非冗余的标准S7-400系统相同, 都使用STEP-7语言。所有容错专用的功能可通过容易使用的STEP 7软件包来组态。为标准非容错系统编写的程序可以方便地移植到容错系统 (反之亦然) 。

6 应用体会

S 7-4 0 0 H系统中两个C P U同时工作, CPU没有切换时间, 平滑的主从切换, 提高了系统工作的可靠性和稳定性。

所有I/O模板均可在系统运行的情况下带电热插拔, 无需停止系统, 极大地方便了在线处理故障。

LED状态指示器, 直观地显示CPU及其I/O模板通道状态, 为快速检修故障提供了极大方便。开放的、标准的通讯协议满足了不同岗位计算机系统数据传递, 易于连接到企业管理网, 可与常见办公软件进行数据交换, 大幅度降低工程设计、维护费用。三电一体化冗余PLC自控技术在该高炉应用投产后, 稳定可靠的运行, 现场实现了无人化操作, 极大地提高了自动控制水平, 为450m3高炉达产创效、节能降耗提供了良好的技术支撑。

摘要：本文根据国外某高炉的设计实例, 叙述了西门子S7-414-2H冗余PLC在高炉电气自动化系统的应用, 给出了一个典型应用配置, 并对其结构特点进行了分析。

关键词：冗余,高炉,可靠性,稳定性