炼铁热风炉自动控制系统冗余改造的实现

周国贞 黄立薇 丁剑锋

摘要：介绍韶钢炼铁厂7#高炉热风炉自动控制系统存在的问题，及针对存在的问题采取的改造措施，通过对热风炉进行自动控制系统冗余改造，充分利用冗余PLC控制器的优越性能，消除系统单点故障隐患，提升了7#炉热风炉自动控制系统的可靠性，保障高炉生产更加稳定顺行。

关键词：自动控制；冗余；改造

1概述

热风炉是为高炉加热鼓风的设备，是现代高炉不可缺少的重要组成部分，它的作用是为高炉持续不断的提供1000度以上的高温热风。7号高炉热风炉有4座外燃式热风炉，采用“二烧二送”的方式，正常生产时每个时刻都要保持2座热风炉向高炉提供持续不断的热风。鉴于热风炉对高炉的重要性，热风炉PLC系统停机将会间接导致高炉休风，带来巨大的经济损失，在这种情况下，只有冗余系统才能满足高可靠性的要求。使得热风炉操作可以更加平稳可靠，从而保证了高炉稳定操作。

2改造背景

韶钢7号高炉有效容积为2200立方米，总投资十多亿元，年产生铁200万吨。7号高炉大胆采用新工艺、新技术、新设备，达到当时国内外同类型高炉的先进水平。虽然后续建设的8号高炉已经投产，但随着韶钢不断淘汰落后产能，小高炉均已停产，7号高炉仍然需要满负荷生产，才能满足钢后供应。

7号高炉热风炉PLC系统原使用西门子S7-400系列产品，CPU型号为CPU416-2XK04。改造前的5年时间内，该系统共出现过3次CPU故障，导致7号高炉不同程度停产，给炼铁生产造成较大损失。出于保证生产更加稳定顺行的目的，决定对该系统进行改造。

3改造的实现

3.1热风炉自动控制系统组成

热风炉自动化系统控制内容有：一是四座热风炉的本体区，主要通过控制各个阀门使热风炉在燃烧、焖炉、送风三种状态之间切换；二是液压系统共有5台油泵，二用二备一循环，设有油位、油压、油温检测报警系统；三是助燃风机区，包括两台助燃风机，一用一备；四是余热回收区，设整体式热管换热器，用于预热助燃空气。关键控制内容包括热风炉燃烧控制、送风控制、换炉控制等。

（1）PLC系统：7#高炉热风炉PLC系统主要组成：西门子S7-400系列CPU、通讯模块CP443，以及S7-300系列I/O模块，包括20个32P的DI数子量输入模块和6个32P的DO数字量输出模块、以及RTD热阻和TC热偶等27个8P的AI/AO模拟量模块，各子站之间通过现场DP总线连接。

（2）计算机系统：配置了5台计算机，分别为2台服务器、1台工程师站、2台操作员站。热风炉自动控制系统的服务器与高炉上料、本体、炉前等系统共用，主要用于PCS7过程控制系统的运行及客户端服务的发布，服务器与PLC之间通过工业以太网进行通讯；工程师站主要用于系统配置、画面设计、程序修改与监控、故障诊断等；操作员站主要用于岗位操作。

（3）控制系统软件：采用SIMATIC PCS7V7.0，它是集组态（包括硬件配置、控制策略、人机接口等组态）、工程调试和诊断功能为一体的软件包。根据系统控制要求，选用LAD、STL和CFC编程语言。

3.2冗余改造关键内容

以采用当前成熟、稳定的产品与技术为原则，同时保证与其它高炉备件的通用，选用SIMATIC S7-400H系列PLC。S7-400H的冗余结构包括电源模块、CPU模块、以太网模块、IM153模块和DP网络的冗余配置，当工作主系统发生问题时，自动切换到从系统工作。为控制系统改造实施风险，利用高炉休风停产检修2个小时以上的时机实施此次改造。

（1）硬件部分

①CPU模块升级：将原S7-400系列单CPU改成冗余控制器CPU417，該CPU属于高可靠性的SIMATIC S7-400H系列，能充分满足控制系统高可靠、高稳定性的要求。它能连续运行，即使控制器的某些部件由于一个或几个故障而失效也不受影响。另外，该型号提高了CPU的处理速度及工作存储能力，并增加了一些新的功能，将大大提高热风炉系统的稳定性。

②通讯链路冗余改造：对于与扩展机架ET200M的通讯，使用具有冗余接口的IM153-2BA00模块，保证了CPU和IO模块之间通讯链路的冗余。

③热插拔功能升级：ET200M从站使用有源底板，通过编写相应程序，可实现在系统运行期间对IO模块进行热插拔更换。ET200M是在工业现场经常使用原PROFIBUS DP分布式从站，一个ET200M从站一般由导轨（S7-300系列通用导轨）、IM153接口模块、若干块S7-300系列的模块（PS电源模块、I/O模块、CP通迅模块、FM功能模块）组成；这样的ET200M从站是不支持热插拔功能的。为了实现ET200M从站的热插拔功能，需要对ET200M的硬件配置进行一些调整，将通用导轨更换成有源总线导轨+有源总线模板的模式，这样就可以在系统通电运行的状态下，进行硬件的热插拔更换和调整。

④24V电源供应改造：在系统供电方面，除保持使用UPS供电外，此次改造还使用了两个24V稳压电源搭配二极管的方式实现给PLC模块的冗余供电。

（2）软件部分

①根据PLC硬件部分升级的内容，使用step7软件对PLC控制系统进行重新组态，改造前的系统组态如图1，改造后的系统组态如图2。

②使用SIMATIC PCS7V7.0软件对整个PCS7程序进行重新编译，重新生成WINCC连接变量，使WINCC监控画面能与新CPU进行正常通讯。

③操作员站系统画面不作任何修改，操作人员无需重新培训，只要按照原操作习惯进行操作即可。

4 改造后的效果

4.1 系统可靠性大幅提升

（1）冗余控制器CPU417-4H具有两个CPU同时处于运行状态，一个为Master（主），另一个为Slave（从）。Slave从Master拷贝所有数据备用。当系统监测到Master异常时，自动无间隙实现Slave的投入，并获取控制权，保证系统不间断运行。改造后的冗余控制器运行稳定可靠，基本上不会出现因控制器故障而影响生产的情况。

（2）DP总线冗余，即使一部分接口模块出现故障，CPU和I/O模块之间的通讯也不会中断。

（3）热插拔功能的实现有以下好处：不会造成模块的硬件损坏；CPU不会停机，并产生报警；该模块I/O通道数值保持不变，而其他模块的运行不受影响；CPU中会触发中断组织块或通过DP诊断程序快，得到模块拔出或插入的事件信息，在用户程序或中断组织块OB1中进行相应的控制逻辑和I/O通道的处理。

（4）提高了PLC系统供电的可靠性。

4.2 增加生产效益

因冗余改造大大提高了控制系统的性能及可靠性，降低了系统故障率，间接带来了一定的生产效益。

5结束语

通过实施系统冗余控制改造，大大提升了炼铁热风炉自动控制系统的可靠性，为高炉的稳定顺行奠定了良好的基础。同时，因改造后降低了系统突然停机导致生产发生意外事故的机率，所以改造也提升了高炉生产的安全性。

参考文献：

[1]靖宇.PCS7在承钢2500m3高炉生产上的应用.北方钒钛，2011年1期