煉鐵熱風爐自動控制系統冗余改造的實現

周國貞 黃立薇 丁劍鋒

摘要：介紹韶鋼煉鐵廠7#高爐熱風爐自動控制系統存在的問題，及針對存在的問題采取的改造措施，通過對熱風爐進行自動控制系統冗余改造，充分利用冗余PLC控制器的優越性能，消除系統單點故障隱患，提升了7#爐熱風爐自動控制系統的可靠性，保障高爐生產更加穩定順行。

關鍵詞：自動控制；冗余；改造

1概述

熱風爐是為高爐加熱鼓風的設備，是現代高爐不可缺少的重要組成部分，它的作用是為高爐持續不斷的提供1000度以上的高溫熱風。7號高爐熱風爐有4座外燃式熱風爐，采用“二燒二送”的方式，正常生產時每個時刻都要保持2座熱風爐向高爐提供持續不斷的熱風。鑒于熱風爐對高爐的重要性，熱風爐PLC系統停機將會間接導致高爐休風，帶來巨大的經濟損失，在這種情況下，只有冗余系統才能滿足高可靠性的要求。使得熱風爐操作可以更加平穩可靠，從而保證了高爐穩定操作。

2改造背景

韶鋼7號高爐有效容積為2200立方米，總投資十多億元，年產生鐵200萬噸。7號高爐大膽采用新工藝、新技術、新設備，達到當時國內外同類型高爐的先進水平。雖然后續建設的8號高爐已經投產，但隨著韶鋼不斷淘汰落后產能，小高爐均已停產，7號高爐仍然需要滿負荷生產，才能滿足鋼后供應。

7號高爐熱風爐PLC系統原使用西門子S7-400系列產品，CPU型號為CPU416-2XK04。改造前的5年時間內，該系統共出現過3次CPU故障，導致7號高爐不同程度停產，給煉鐵生產造成較大損失。出于保證生產更加穩定順行的目的，決定對該系統進行改造。

3改造的實現

3.1熱風爐自動控制系統組成

熱風爐自動化系統控制內容有：一是四座熱風爐的本體區，主要通過控制各個閥門使熱風爐在燃燒、燜爐、送風三種狀態之間切換；二是液壓系統共有5臺油泵，二用二備一循環，設有油位、油壓、油溫檢測報警系統；三是助燃風機區，包括兩臺助燃風機，一用一備；四是余熱回收區，設整體式熱管換熱器，用于預熱助燃空氣。關鍵控制內容包括熱風爐燃燒控制、送風控制、換爐控制等。

（1）PLC系統：7#高爐熱風爐PLC系統主要組成：西門子S7-400系列CPU、通訊模塊CP443，以及S7-300系列I/O模塊，包括20個32P的DI數子量輸入模塊和6個32P的DO數字量輸出模塊、以及RTD熱阻和TC熱偶等27個8P的AI/AO模擬量模塊，各子站之間通過現場DP總線連接。

（2）計算機系統：配置了5臺計算機，分別為2臺服務器、1臺工程師站、2臺操作員站。熱風爐自動控制系統的服務器與高爐上料、本體、爐前等系統共用，主要用于PCS7過程控制系統的運行及客戶端服務的發布，服務器與PLC之間通過工業以太網進行通訊；工程師站主要用于系統配置、畫面設計、程序修改與監控、故障診斷等；操作員站主要用于崗位操作。

（3）控制系統軟件：采用SIMATIC PCS7V7.0，它是集組態（包括硬件配置、控制策略、人機接口等組態）、工程調試和診斷功能為一體的軟件包。根據系統控制要求，選用LAD、STL和CFC編程語言。

3.2冗余改造關鍵內容

以采用當前成熟、穩定的產品與技術為原則，同時保證與其它高爐備件的通用，選用SIMATIC S7-400H系列PLC。S7-400H的冗余結構包括電源模塊、CPU模塊、以太網模塊、IM153模塊和DP網絡的冗余配置，當工作主系統發生問題時，自動切換到從系統工作。為控制系統改造實施風險，利用高爐休風停產檢修2個小時以上的時機實施此次改造。

（1）硬件部分

①CPU模塊升級：將原S7-400系列單CPU改成冗余控制器CPU417，該CPU屬于高可靠性的SIMATIC S7-400H系列，能充分滿足控制系統高可靠、高穩定性的要求。它能連續運行，即使控制器的某些部件由于一個或幾個故障而失效也不受影響。另外，該型號提高了CPU的處理速度及工作存儲能力，并增加了一些新的功能，將大大提高熱風爐系統的穩定性。

②通訊鏈路冗余改造：對于與擴展機架ET200M的通訊，使用具有冗余接口的IM153-2BA00模塊，保證了CPU和IO模塊之間通訊鏈路的冗余。

③熱插拔功能升級：ET200M從站使用有源底板，通過編寫相應程序，可實現在系統運行期間對IO模塊進行熱插拔更換。ET200M是在工業現場經常使用原PROFIBUS DP分布式從站，一個ET200M從站一般由導軌（S7-300系列通用導軌）、IM153接口模塊、若干塊S7-300系列的模塊（PS電源模塊、I/O模塊、CP通迅模塊、FM功能模塊）組成；這樣的ET200M從站是不支持熱插拔功能的。為了實現ET200M從站的熱插拔功能，需要對ET200M的硬件配置進行一些調整，將通用導軌更換成有源總線導軌+有源總線模板的模式，這樣就可以在系統通電運行的狀態下，進行硬件的熱插拔更換和調整。

④24V電源供應改造：在系統供電方面，除保持使用UPS供電外，此次改造還使用了兩個24V穩壓電源搭配二極管的方式實現給PLC模塊的冗余供電。

（2）軟件部分

①根據PLC硬件部分升級的內容，使用step7軟件對PLC控制系統進行重新組態，改造前的系統組態如圖1，改造后的系統組態如圖2。

②使用SIMATIC PCS7V7.0軟件對整個PCS7程序進行重新編譯，重新生成WINCC連接變量，使WINCC監控畫面能與新CPU進行正常通訊。

③操作員站系統畫面不作任何修改，操作人員無需重新培訓，只要按照原操作習慣進行操作即可。

4 改造后的效果

4.1 系統可靠性大幅提升

（1）冗余控制器CPU417-4H具有兩個CPU同時處于運行狀態，一個為Master（主），另一個為Slave（從）。Slave從Master拷貝所有數據備用。當系統監測到Master異常時，自動無間隙實現Slave的投入，并獲取控制權，保證系統不間斷運行。改造后的冗余控制器運行穩定可靠，基本上不會出現因控制器故障而影響生產的情況。

（2）DP總線冗余，即使一部分接口模塊出現故障，CPU和I/O模塊之間的通訊也不會中斷。

（3）熱插拔功能的實現有以下好處：不會造成模塊的硬件損壞；CPU不會停機，并產生報警；該模塊I/O通道數值保持不變，而其他模塊的運行不受影響；CPU中會觸發中斷組織塊或通過DP診斷程序快，得到模塊拔出或插入的事件信息，在用戶程序或中斷組織塊OB1中進行相應的控制邏輯和I/O通道的處理。

（4）提高了PLC系統供電的可靠性。

4.2 增加生產效益

因冗余改造大大提高了控制系統的性能及可靠性，降低了系統故障率，間接帶來了一定的生產效益。

5結束語

通過實施系統冗余控制改造，大大提升了煉鐵熱風爐自動控制系統的可靠性，為高爐的穩定順行奠定了良好的基礎。同時，因改造后降低了系統突然停機導致生產發生意外事故的機率，所以改造也提升了高爐生產的安全性。

參考文獻：

[1]靖宇.PCS7在承鋼2500m3高爐生產上的應用.北方釩鈦，2011年1期