ABB DCS系統(tǒng)在寶鋼熱軋加熱爐改造中的應(yīng)用

playplay2006 2009-03-13

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簡介：

1. 前言
寶鋼分公司2050熱軋2號加熱爐已經(jīng)連續(xù)服役15年，達(dá)到一代爐齡，設(shè)備老化，加之原設(shè)計(jì)不盡合理之處給生產(chǎn)管理帶來了諸多問題，急需進(jìn)行大修綜合改造。
另外，隨著近年來蓄熱式燃燒技術(shù)的進(jìn)步，其所顯現(xiàn)的環(huán)保和節(jié)能優(yōu)勢，帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)和社會效益。因此，決定結(jié)合本次大修在2號加熱爐部分供熱段上蓄熱式燒嘴，以達(dá)到節(jié)能增產(chǎn)，減少NOx排放量，實(shí)現(xiàn)清

內(nèi)容：

1. 前言
寶鋼分公司2050熱軋2號加熱爐已經(jīng)連續(xù)服役15年，達(dá)到一代爐齡，設(shè)備老化，加之原設(shè)計(jì)不盡合理之處給生產(chǎn)管理帶來了諸多問題，急需進(jìn)行大修綜合改造。
另外，隨著近年來蓄熱式燃燒技術(shù)的進(jìn)步，其所顯現(xiàn)的環(huán)保和節(jié)能優(yōu)勢，帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)和社會效益。因此，決定結(jié)合本次大修在2號加熱爐部分供熱段上蓄熱式燒嘴，以達(dá)到節(jié)能增產(chǎn)，減少NOx排放量，實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)，改善操作環(huán)境，使?fàn)t型結(jié)構(gòu)更加合理，也使蓄熱式燃燒技術(shù)在寶鋼大型加熱爐上得到推廣應(yīng)用。
隨著計(jì)算機(jī)和自動化技術(shù)的不斷發(fā)展，在生產(chǎn)過程中發(fā)揮日益重要的作用，其應(yīng)用程度已成為衡量工業(yè)企業(yè)現(xiàn)代化水平的一個(gè)重要標(biāo)志。為使蓄熱燒嘴系統(tǒng)能夠穩(wěn)定、安全、高效的運(yùn)行，并提高的加熱爐整體監(jiān)控和運(yùn)行水平，必須對原有系統(tǒng)進(jìn)行升級改造。改造中加熱爐集散控制系統(tǒng)（DCS，Distributed Control System）采用了ABB新一代DCS系統(tǒng)AC800M，取得了良好的效果。
2. 工藝流程概述
加熱爐生產(chǎn)時(shí)，根據(jù)軋制計(jì)劃將板坯運(yùn)送到裝料輸送輥道上，由推鋼機(jī)送入爐內(nèi)進(jìn)行加熱。加熱過程分為8個(gè)供熱段，即熱回收段﹑預(yù)熱段﹑一加熱段上﹑一加熱段下﹑二加熱段上﹑二加熱段下﹑均熱段上﹑均熱段下。其中一加熱段下和二加熱段下采用蓄熱燒嘴，其他段采用普通平焰燒嘴。板坯在步進(jìn)粱的作用下，按照優(yōu)化的加熱曲線經(jīng)過各段的加熱過程，最后達(dá)到滿足軋制要求的加熱溫度，再由出鋼機(jī)托起板坯出爐，將板坯托放在出料輥道上，送至軋機(jī)進(jìn)行軋制。
3. DCS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能
本系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)整個(gè)加熱工藝流程的監(jiān)視與控制。系統(tǒng)根據(jù)上位機(jī)送來的板坯加熱信息，自動調(diào)節(jié)各段的熱分配負(fù)荷，使板坯加熱均勻達(dá)到軋制要求。系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)指示加熱過程中各段溫度變化，各段空氣/煤氣流量變化，并能夠根據(jù)需要手動調(diào)節(jié)閥門開度﹑設(shè)置空燃比﹑關(guān)閉/打開燒嘴﹑加熱方式切換等，還可以實(shí)現(xiàn)報(bào)警﹑曲線分析﹑班報(bào)表等功能。
4. 硬件配置及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
硬件配置：ABB AC800M 控制器PM861 2個(gè)（冗余）
Profibus通訊模塊CI851 1塊
MoudleBus通訊模塊CI830 1塊
模擬量輸入模塊AI810 5塊
模擬量輸出模塊AO810 5塊
熱電偶輸入模塊AI835 9塊
熱電阻輸入模塊AI830 10塊
數(shù)字量輸入模塊DI810 20塊
數(shù)字量輸出模塊DO820 20塊
操作站2臺 HP CPU2.4G 256MRAM
I/O服務(wù)器2臺 HP CPU:P4 3.6G 512MRAM
工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)3臺 100M TP-LINK
I/O點(diǎn)數(shù)量440點(diǎn)
軟件配置：2套 WINDOWS2000Server 英文版
Intellution iFIX 3.5 授權(quán)2個(gè)
ABB CONTROL BUILDER M Professional 一套
網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖：

圖1 加熱爐DCS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖
從圖中可以看出，系統(tǒng)分為三級網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，I/O服務(wù)器和HMI間采用標(biāo)準(zhǔn)的分布式客戶機(jī)/服務(wù)器結(jié)構(gòu)，控制器與I/O模塊采用Profibus現(xiàn)場總線。
第一級為現(xiàn)場設(shè)備級。主要包括加熱爐煤氣/空氣/煙氣管道的各種調(diào)節(jié)閥﹑切斷閥﹑差壓變送器等，以及加熱爐8個(gè)供熱段的熱電偶，水粱冷卻水的流量開關(guān)﹑熱電阻，蓄熱燒嘴和常規(guī)燒嘴的點(diǎn)火和檢測裝置等等。與這些現(xiàn)場設(shè)備相關(guān)的各種檢測或控制信號，以不同形式接至ABB DCS系統(tǒng)的S800系列的各種AI﹑AO﹑DI或DO模塊。這些模塊都帶有通道隔離功能，安全可靠，可由有效的保護(hù)模塊。
第二級為控制處理級。主要包括ABB AC800M DCS冗余的PM861中央控制器﹑Profibus-DP模塊CI851﹑ModuleBus模塊CI830﹑S800系列I/O模塊和工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)等。每個(gè)中央控制器有2個(gè)RJ45以太網(wǎng)接口，可以連接到兩個(gè)不同的網(wǎng)段中，2個(gè)RJ45的RS232C接口可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)控制器的狀態(tài)監(jiān)視，平時(shí)一用一備，一旦一個(gè)控制器出現(xiàn)問題，可實(shí)現(xiàn)無擾動切換。
第三級為監(jiān)控管理級。主要由冗余I/O服務(wù)器﹑工程師站﹑2臺HMI和工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)組成。I/O服務(wù)器實(shí)現(xiàn)控制器與HMI的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸，并接受來自L2級板坯加熱優(yōu)化系統(tǒng)的設(shè)定信息。工程師站負(fù)責(zé)系統(tǒng)組態(tài)及日常維護(hù)。在HMI中采用iFIX軟件進(jìn)行集中監(jiān)視、控制、報(bào)警、趨勢分析、信息管理和報(bào)表打印等功能。
5.系統(tǒng)特點(diǎn)
5.1 工程師站和操作站特點(diǎn)
（1）監(jiān)控軟件采用基于Windows平臺的美國Intellution公司的iFIX軟件。IFIX不僅提供了可視化的窗口，包含作圖工具、ActiveX控件、開發(fā)向?qū)Ш蛯＜业墓ぞ呦?。特有的動畫向?qū)А⒅悄軋D符生成向?qū)У葟?qiáng)大的圖形工具方便了系統(tǒng)開發(fā)。而且系統(tǒng)具有良好的開放性，支持以太網(wǎng)、Profibus DP、RS232/422/485等通訊方式，支持TCP/IP、NetDDE、ODBC、OPC等標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議。
（2）I/O服務(wù)器相互冗余，在一臺服務(wù)器出現(xiàn)問題而停止工作的情況下，系統(tǒng)仍可以正常的工作，保證了系統(tǒng)運(yùn)行的安全可靠。
（3）全中文操作界面，有利于工程項(xiàng)目的開發(fā)和調(diào)試。
5.2 系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳遞
（1）控制器和主要的通信模塊及遠(yuǎn)程站采用Profibus-DP總線，該總線屬于設(shè)備總線，主要應(yīng)用于復(fù)雜現(xiàn)場設(shè)備和分布式I/O，物理結(jié)構(gòu)為RS-485，傳輸速率為9.6kb/s∽12Mb/s。
（2）控制器和I/O服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)傳遞采用OPC方式。OPC服務(wù)器端ABB OPC Server在I/O服務(wù)器中運(yùn)行，并通過ABB專用的MMS Server 與控制器實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換，可以對現(xiàn)場設(shè)備及其驅(qū)動程序進(jìn)行封裝。OPC服務(wù)器向下對設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，向上與OPC客戶應(yīng)用程序通信完成數(shù)據(jù)交換。OPC服務(wù)器屏蔽了現(xiàn)場層的設(shè)備驅(qū)動程序；客戶應(yīng)用程序開發(fā)人員看到的，只是OPC服務(wù)器提供的統(tǒng)一接口，而不必再去關(guān)心現(xiàn)場設(shè)備的驅(qū)動程序。只要客戶應(yīng)用程序符合OPC接口規(guī)范，就可以與OPC服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。
（3）數(shù)據(jù)傳遞見下圖

圖2 數(shù)據(jù)傳遞流程圖
5.3 控制器及I/O模塊特點(diǎn)
（1）控制器的時(shí)鐘頻率為48MHz，運(yùn)算速度為0.27ms/千條指令，程序存儲空間16M，24V供電，提供2個(gè)以太網(wǎng)口，2個(gè)RS232口。兩控制器冗余配置，電源也冗余。
（2）所有I/O模塊都可帶電插拔，不會給控制器帶來影響。底部硬件鎖保證更換的模塊與原模塊型號相同。當(dāng)模塊通訊中斷時(shí)，所有輸入輸出都可以設(shè)定在預(yù)定義的值內(nèi)或保持不變。
5.4 系統(tǒng)組態(tài)
（1）高效的組態(tài)工具 Compact Control Builder ，符合IEC1131標(biāo)準(zhǔn)，提供了六種編程方式：指令表、結(jié)構(gòu)文檔、功能塊圖、順序圖、梯型圖和Control Module。后一種為ABB獨(dú)創(chuàng)，具有更高的工程效率和易用性。
（2）可離線進(jìn)行仿真測試，無需目標(biāo)控制器；如需進(jìn)行軟件綜合測試，可將程序下載至軟控制器，進(jìn)行測試。
（3）強(qiáng)大的在線幫助系統(tǒng)，提供隨時(shí)的幫助信息，提高了開發(fā)效率，降低了開發(fā)難度。
6. 典型調(diào)節(jié)回路
6.1 爐溫雙交叉限幅控制
在加熱爐燃燒控制方案上采用了廣泛使用的串級交叉限幅控制方案,能夠較好的達(dá)到控制空燃比，降低NOX，以及節(jié)能的目的。
它時(shí)以以出爐溫度為一個(gè)主控回路，煤氣流量和空氣流量為兩個(gè)副控回路，實(shí)現(xiàn)煤氣穩(wěn)定而有效的燃燒。
以爐溫調(diào)節(jié)器的輸出信號決定空氣流量和煤氣流量調(diào)節(jié)器的設(shè)定值，同時(shí)，在煤氣控制回路和空氣控制回路都設(shè)有低選和高選的比較選擇器。比較的參考信號是由實(shí)測的煤氣流量和空氣流量換算成對應(yīng)對方的允許流量,與溫度調(diào)節(jié)器輸出的要求流量進(jìn)行比較后組成雙交叉限幅選擇性控制。交叉限幅控制可以改善系統(tǒng)的動態(tài)特性，此系統(tǒng)不但在穩(wěn)定時(shí)能保持適當(dāng)?shù)目諝?燃料比，在動態(tài)時(shí)也能在一定范圍內(nèi)維持系統(tǒng)的空氣-燃料比。

6.2 爐壓調(diào)節(jié)
當(dāng)對燒嘴的燃燒方式進(jìn)行切換時(shí)或爐門開啟時(shí)，容易引起爐壓波動，引起冷風(fēng)倒灌或火焰從爐內(nèi)噴出。爐壓調(diào)節(jié)器根據(jù)安裝在均熱段壁上的變送器測量的壓力變化采用PID方式去控制煙道上擋板閥的開度，以保證爐內(nèi)維護(hù)微正壓。
當(dāng)裝料爐門或出料爐門開啟時(shí)會對爐內(nèi)壓力形成擾動，這種干擾采用常規(guī)的控制方法不能消除，需在爐門開啟期間進(jìn)行爐壓自學(xué)習(xí)控制。
7. 結(jié)束語
加熱爐DCS自2005初改造完成后，不僅性能穩(wěn)定，界面友好，操作簡單，維護(hù)工作量小，而且產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)和社會效益，。ABB的AC800M系統(tǒng)配置靈活，功能強(qiáng)大，易學(xué)易用，性價(jià)比高，既具有相當(dāng)?shù)募夹g(shù)先進(jìn)性，又代表當(dāng)今DCS系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，是企業(yè)進(jìn)行技術(shù)改造和生產(chǎn)企業(yè)過程實(shí)現(xiàn)首選的自控系統(tǒng)。

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