西安工程科技学院学报
Journal of Xi 'an Univer sity of Enginee ring Science and Technolo gy
第21卷第6期(总88期)
2007年12月Vol .21,No .6(Sum N o .88)
文章编号:1671-850X (2007)06-0835-05 收稿日期:2007-10-06
通讯作者：王延年(1963-)，男，吉林省长春市人，西安工程大学教授.E -mail :w y n11405@y ahoo
基于S7-400H PLC 冗余系统的透平机转速控制 王延年，寇国祥，赵 莹
(西安工程大学电子信息学院，陕西西安710048)
摘要：结合高炉煤气余压能量回收透平发电装置控制工艺的特点，使用西门子S7-400H PLC 实 现了控制系统的设计.由于透平机的转速调节对于整个装置的安全、高效运行起着至关重要的作
用，因此透平机转速控制的优劣成为实现系统自动控制的关键技术之一.基于西门子S7-400H PLC 硬件系统的设计，并且配合开发特殊的应用程序较好地实现了透平机转速控制.
关键词:TRT ；高炉炉顶压力；透平；静叶
中图分类号:TP 273 文献标识码:A
随着高炉冶炼技术的发展，目前高炉普遍采用高压炼铁等措施提高冶炼效率，这对高炉炉顶压力的调节提出了更高的要求.利用高炉煤气余压能量回收发电装置(T RT )不但能够利用余压发电，而且起到稳定高炉顶压、减少环境污染和降低噪声的作用.由于煤气经过透平机发电后其化学成分不会改变，因此仍然可以供煤气用户使用.T RT 装置可回收高炉总消耗能量的1/3以上，是目前国内外公认的最先进的冶金节能环保装置[1].由于TRT 装置结构复杂，涉及到动力油站、润滑油站、透平机、大型阀门组、发电机和相关的发电设备以及其他附属设备，故TRT 控制系统的控制对象复杂、相关联对象多、要求可靠性高、控制难度大.本文设计出一套完整的PLC 控制系统，实现了对T RT 的全部控制尤其是对透平机转速的精确控制，对以后T RT 控制系统的标准化设计会起到积极的作用.
图1 T R T 工艺流程图
1 高炉煤气余压回收透平装置(T RT )概述
T RT 系统全名为高炉煤气余压能量回收透平发电装置
(Blast Furnace To p Gas Pressure Recovery Turbine Unit ),
它的作用是回收高炉出口煤气中所蕴含的压力能和热能.在
T RT 未投运前，高炉煤气是经减压阀组减压后，送到煤气主
管上，再经过进一步净化后送至煤气用户.T RT 投运后，高炉
煤气的一部分或全部经过透平膨胀做功，推动发电机发电，回
收煤气中的压力能.发电量可以达到整个高炉系统用电量的
30%左右.通过透平后的煤气，进入低压管网，与原煤气系统
的减压阀组并联.其工艺流程如图1所示.2 T RT 机组自控系统构成
T RT 机组自控系统设计原则为在确保高炉正常生产的前提下，尽量多发电.在任何情况下，确保机组DOI :10.13338/j .issn .1674-649x .2007.06.026
的安全和转速不超过允许范围，实现自动启动、自动调速、自动调功率、自动调高炉顶压、自动停机功能.选用西门子的S7-400H 型PLC 和工业控制计算机构成完整的控制系统，完成机组所必须的过程控制、逻辑控制和过程监视、故障报警显示功能[2].工业控制计算机作为操作站具有工程师编程功能及操作功能，并
配有打印机实现报警打印、报表打印、画面拷贝功能[3].在保证高炉正常生产，顶压波动不超限的前提下,
整个控制系统自动完成TRT 装置的启动、升速、并网、升功率、顶压调节、正常停机、紧急停机、点动运行、正常运行等操作及控制.系统配置如图2所示，该控制系统具有以下特点: (1) 工业以太网冗余 每个工业控制计算机内插两块CP1613工业以太网卡，通过OSM (工业以太网交换机)分别连到两个冗余的CP443-1以太网通讯模块上，组成2个独立的以太网，互为冗余备份，当其中一个网络出现故障时，能很快切换到另一个以太网继续通讯[4].
(2) 操作站冗余 2台工控机同时运行，当其中一个操作站出现故障时，另一个操作站可以继续使用，数据不会丢失，操作不会因此而中断.
(3) CPU 冗余 主控制站有2个CPU .正常状态下，两个CPU 同时运行，其中一个CPU 为主CPU ，
另一个为热备，通过同步光缆连接起来.两者进行数据比较后由主CPU 负责发送数据.当主CPU 出现故障时，另一个CPU 会在下一周期开始继续执行控制程序，切换时不会造成停顿和数据的丢失[5]
.
(4) Pro fibus -DP 网络冗余 每个扩展机架上都有2个IM 153远程I /O 连接模块，分别挂在2个CPU 所支配的Profibus -DP 里.IM 153出现故障能自动切换到另一个IM 153，这时候CPU 不切换.每个IM 153上都有拨码开关，可以选择通讯地址，不容许冲突.
(5) 供电冗余 所有需要24V 供电的设备电源由2个SITOP 电源模块和一个电源冗余模块提供.当一个SITOP 电源模块出现故障时，另外一个会继续为系统提供工作电源
. 图2 系统配置图 图3 启动过程
3 透平机的启动升速调节
一套TRT 设备的运行一般分为启动升速、并网后升功率、顶压自动调节、停机等4个过程.其中第一个过程最为关键.升速主要完成的任务有如何启动升速、控制升速、跨越临界点、控制速度的稳定等.升速的快慢，升速是否成功和最终转速的稳定性直接影响到高炉的顶压.
3.1 启动升速需要满足的条件
要保证透平机安全地升速，首先要保证现场所有的设备完好，包括阀和泵的可靠动作，外围设备的正确测量和显示.经过单体试车、无负荷联动试车和带负载试车完成后，确保启动条件满足.启动连锁条件满足后，向高炉发出申请，高炉回答同意后，解除闭锁，可以投入升速.启动过程如图3所示.
3.2 启动升速的方法
T RT 启动升速分为通过启动调速阀升速和通过静叶升速，升速过程分手动和自动2种方式.2种方式可以相互切换，切换过程要求无扰动.
3.2.1 启动调速阀升速 启动初期，静叶打开到预先设定的角度，依次打开出口插板阀、出口碟阀、紧急836 西安工程科技学院学报 第21卷
竹直锥大象虫切断阀、入口插板阀，然后打开入口电动调节阀.此时，入口电动蝶阀处于关闭状态，使煤气进入透平管道.这时，启动调速阀以一定的速率打开，透平的转速也越来越高，当转速到达1000r /min 时投入PID 自动调节，最后稳定在设定值3000r /min 左右.并网后才打开入口蝶阀，进行后续操作.
3.2.2 静叶升速 启动初期静叶关闭，依次打开出口插板阀、出口碟阀、紧急切断阀、入口插板阀，最后打开入口电动蝶阀.此时可以不使用启动调速阀，使它处于关闭状态.即使静叶关到最小角度也存在一定的缝隙，这时透平机将以一个比较低的、较稳定的转速(约500r /min )开始冲转.当转速低于1000r /min 时，静叶对转速的控制不明显，所以静叶开度以固定的值递增.随着静叶的角度越开越大，透平转速将越来越快.当接近1000r /min 时投入PID 自动调节，最终转速将稳定在设定值3000r /min 左右.
3.2.3 手自动切换 两种方式下可以实现手动、自动的无扰动切换.自动升速：投入自动升速后，转速将随预先设定的曲线升高.当达到临界点时，快速升高转速，以冲过临界点；达到2500r /min 以后，升速速率逐渐降低，直至3000r /min 时停止升速.手动升速：脱开自动升速，通过手动调节静叶开度升速；或者直接输入预期的转速值，静叶调节使转速达到预期值.升速达到3000r /min 后，稳定转速，准备进行并网.4 升速过程的控制要点
4.1 临界点跨越
升速过程中，需要特别关注的是跨临界过程.一般中小型高炉TRT 由于采用钢性连轴器，应考虑跨临界转速的控制.某一个轴转速达到临界转速发生共振，必然会带动其他连轴设备的振动.如果透平机和电机的临界转速相差不大，一次跨越就可以实现.在控制程序里，需要对跨临界时的PID 参数进行整定.首先计算跨临界的起点、终点和速率，在起点和终点范围内采用高速率升速，相应的PID 增益参数也应该加大，以保证静叶的快速干预；其次在跨临界之前，管道煤气应保持一定流量储备，以保证在跨临界的时候有足够的煤气驱动透平升速.
跨临界过程结束后，透平升速较快,PID 自动调节静叶关闭一定角度，使升速速率降低，接近3000r /min 时，升速速率应该降低，以保证不致于超速，同时发出准备并网信号，投入自动并网装置.HDCP
4.2 转速测量
为了保证透平机转速的准确测量，现场配置了3套转速测量系统，其中2个转速处理器，一个转速监视仪.三路转速信号经过比较后，取最大值作为转速的实际测量值.在程序中调用预先编写好的FC12模块实现转速最大值选取，程序清单如下:
L #A L #temp
T #temp1
T #temp5NO P 0
002:N OP 0L #B
L #temp5T #temp2
L #temp3NO P 0
>=R L #C
=#b2T #temp3
A #b2NOP 0(分别将变量A ,
B ,
C 赋给中间变量temp1,temp2,temp3)JNB 003L #temp1
L #temp5L #temp2
T #temp4>=R
003:N OP 0=#b1
A N #b2A #b1
JNB 004JN B 001
L #temp3L #temp1
T #temp4T #temp5(temp1和temp2比较，较大的赋给temp5) 004:N O P (T emp5和temp4比较，较大的赋给tem p4) 001:N OP 0
L #temp4A N #b1
T #O U T (将temp4输出)JN B 002NO P 0837第6期 基于S7-400H PLC 冗余系统的透平机转速控制
4.3 转速控制相关程序
本系统采用静叶升速，根据转速的不同控制静叶角度，转速不同时静叶角度递增的速率也不一样.达到2900r /min 后投入PID 自动调节，手自动可以实现无扰动切换.当自动打到手动时，将测量值赋给设定
值；而手动打到自动时，将输出值赋给手动给定值.由于PLC 程序是按周期扫描的，每20ms 扫描一次.假设递增为1，每min 的增加量为(1/27648)×3000，增速过快，所以在编程时将递增的部分放在OB32中.OB32设置为定时扫描方式，扫描时间间隔为1s .转速控制程序在FC13中,PID 调节程序[6]如下:
CA LL FB41,DB2 P V IN :="P RO CESS DA T A ".Ra te PV
A N "M 81.1"
M AN :="P ROCESS D A T A ".Rate M A N =L 4.1
G AI N :="RA T E -PID ".G AIN BL D 103
T I :="RA T E -PID ".T I CA LL "CON T C ","RA T E -P ID "
T D :="RA T E -PID ".T D M A N ON :=L4.1
LM N PER :="M W200"CYCL E :=T #20M S
N O P 0直流断路器
SP I N T :="PRO CESS DA T A ".Rate SP
无扰动切换子程序如下:
A N "M 81.1" T "PROCESS DA T A ".Rate SP
JN B 002
NO P 0L "P RO CESS DA T A ".Ra te PV
L "M W200"T "PROCESS DA T A ".Rate SP
T "T P JY K D " 002:N OP 0(自动切到手动时，将测量值赋给设定值)
NO P 0(手动切到自动时，将输出值赋给手动设定值)L "M W200"4.4 操作界面及测量曲线
转速控制操作画面如图4所示.开入口电动调节阀时，透平开始冲转；当电动调节阀全开且静叶全关时，透平达到一定的转速(大约500r /min ).此时默认状态下系统升速状态为手动，可以手动升速也可以选择自动升速.
(1) 手动升速 手动升速是通过调节静叶控制转速.打开转速画面，确认升速方式为“手动”，手动操作静叶开度.开关静叶有慢开/关和快开/关2种开关.慢开/关按钮每次增减0.1%，快开/关每次增减1%.在任何中间状态下，可以将升速方式切换到自动状态.
(2) 自动升速 当入口调节蝶阀全开后，透平以一定转速冲转，此时可以将升速方式切换成“自动”.自动升速开始时为暂停状态，如果点击“升速”则将按照预先设定好的升速曲线升速.在升速过程中可以点击“暂停”按钮使升速暂停，当达到透平额定转速(3000r /min )时进行并网操作
.
图4 转速控制操作界面 图5 转速设定曲线和实际测量曲线
(3) 测试曲线 图5为本系统转速设定曲线和实际测试曲线.可以看出在整个控制范围内转速最大控制
偏差在20r /min 以内，在额定转速附近转速控制精度很高，控制效果良好，满足工艺要求.838 西安工程科技学院学报 第21卷
4 结束语
该系统在某钢铁厂投用2个月以来，系统运行稳定、可靠，使得高炉顶压稳定地控制在±3kPa 以内，改善了高炉工况，提高了生产效率，并提供了高炉鼓风机系统所需电量的25%，达到了装置及系统的设计指标.
参考文献:
[1] 吕勇.全干式除尘及余压发电工艺技术方案研究[J ].冶金动力,2006(4):34-38.
[2] 西门子(中国)有限公司自动化与驱动集团.深入浅出西门子S7-P LC Step7[M ].北京：北京航空航天大学出版社,
软胶囊2004.
[3] 西门子(中国)有限公司自动化与驱动集团.深入浅出西门子WinCC V 6[M ].北京：北京航空航天大学出版社,2004.
[4] 杨宪惠.工业数据通信与控制网络[M ].北京：清华大学出版社,2002.
[5] 西门子(中国)有限公司自动化与驱动集团.SIM EN T IC S7-300可编程序控制器硬件和安装手册[Z ].北京：北京航空
航天大学出版社,2004.
[6] 钟肇焱，冯太和，陈宇驹.西门子S7-300系列P LC 及其应用软件ST EP7[M ].广州：华南理工大学出版社,2004.
Realization of the control of turbine ′s rotational speed
实验室制硝酸by S 7-400H PLC redundancy system
W AN G Yan -nian ,KOU Guo -xiang ,ZH AO Y ing
(Schoo l o f Electro nics and I nfo rmatio n ,Xi ′an P oly technic Univ ersity ,Xi ′an 710048,China )
A bstract :Co mbining the features of T RT control technology ,using SIEM ENS s7-400H PLC ,the desig n of co ntro l sy stem is realized .Because the importance o f Turbine ′s speed to the w ho le d
evice ′s safe ty and effective performance ,the control o f Turbine ′s speed has become the co mmitted skill .So the co ntro l o f Turbine ′s speed is realized based on semantic s7-400H PLC hardw are ′s desig n and special applicatio n pro gram .
繁盛一时的隋朝Key words :TRT ;pressure of the blast furnace roof ;turbine ;stator blade
编辑：董军浪；校对：武 晖
西安工程大学主办的两种期刊
在形式规范检查评比中获优秀期刊
在陕西省出版物审读中心、陕西省科技期刊编辑学会组织的2007年度陕西省科技期刊出版形式规范检查评比中，西安工程大学主办的《西安工程科技学院学报》及《纺织高校基础科学学报》荣获优秀期刊奖。
本刊编辑部
2007-12-20839第6期 基于S7-400H PLC 冗余系统的透平机转速控制
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