风机监控系统的总体结构及设计方案3.1 高炉风机送风系统工艺分析3.1.1 基本结构轴流压缩机组配置：轴流压缩机+齿轮箱+同步电机（示意图如图14所示），采用双层布置，机组布置在二楼平台上，平台标高7m，地脚螺栓为贯通式。压缩机转向：从压缩机进气端看为顺时针方向。图14 轴流压缩机组基本结构Fig.14 Basic structure of axial-flow compressor图15 轴流压缩机组的工艺流程Fig.15 Process of axial blast furnace blowe从图15可以看出，对于鼓风机系统，空气在经过滤风室之后进入鼓风机，鼓风机对其做功后将其从排风管道排出，排风管道分成3路分别通向防喘振阀、电动放风阀和主风门，当机组处于正常的工作情况时，防喘振阀和电动放风阀都处于关闭状态，风机排出的空气由主风门通向高炉。若风机工作点进入了防喘控制，控制系统将打开防喘振阀进行放风，以降低风机的出口压力，使风机的工作点远离喘振边界，防喘阀分为大阀和小阀，大小防喘阀为分程控制方式，当两个防喘振阀均出现故障，不能正常工作时，操作人员用手动控制电动放风阀完成放风操作。风机的静叶角度执行机构是用一台伺服装置来完成推动静叶角度旋转的操作50-53。3.1.2 主要参数机组选用陕西鼓风机集团有限公司AV71-14轴流鼓风机1套，美国GE公司22000kW电机及变频启动系统1套，德国马格公司齿轮箱1台。1）鼓风机组：型 式： 轴流压缩式型 号： AV71-14额定风量 ：4600m3/h 数 量： 1台2）同步电动机（引进美国GE公司产品、含变频启动装置）型 号： TS22MW额定电压： 10 kV 频率：50 HZ额定转速： 1500 r/min额定功率： 22000 kW变频启动装置： LCI数 量： 1 台（套）3）齿轮箱（引进MAAG公司产品）型 号： SG-710/6传递速比： 4600/1500传递功率： 22000 kW使用系数： 1.4 结构型式： 硬齿面运行方式： 连续运转盘车结构： 电动盘车，具有手动投入，自动脱扣功能。数 量： 1台3.2 风机监控系统设计要求1）采用可编程序控制器 （PLC）冗余系统，根据风机运行的工艺要求，对电机启动、静叶释放、轴流防喘振、逆流保护、安全运行、流量控制、油系统控制、紧急停机操作等模块进行编程，确保运行的可靠性。2）要设置声光报警，并对报警灯指示板设置实验、复位和接收按钮，在PLC上进行编程，实现其相应的逻辑关系。3）实现报警节点动作在 PLC中按顺序记忆排队，该数据由上位机取出用以显示和打印。4）各保护部分系统采用模块化设计，以方便调试和维护。5）对风机送风控制采用按风压/流量两种方案调节，并实现各方案手动/自动的无扰动切换，以及在手动模式下的风压/流量无扰动切换。该计算机监测系统主要实现下列功能：1）电机启动条件、主机流程、轴系监测、油系统检测、防喘振控制界面以及报警画面的显示。2）参数一览表的显示。 3）18种主要数据的当前测量值趋势曲线、48小时工作趋势曲线、一周工作趋热曲线、一个月工作趋势曲线和长期工作趋势曲线的显示。4）参数一览表和数据变化趋势曲线的打印。5）系统故障报警时序排队显示。由于本系统采用冗余设计，厂方要求为以上各画面配置3台大屏幕显示器，协调显示各画面。3.3 监控系统功能分析中厚板轴流压缩机组监控系统可分为电机启动、静叶释放、轴流防喘振、逆流保护、安全运行、流量控制、油系统控制、紧急停机操作等模块，如图16所示。1）电机启动。设置电机启动条件连锁控制的目的就是为了保证机组安全正常地开机，当启动条件全部满足后，系统发出“允许启动”信号，否则开机操作无效。2）静叶释放。风机启动时，风机静叶必须在3秒内迅速通过（静叶全关位置）-（最小工作角）的禁止范围。否则静叶释放失败。图16 风机监控系统组成模块图Fig.16 Module chart of blower supervision system3）轴流防喘振。喘振是一种使风机处于不稳定的工作状态。如果发生喘振，风机和管网系统中全部气体流量和压力将周期性地低频率、大振幅地上下波动，同时机组发生强烈震动，进而导致风机损坏，气体外漏而造成严重事故。防喘振控制系统作用是在机组接近喘振工况时，立即作出行动，使工况点远离喘振线，保证风机的正常运行。4）逆流保护。逆流是轴流压缩机最危险的工况，逆流保护是轴流压缩机最为重要的保护。由于出口压力高，压缩气体不能畅通输出，则旋转机械能将其转化为热能使叶片膨胀，造成动叶和静叶的相碰而损坏轴流压缩机。防止逆流的根本措施是加强防喘振控制，阻止喘振状态进一步升级，并防止出口气体的倒流。系统在发生逆流的同时，进行逆流保护，机组自动进入安全运行状态，安全运行结果是：放风阀快速全开； 静叶退回最小角，使风量减少，风压降低；逆止阀强行关闭。5）流量控制。本机组为恒速运转，风量大小是通过改变静叶的角度来调节的，电液伺服阀改变静叶的角度。根据工艺要求，作定风量和定风压调节。6）动力油油箱，润滑油油箱控制。油系统控制系统采用2个互为备用的油泵，通过开关（DCS软键或电控盘操作开关）可选择其中之一为主泵，则另一台即为备泵。当油系统油压低于设定值或主油泵故障时，自动启用备用油泵，补充油压的不足；当油压正常，主油泵运行正常，可选择停其中一台泵，同时将其切换至备用状态。7）停机连锁保护。为了保障机组的安全运行，设有相应的停机联锁保护，如果满足其中一个条件，就要将机组强制停下来，进行联锁保护停机。这些条件为： 压缩机轴振动过高； 压缩机轴位移过大；持续逆流；润滑油压力过低；动力油压力过低等。运行安全联锁是控制压缩机启/停和运行状态最为重要的关键设备，其主要控制对象为高压电气联锁（电拖机组）、可调静叶、防喘振阀、快开电磁阀、逆止阀。在机组运行过程中，各种安全联锁功能按一定时序相互关联，用以实现对压缩机组的联锁控制，以保证机组的安全。另外，在PLC控制程序和上位人机界面中对每一个参控变量均设置了报警信息提示，使操作员可以快速地查找故障点，及时处理故障。3.4 高炉风机监控系统设计3.4.1 监控系统硬件设计中厚板AV71-14全静叶可调轴流压缩机组监控系统硬件选用西门子 S7-400H 系列高端 PLC，该系列 PLC具有高可靠性、强大的运算能力、完善的自诊断功能、强大的联网能力，具有 CPU 冗余能力和支持远程I/O等功能。控制系统硬件结构示意图如图17所示。图17 控制系统硬件结构图Fig.17 Hardware structure chart of control system3.4.2 监控系统的数据采集S7-400H PLC的信号模块地址是在Step7中用硬件组态工具将模块配置到机架时自动生成的。根据同类模块所在的机架号和在机架中的插槽号按从小到大的顺序自动连续分配地址，用户可以修改模块的起始地址。S7-400H PLC的模拟量模块默认的起始地址是从512开始，每个模拟量输入/输出占2B（一个字），同类模块的地址按顺序连续排列。模块内最上面的通道使用模块的起始地址。例如某8通道模拟量输出模块的起始地址为832，从上到下各通道的地址分别为QW832，QW834，QW846。表2给出了信号模块默认地址的例子。S7-400H PLC的模拟量模块可任意组合以配合任何所需I/O点数量，组装简单，接线方便，输入地址由插槽决定。电压、电流传感器，热电偶，热电阻和电阻均可以作为传感器与该模块相连。模块将诊断和超限中断传送到PLC的CPU中，并以红色LED显示。A/D转换把工作过程送来的模拟信号转化成PLC可以使用的数字信号，用于数据采集，提供被控对象的各种实时参数，以便PLC对被控对象进行监控。表2 信号模块默认地址Table2 Tacit address of signal module0号机架1号机架槽号模块种类地址槽号模块种类地址1PS 407 10A电源模块132点DIIB4IB72216点DOQB2，QB33CPU414-2DP316点DOQB4，QB5416点DOQB0，QB148点AOQW528QW542516点DIIBO，IB158点AIIW544IW55868点AOQW512QW526616点DOQB6，QB7716点AIIW512IW54278点AIIW560IW574816点DIIB2，IB3832点DIIB8IB119IM460-1接口模块40939IM460-0接口模块4092A/D转换公式： （4）D/A转换将经过CPU的内部程序处理，PLC以数字量形式给出的控制数据转换成模拟量，通过机械或电气手段来控制和调整被控对象。D/A转换公式： （5）式中：模拟量输入值； 模拟量输出值；-27648.0； +27648.0；模拟量量程上限值； 模拟量量程下限值；模拟量输出值； 模拟量输入值。3.4.3 监控系统的网络通讯中厚板AV71-14全静叶可调轴流压缩机组监控系统的通信主要体现在工业现场总线（PROFIBUS），它主要是用于车间级监控和现场层的通信系统中。S7-400H PLC可以通过通信处理器或通过集成在CPU上的PROFIBUS-DP接口连接到PROFIBUS-DP网络上。带有PROFIBUS-DP主站/从站接口的CPU能够实现高速和使用方便的分布式I/O控制。对于用户来说，处理分布式I/O就像处理集中式I/O一样，系统组态和编程的方法完全相同。PROFIBUS的物理层是RS-485，最大传输速率12Mbit/s，最多可以与127个网络上的节点进行数据交换。网络中最多可以串接10个中继器来延长通信距离。使用光纤作为通信介质，通信距离可达90km。本系统采用带有PROFIBUS-DP接口的S7-400H的CPU作为主站，分布式I/O设备ET200作为从站。PROFIBUS-DP特别适合于二者之间的通信。主站之间的通信为令牌方式，主站与从站之间为主从方式，以及这两种方式的混合。4 PLC程序设计4.1基于STEP7的S7-400系列PLC编程4.1.1 PLC的工作原理最初的PLC是在传统的继电器接触器控制的基础土发展而来的，用控制软件的梯形图来代替继电器电路的“与”、“或”、“非”逻辑运算。用1和0来表示高电平和低电平、继电器线圈的通电和断电、触点的接通和断开。但是两者的运行方式是不同的，继电器控制方式采用硬逻辑并行运行方式，即如果一个继电器的线圈通电或断电，该继电器的所有触点不论它在控制线路的哪个位置上都会立即同时动作；而PLC采取顺序逐条地扫描用户程序的方式，即一个输出线圈或逻辑线圈被接通或断开，该线圈的所有触点不会立即动作，必须等到扫描到该触点时才会动作。为消除两者运行方式的不同而造成的这种差异，考虑到继电器控制装置中各类触点的动作时间一般在l00ms以上，而PLC扫描用户程序的时间一般均在100ms以内，因此，PLC采用了扫描运行方式，这样，PLC很好的代替了继电器控制装置36-37。