1、风风机基本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
2、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
3、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
4、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
5、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
6、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
7、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
8、。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
9、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
10、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QW8
11、32，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 4
12、07 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
13、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
14、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
15、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
16、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。PLC运行后，要对硬件和软件作一些初始化工作，为使PLC的输出及时的响应各种输入信号，初始化后，采用扫描工作方式反复执行用户程序。一个扫描周期包括输入采样、执行用户程序、处理通信、自诊断和输出刷新几个阶段。PLC有RUN和STOP两种工作模式，在RUN模式，执行用户程序实现控制功能；STOP模式下不执行用户程序，可对用户软件进行创建和编辑，设置硬件功能和程序下载。 在输入采样阶段，PLC把外部输入电路的I/O状态读入输入过程映象寄存器。在用户程序执行阶段，CPU从第一条指
17、令开始逐条顺序地执行用户程序，在程序执行的过程中，输入信号的状态变化要在下一个扫描周期读取并存入输入映象寄存器。输出过程是CPU将输出过程映象寄存器的I/O状态传送至输出模块并锁存起来。PLC与上位机通信时，CPU处理从通信口接收到的信息并存放缓冲区，再实时将信息传送给通信请求方。自诊断过程是定期检查CPU模块的操作和扩展模块的操作是否正常，将监控定时器复位等。PLC的I/O响应时间是指外部输入信号发生变化的时刻至它控制的有关外部输出信号发生变化时刻之间的时间间隔。它由输入电路的R-C滤波时间、输出电路滞后时间和程序扫描时间组成。为提高系统的响应速度，可以在软、硬件上采取一些措施，如采用立即I
18、/O指令及时更新输出过程映象寄存器的值，修改数字滤波时间常数，通过执行中断程序来提高PLC对某些事件的响应速度等54-55。4.1.2 STEP7简介Step7编程软件用于 SIMATIC S7 、M7、C7和基于 PC的 WinAC，是供它们编程、监控和参数设置的标准工具。它具有以下功能：硬件配置和参数设置、通信组态、编程、测试、启动和维护、文件建档、运行和诊断功能等1。SIEMENS S7-400系列PLC常用的编程语言有三种：语句表编程语言（STL）、梯形逻辑编程语言（LAD）和功能块图编程语言（FBD），当然，根据IEC 1131-3标准，还有其它编程语言可供选择，如结构文本S7-SC
19、L或顺序功能图S7-Graph。1） 梯形逻辑（LAD）梯形图由触点、线圈和用方框表示的指令框组成。如图18，它的指令语法与继电器梯形逻辑图相似：当电信号通过各个触点、复合元件以及输出线圈时，梯形图可以直观地显示出电信号在电源示意线之间的流动。触点代表逻辑输入条件，例如外部的开关、按钮和内部条件等。线圈通常代表逻辑运算的结果，常用来控制外部的指示灯、交流接触器和内部的标志位等。指令框用来表示定时器、计数器或者数学运算等附加指令。图18 梯形逻辑图Fig.18 The trapezoid logic diagram 2）语句表（STL）如图19，它是Step7编程语言的文本表达方式。如果一个程序
20、是用语句表编写的，CPU执行程序时会按每一条指令一步一步地执行，与MCS-51汇编语言相似。为使编程更容易，语句表己能运用一些高层语言结构（例如，结构数据的访问和块参数）。图19 语句表Fig.19 Language sentence form 3）功能块图（FBD）如图20，它是Step7编程语言的图形表达方式。它使用与布尔代数相类似的逻辑框来表达逻辑。复合功能（如数学功能）也可用逻辑框相连直接表达。语句表编程语言（STL）、梯形逻辑编程语言（LAD）和功能块图编程语言（FBD）这三种编程语言在Step7编程环境下可以相互转换，以适应不同编程人员的编程习惯。图20 功能块图Fig.20 Ch
21、art of function module4.1.3 PLC程序总体结构在S7 CPU中，有两种不同的程序总被执行：操作系统和用户程序。操作系统用于组织与特定的控制任务无关的CPU的功能和顺序，包括处理热启动、刷新输入和输出的过程印象表、调用用户程序、检测中断并调用中断、检测并处理错误、管理存储区域、与编程设备和其它通讯伙伴之间的通讯等。系统中提供的OB块、SFC块和SFB块可以让用户设置和访问一些重要的系统功能，其中OB块是操作系统和用户程序之间的接口。用户程序是必须用户自己生成并下载到CPU中的程序，其中包含处理特定的自动化任务所需要的所有功能，它包括：指定在CPU上暖启动和热启动的条件
22、，处理过程数据，指定对中断的响应，处理程序在正常运行中的干扰等。图21 结构化编程Fig.21 Making process with structure图22 监控系统结构图Fig.22 Structure chart of supervision systemStep7的用户程序允许线性编程和结构化编程。这里的线性化编程是指整个用户程序都写在OBl中，此种方法只有在编写简单程序并且仅需较少存储区域时使用。现在普遍使用结构化编程，即将复杂的自动化任务分解为能够反映过程的工艺、功能或可以反复使用的小任务，并将相应的程序分别编在不同的程序块（OB，FC或FB）中。图21即是结构化编程的简单示意图
23、。其中FB1、FC2在OBl中直接调用，FB1中又调用FC1，程序在PLC内按箭头方向所示循环执行。这里没有列出中断组织块，若用户程序中设置了中断，在中断到达时PLC会中断此循环，自动转到相应的中断组织块执行中断程序。结构化编程可以对单个的程序部分进行标准化，简化程序组织，使程序修改更容易，大规模的程序更容易理解。由于可以分别测试程序的各个部分，查错更为简单，系统的调试也更容易。本系统中用的就是结构化编程，图22所示的为监控系统程序结构图。4.1.4监控系统功能模块编程高炉风机监控系统结构复杂，按模块化设计以后，能够比较清晰的展现程序设计的脉络。由于模块较多，本文不能一一叙述，因此选择一些比较
24、典型的实例加以介绍。图23 启动连锁Fig.23 Startup catenation1）图23 为风机启动连锁流程图。由图中可以看出，其中所有条件必须全部满足，风机才能启动，这样避免了由于误操作而损坏设备的可能性，同时也能够通过上位机画面直观的显示出出现问题的设备，便于操作维护人员检查维修。2）图24为AV71-14防喘振和逆流保护逻辑框图。由图所示，当风机处于工作状态时，PLC通过采样喉部差压的压力变化，获得喘振信息后，首先发出喘振报警，当一次喘振持续3-9秒之间，或20秒内多次喘振，则进入逆流安全运行模块进行甩负荷操作（逆止阀关闭，静叶恢复到14度，放风阀全开），同时发出逆流报警；当一次
25、喘振超过9秒，或者多次喘振中有持续5秒的，则进入持续逆流停机模块进行连锁停机操作。图24 逆流保护Fig.24 Adverse current protection4.2 监控系统上位机操作界面设计工程师站 ES和操作员站 OS 选用西门子工业 PC 机并在WindowsXP 下安装西门子 WinCC 人机界面平台软件、西门子工业以太网卡 CP1613，交换机选用西门子工业以太网交换机OSM-ITP62。操作员站 OS具有压缩机流程监测、机组操作、报警信息显示及确认、变量趋势显示、报表输出、操作记录等功能。工程师站 ES 除具有操作员站 OS 的所有功能外，还具有操作组态、用户管理、控制站 P
26、LC 组态、编程、系统诊断等功能。4. 2. 1 WinCC简介WinCC （Windows Control Center，视窗控制中心）是德国Siemens公司和微软共同开发的软件系统，是一个基于多任务、多平台、实时性好、开放性好的集成软件包。WinCC软件包含了大量强大的图形化工具，允许用户快速直观地建立面向过程的实时窗口，使用户能够快速简单地生成容易操作和理解的画面，并在运行和组态环境之间快速完成被修改画面的测试，而不影响实时报警和数据采集。WinCC提供了实时过程监控、报警和报警管理、历史趋势查询、多级安全管理、方便的系统扩展、网络等功能，集成COM/DCOM、OPC、VBA、Acti
27、veX等先进的现代软件技术，使所有的应用组件都可以无缝集成到一个系统中，并且数据可以很方便地在网络上共享56-59。WinCC能和所有主要厂商的PLC进行通讯，如AB、GE、OMRON的PLC等等，甚至用户所特有的控制器也可以通过WinCC提供的CDK（通讯开发工具）进行通讯。WinCC项目中使用树型结构，在WinCC中建立一个新项目，它会自动为该项目建立一个目录，与该项目有关的信息都存放在该目录下，用户可方便地进入相关的控制模块进行设计。WinCC具有以下几个主要控制模块：1）计算机在该处用户可组态该WinCC项目的开始画面，设置运行环境、光标和安全特性等。2）变量管理器该管理器用于建立过程
28、变量标签（又叫外部变量标签）和内部变量标签，如SIMATIC S7 PROTOCOL SUITE。其中，过程变量标签用于与PLC通讯，它对应PLC内部的内存位置，是监视自动化过程的数据标签。通过它，WinCC可以将现场数据读入上位机以图形方式显示出来，也可以将上位机的命令传送到PLC中；内部变量标签是WinCC内的内存位置，与PLC无关，可以存放计算过程中的中间结果，也可以在软件调试阶段暂时代替过程标签。3）结构变量结构变量是特殊的变量，它含有不同数据类型的元素。它们与ANSI C结构相似，并可用于生成普通设备的样板，这些设备通常有许多I/0点与之相连。在生成某一结构变量后，即可简单地按照通常
29、的方式，在数据类型的下拉式菜单中选择该变量作为新的数据类型。在编辑图形对象或组态曲线、报警功能时，可将该结构变量内的变量标签元素与其它任何“正常”的变量标签一样对待。4）图形编辑器所有的WinCC运行应用都集中在该编辑器生成的可视界面中。它允许用户开发所需的图形用户界面（GUI）、监视过程数据、浏览其它WinCC编辑器中的应用以及综合安全性。根据对象相关设计原则，图形编辑器中的对象使用属性和事件做为用户和过程数据的接口。图形编辑器与其它编辑器一样都有两种操作模式组态：模式（CS）和运行模式（RT）。用户在组态模式中用各种工具和对象生成图形画面，用变量标签、C脚本以及其它方法对应于过程数据变化定
30、义图形的行为。在运行模式，WinCC将过程数据和静态图形对应起来，并根据各编辑器中进行的组态设置，实际地生成运行应用以监视用户的过程。5）报警记录报警记录编辑器用于归档和获取消息，具有从过程接收消息并准备、显示、确认和归档等功能。报警记录组态系统（报警记录CS）用来组态消息，以便按要求显示。报警记录运行（报警记录RT）用于获取消息和接收确认。报警记录编辑器可以表示位报警和模拟量报警。位报警根据标签指定位的状态产生相应的报警信息，可用于对开关量的判断。模拟量报警对标签的极限值进行监测：如果标签值高于指定的上限值或指定的另一标签的当前值，则产生上限报警；如果标签值低于指定的下限值或指定的另一标签的
31、当前值，则产生下限报警。报警信息可存于硬盘的报警档案中，还可以用表格的形式显示于监控画面上或由打印机输出。操作员可根据报警信息快速找到故障原因并修理。6）变量记录WinCC的变量记录编辑器允许用户为其过程数据生成用户档案库，并通过其中的图标生成过程变量标签，以建立过程数据和档案库之间的联系。存档的变量可以是各种数据类型，既可以是内部变量，也可以是外部变量。用户可以组态与档案库变量标签相连的曲线或数表样板，在运行时，通过这些曲线和数表观察这些过程值。7）报表编辑器报表编辑器允许用户快速组态所监视过程的报表，允许动态地将文本和图形放在同一报表中。报表数据根据其数据源的不同，分为运行数据和组态数据，运行数据是报警和变量存档档案库中的数据，组态数据是从各编辑器的组态设置中得到的。每个报表都可设计报表的样式和所包含的数据，决定什么时间按什么时间表进行打印，以及打印的数据范围是什么。报表也可以打印到加强的图形文件（. emf格式）中。每个新项目都有60个已组态好的布局和19个己组态好的打印作业可供选择，用户也可以自己生成自己的布局和打印作业。8）全局脚本WinCC中的全局
