3#高炉鼓风机控制系统优化

摘要

近年来随着中国经济的持续高速、稳定发展,中国的钢铁行业也进入了新一轮快速发展,宝钢作为中国最具竞争力的钢铁企业之一,也通过新建项目及对现有设备进行挖潜扩大产能、提升竞争力。几座高炉先后进行扩容提产,作为高炉的主要设备-高炉鼓风机的风量、风压也随之提高,鼓风机运行点将突破喘振报警线,进入压力高位运行区域。原有控制思想无法保证鼓风机在高位运行的安全问题,需要优化控制系统,确保高炉送风安全。本文将主要从优化鼓风机控制系统入手,对控制系统的硬件及控制模型进行分析和研究,从信号采集、信号分析、PID控制运算、输出控制、安全保护等整个鼓风机控制系统回路的各个组成环节出发,分别进行了优化和更新,从而提高整个控制系统的响应速率、控制精度,满足鼓风机高位运行的可靠性、安全性、稳定性,为高炉扩容、提产提供可靠保障。具体研究及优化、改造内容是鼓风机横河CS3000控制系统的硬件架构、控制模型的应用软件及5台机组控制系统网络通讯联网实现相互监视、操作。1、DCS控制系统硬件结构优化采用日本横河公司大型、主流的DCS控制系统CS3000作为控制系统主体架构,实现机组的启动、调整、调节、停机及安全保护等主要功能。针对不同的控制功能及实时性要求,分别采用了多种扫描速率,在保证控制系统FCS控制器负荷率在安全值的前提下,重要的停机保护采用了1mS高速扫描的SOE卡件,用于事故追忆和记录；防喘振等重要的PID控制采用0.2S高速扫描；常规的PID控制采用0.5S扫描。另外配以先进、灵活的可编程YS系列调节器与CS3000组成防阻塞、防喘振等6个重要回路的双重化、冗余控制,即当CS3000出现控制器故障、控制回路信号异常或失电等情况时,自动、快速、无扰动地切换到YS调节器；反之亦然；从而提高了鼓风机运行的安全性、可靠性。更新现场的信号采集装置和控制输出的执行机构等,从现场到控制系统对整个控制回路进行优化。通过对氧气调节阀的研究、分析,发现了由于阀门汽缸设计容量过小,影响了阀门动作行程时间,导致氧气流量控制迟滞、振荡等问题,为此,重新设计调节阀的汽缸并进行更换,较好地解决了氧气流量控制稳定性问题。2、DCS控制系统应用软件控制模型优化在实现鼓风机的定风量控制、定风压控制、防喘振控制等控制的基础上,着重对防喘振控制模型进行了重新设计。采用美国CCC(Compressor Control Company压缩机控制有限公司)公司的先进算法,改变了原来防喘振控制线静态接触式控制,实现鼓风机防喘振线随鼓风机运行点动态移动,扩大了鼓风机运行区域的。采用了当今DCS系统先进的故障回退(FALL BACK)策略,根据事先的定义组态,当控制系统检测到某个输入/输出回路故障,控制系统自动切换到故障回退策略模式,CS3000控制器采取断线保持、超限动作、冗余切换等动作。3、CS3000控制系统与不同系统设备之间的联网通讯主要实现了CS3000控制系统与YS系列调节器的通讯连接、CS3000与电气东芝鼓风电动机变频启动装置PLC的通讯连接、CS3000系统与其它鼓风机组CS3000系统和μXL系统的通讯联网。CS3000控制系统与YS系列调节器的通讯连接,采用了MODBUS通讯协议RS485方式,实现了CS3000与YS的双重化、冗余控制功能。在研究中发现了日本横河公司MODBUS通讯卡与SOE卡之间的通讯冲突而引发FCS控制器故障的重大缺陷。通过反复试验,采取对MODBUS通讯卡扫描周期的延时,错开了两者的扫描时间,确保了通讯畅通。CS3000与电气东芝PLC的通讯连接,采用横河公司小型PLC系统FA-M3作为网关,将东芝PLC的FL-NET通讯协议转换为CS3000的ETHERNET协议,实现了驱动鼓风机的同步电动机(SM)信号与鼓风机信号的交接,满足了机组启动及运行过程中对同步电动机的监控。另外,通过总线转换器BCV(bus converter)和多项目软件包实现新改造的3#鼓风机的CS3000控制系统与5#鼓风机的CS3000控制系统联网,实现两台机组信号的无缝连接。通过另外一台BCV将μXL控制系统的RL-BUS通讯协议转换成CS3000控制系统的V-NET通讯协议,实现3#鼓风机的CS3000控制系统与1#、2#、4#鼓风机的μXL控制系统联网。5台鼓风机控制系统的联网,实现了在一个操作站上可对5台鼓风机进行监控、操作,提高了机组自动化控制水平及劳动生产率。

目录

摘要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 鼓风机控制系统优化改造背景

1.2 课题研究对象及解决的问题

1.3 本章小结

第二章 控制系统硬件优化及更新

2.1 高炉冶炼工艺流程介绍

2.2 鼓风机工艺流程介绍

2.3 鼓风机控制系统介绍

2.4 鼓风机控制系统扫描时钟优化

2.5 本章小节

第三章 控制系统结构安全性优化设计

3.1 原有控制系统结构

3.2 CS3000 与YS170 组成控制系统双重化

3.3 故障回退（FALL BACK）策略

3.4 本章小结

第四章 氧气调节回路故障处理

4.1 氧气调节回路介绍

4.2 氧气调节回路故障现象

4.3 氧气调节回路故障原因分析

4.4 调节阀本体检查及处理

4.5 本章小结

第五章 优化后的控制系统模型及结构

5.1 鼓风机控制回路功能介绍

5.2 原有防喘振控制模型的不足

5.3 防喘振控制模型优化

5.4 防喘振特殊控制

5.5 喘振试验

5.6 本章小结

第六章 CS3000 与不同控制系统通讯

6.1 CS3000 与YS 系列调节器的通讯

6.2 CS3000 与东芝PLC 的通讯

6.3 3＃鼓风机与其它鼓风机控制系统的通讯

6.4 本章小结

第七章 CS3000 控制系统SOE 通讯故障分析

7.1 通讯故障现象

7.2 故障分析及处理

7.3 控制系统通讯冲突

7.4 故障处理

7.5 本章小结

第八章 控制系统优化后运行情况及展望

8.1 改造后效果

8.2 研究展望

参考文献

附录：高炉鼓风机组联锁一览表

致谢

攻读硕士学位期间已发表或录用的论文