2000t/d工程电气与自动化设计中若干问题浅议

　　我公司2000t/d水泥熟料新型干法生产线(以下简称新线)工程设计由天津水泥设计研究院承担,包括:砂岩矿、生料制备、煤粉制备、熟料烧成四大部分,设计年产熟料60万t。

　　新线工艺设备中除窑燃烧器系统进口外,其余均采用近几年来国内开发和引进国外先进技术由国内转化制造的水泥装备。生料粉磨采用Φ4.6m×(7.5+3.5)m的中卸烘干磨;熟料煅烧采用Φ4m×60m带D-D型分解炉的双系列五级预热器分解窑;煤磨采用带烘干仓的Φ2.8m×(5+3)m球磨。

　　新线的控制系统采用计算机集散式控制系统,型号为NETWORK-90,是美国Balley控制公司八十年代推出的产品(以下简称N-90系统)。该系统是以微处理器为基础的高度模件化的集散系统,采用新颖、快速可靠的厂环通讯网络,并将顺序控制、过程控制、数据采集、打印报表、数据存档等控制和管理功能结合在同一个系统之中。硬件配置十分灵活,画面显示功能强大,组态灵活方便,功能码(实现某一功能的程序段)相当丰富,并已固化在各自的主模件之中,控制功能强大。

　　该工程于1993年12月5日首次点火投料试车成功。后经二个多月的整改完善,交付于生产管理部门,于1994年3月28日再次点火投料,开始正常生产。笔者参与了该工程建设的全过程,现就新线在建设和生产中的经验予以粗略归纳,并就今后在设计中应该注意的问题提出一些看法和建议,供参考。

2 N-90系统方面

　　(1)新线在生产过程中,窑尾电力室抽屉柜曾两次发生较大短路,造成该电力室停电,且短时间内恢复不了供电的事故。所以要落实好N-90系统现场控制站PCU(Process Control Unit)和中继柜的双回路交流供电,其中一路应引自其它低压配电室(不应同为一台变压器)。

　　(2)建议在设计时,为每个PCU站和中继柜就近共同配置一个小型配电柜,内装配电开关、交流净化电源和隔离变压器等。否则,如随便安置既不雅观又不安全。最好单设一个专用配电柜,交由计算机人员管理,负责PCU站和中继柜的停送电。

　　(3)中控室UPS(Uninterruptible Power Supply)电源设备原设计型号为BJD-20A,故障较多。后来改为BJ-30型,运行至今尚未发生故障。

　　(4)试车期间即发现ACR-15型交流净化电源抗谐波能力甚差,后借助示波器反复观察,发现不仅没有起到净化作用,反而加剧了波形畸变,并产生过电压,恶化了供电质量,最后只好全部去掉。目前尚未找到合适产品。

　　(5)PCU站配置的I/O电源的电压等级为直流24V或125V,本系统采用24V,实际上DI(Digital Input)模件的开路电压仅7V左右。由于现场粉尘较大,再加上某些高低压电器的辅助接点质量不佳,导致在运行中备妥信号(即设备送电完毕,在集中控制方式下准备妥当)、应答信号(即设备运行时返回的信号)经常消失,致使设备无故停车。目前已成为影响设备运转率的主要因素之一。今后在配置PCU站的I/O电源时,最好选用125V DC电压等级。

　　(6)在集中控制方式下,对电机的顺序控制最好适当予以简化。组的划分除了要考虑工艺流程外,亦应根据生产控制的特点,着眼于如何提高运行的可靠性上。即对于某些独立性较强或与主工艺流程关系不太密切的工艺设备可适当解锁,不必包括在顺序控制之列,而采用单机编组或现场控制的方式,这样可避免一些非紧要生产环节发生故障而影响整个生产系统的问题。

　　(7)计算机关于故障分析与故障过程追忆的语言和功能欠缺,在发生故障停车和起动失败后,计算机给不出具体分析判断的依据和线索。这表明:一则软件开发欠佳;二则有关故障分析的信息采集点数不足,反映现场问题太笼统。今后应重视并加强有关故障分析的信息采集和相应的软件开发工作,同时在做PCU站硬件配置时,增加采样点,以利于故障分析。

　　(8)软件组态应该注意保证各相关环节的制约关系,尽可能避免顾此失彼的问题。例如生料磨系统风机电机的重载起动中,转子短路的开关量信号虽然已进计算机,但组态时没有与定子回路的起动和运行构成约束关系。曾因重载起动柜内部故障,起动完毕没有封星点(转子短路),导致频敏变阻器较长时间串入,严重过热。现在厂里修改了软件组态,解决了问题。

　　(9)生料磨系统PCU站与总配电站虽然相距较近,但是,计算机对整个生产线全部高压电机的控制,还是以不集中在该PCU站为好。虽然,集中于该PCU站可节省一定数量的控制电缆,但却与“集散控制”的本意相悖。运行中曾遇到该PCU站,汇集高压电机起、停、备妥、应答信号的DI、DO(Digital Output)模件中,有一路损坏而无法更换之事。因为更换这些模件会波及到跨工序的高压电机运行,对生产影响很大。笔者认为:计算机对高压电机的控制,还是以分散在各所在工序的PCU站为宜。

　　(10)PCU站端子柜选用端子模件密集安装方式,造成大量电缆汇集于一个柜内,易发生故障。此外,造成接线和查线困难,且接线完毕后许多端子模件的面板都未能罩上,模件得不到应有的保护。若选用端子单元并适当扩展端子柜数量,是能够较合理地解决该问题的。

　　(11)厂内对全部PCU站的房间都进行了密闭防尘的改造,并增设了空调机组,可惜的是因事后改造土建工程不太理想。此问题应在设计时就一并考虑。

3 电气系统方面

　　(1)由于新线的接地工程分别涉及到N-90系统，较为繁杂,再加上几个控制室内都是各类盘柜混合布置,很容易使各接地系统混接在一起,给控制信号的传输和设备的安全运行带来不利。新线各类接地系统形成全部连通,很不合理。因此,建议在今后的设计中,应对计算机、仪表、电子设备、屏蔽和低压供配电等各接地装置的布置,从设计角度给出明确的要求和安装注意事项。盘柜应尽量按类合理布局或采取有效的隔离措施。

　　(2)主传动与辅助传动本应两路供电,但设计仅为单回路供电,从而有主电动机发生故障或断电时窑筒体弯曲的故障隐患。所以设计时应为窑辅助传动另从其它电力室引入一路备用动力电源,新线在生产过程中已有此教训,现已改进。

　(3)从运行情况看,KGSFA21系列直流电机可控硅传动装置故障较多,为此厂里统一增设了备用系统。但是该系列产品励磁电源是不随主回路开关受控断电而自动断电的。在试车期间,曾发生系统全部停车后,由于疏忽忘记拉下励磁电源开关,致使电机励磁长期得电,先后造成窑主传动和生料磨选粉机的电机严重过热事故。在新线整改完善阶段,对各台可控硅传动装置,均在励磁电源的交流侧增设了接触器等低压电器,并改进了控制方式,从而杜绝了此问题的发生。

　　(4)处理备妥信号要注意全面性和一致性。如可控硅传动装置的备妥,用的是电力室抽屉柜内的空气开关,但是在可控硅传动装置柜内还有控制电源和励磁电源等开关,倘若没合闸,计算机虽然得到备妥信号,但是没有意义。新线投产初期,每次系统开车时往往都因为“备妥”问题而延误较长时间。进行技术培训时,也难以举一反三。

　　(5)为加快设计进度,设计中常采用套用其它工程图纸的方法,但是应注意不同工程的控制系统组成的特点和差异,否则容易给施工和调试造成困难。例如:煤磨圆盘喂煤机的传动为滑差电机,原设计的控制方式欠妥,与整个系统的组成和控制策略不吻合,似乎是套用其它工程图纸考虑不周所致。后改用“CTV-Ⅲ电子转换装置”解决了计算机与ZLK-10型滑差控制器之间的4～20mA DC/0～-10V DC转速指令信号的变换和测速发电机0～45V AC/4～20mA DC转速信号的变换。并将该转速信号接入计算机,作为终端转速显示信号,解决了中控操作人员进行煤磨喂煤量调节的问狻?/dt>

　　(6)窑、生料磨、煤磨等主机的机旁主传动、辅助传动电气控制箱位置相距较远,“主传/辅传”、“集中/机旁”转换都是分立的,钥匙又不统一,岗位人员甚觉不便,也容易误操作。后来将这几处转换用的钥匙按钮全部取消,用LW5系列转换开关,按“主传机旁/主传集中/辅传”三位设置,岗位人员比较满意,至今已有相当一部分钥匙按钮被主令开关取代。

　　在过去传统的设计中,一般仅对热工检测的微弱信号和低电平信号的传输线选用屏蔽电缆,提高抗干扰能力,并抑制感生电压以保护二次仪表。而对于电气系统二次回路所用的控制电缆,干扰和感生电压无甚关系,一般大都选用普通控制电缆即可。然而随着集散系统的应用,其顺控部分已与现场的大量电气设备紧密地结合在一起。尤其是在DI模件工作电压等级选的较低情况下,对干扰,尤其是感生电压应引起格外的警觉。

　　在调试期间,发现许多接入PCU站的开关量信号线芯均有感生电压,有的还挺高。全部更换为屏蔽电缆已不现实,当时仅更换了几条感生电压较高的电缆。事实上这对计算机的DI模件是个潜在的隐患。为此建议是否可将凡由高、低压电气系统引入计算机的开关量信号线路,例如备妥与应答信号,不与其它信号共用一条电缆,且改用屏蔽电缆,以抑制感生电压,消除隐患。

　　此外,在高压绕线电机转子回路的重载起动柜内,由总配电站引来的定子回路合闸信号线路,亦需单独敷设并选用屏蔽电缆。因为重载起动柜内部采用的是JS14A晶体管时间继电器,该外引线路的感生电压使时间继电器计时用的电容器缓慢充电,导致计时误差甚大,封星点时间超前,这对电机和设备很不利。为抗感生电压,调试时改用了JS7空气式时间继电器。由于现场粉尘较大,经过一个阶段运行,发现仍不可靠,现场技术人员又将其改为JS11系列电动式时间继电器,效果较好。

　　(8)设计中抽屉柜背靠背安装,使接线相当困难,检修清扫极不方便。目前厂里正在考虑重新排列布置之事。

　　(9)电气预埋应尽可能考虑得周到些,孔洞的预留量要给予足够的保证。新线管线敷设多处出现与土建构筑物和设备基础相互冲突,无法穿越的矛盾。当然这里面也有一些是施工方面造成的问题。

　　(10)生产中窑尾预热器堵塞现象是难以避免的,在捅灰时经常有高温生料涌出,曾发生将所在平面引上电缆烧毁的事故。在技改初期外出调研时,也了解到其它兄弟企业亦发生过此类事故。该问题应该引起足够的重视,设计时一定要考虑必要的防护措施。

　　(11)为直流电机供电的可控硅传动装置有截流、过流和速断三种保护方式。截流值整定一般为Ij=(1.5～2.5)Ie(Ie为电机电枢额定电流),过流值整定一般为Ig=(1.2～1.3)Ij,并没有过载保护作用,因产品定型,厂里将此装置改造也不易。而设计中一般都忽略了这个问题,因此对直流电机的保护就不完善,容易造成因过载而烧毁电机的事故。根据我们的运行经验,在直流侧增设了热继电器作为过载保护措施,并采取用E型铜连板将其三个单元并联使用的方式,在整定时又采取先并联好后再进行试验调整的办法,以回避分流不均匀的情况。此外,亦可在柜内交流侧电流互感器的二次侧接入热继电器,此种方式下在确定整定值时,既要考虑电流互感器的变化,又要考虑交直流之间的整流系数。

　　(12)总配电站的继电保护原则和方式,在设计之初,必须与当地供电管理部门密切磋商,充分注意地方法规的某些特殊性,以避免在送电验收前后,再按当地供电部门的要求,补做一些相应的改进后方可送电之事。

4 计量与检测调节仪表方面

　　(1)窑尾高温风机转速是一个重要的控制调节参数,但是在已投产的几条国产2000t/d新型干法生产线和本工程的设计中,都未解决该信号输入计算机的问题。在新线整改时,厂内选用了型号为RZQC-01A转速检测装置,取代了原SZC-02数字式转速表,既可在机旁显示转数,又可向计算机送出转速信号,使计算机既能显示,又能实施对高温风机辅助传动的自动控制(由于N-90系统的脉冲子模件输入阻抗太小,一般的接近开关或转速发讯器都不适用)。

　　(2)目前国产的温度巡检仪虽然有几种类型,但是就使用情况来看,均不太可靠,运行中经常误报警,导致相关设备停车。建议今后在做集⑹较低车挠布渲檬?可增加温度检测点,不选用巡检仪。如果必须选用巡检仪,建议在计算机的软件处理上,对其信号仅用于报警而不用于联锁,并应在图上为其巡检空档注明应配置的防开路电阻。

　　(3)由于N-90系统的AO(Analog Output)模件在输出电流信号时,伴有共模电压。因此中控室后备仪表盘上的手操器,不应选用普通型而应选用“计算机后备手操器”,才能适用。

　　(4)在一次仪表方面,D-D炉出口温度测点、窑尾预热器的三、四、五级筒锥体和出口温度测点等处,一次元件损坏较多。尤其是四、五级的测温元件保护管磨损较快,需进一步加强对高温多灰条件下的检测方法和手段的研究。

　　(5)原料磨磨头、磨尾和窑尾电收尘出、入口等处,一次检测元件更换困难。原因是检测点太高,况且仪表专业在传统上不进行高空作业。倘若检测点不能进行变动,则在设计时应考虑增设检修平台。

　　(6)新线投产后,所有的自动调节回路基本上都未能投入运行,其原因很复杂,涉及到企业领导重视程度、维护人员技术素质、配套设备质量、自动化仪表备品备件的供应、人们对自动控制重要性的认识、检测难题等因素。对此笔者有个初浅想法,即在目前的情况下,自动调节回路数量的确定,宜本着少而精的原则,即对于重要的而且是必须的搞一些。此外,在调度和运行过程中,应认真对待,予以重点保证。

　　(7)设计之初,在已确定采用N-90系统后,厂方出于初次接触应用工业计算机,从运行维护上感到无甚把握,对其可靠性也持怀疑态度。因此,坚持要求搞备用二次仪表系统,院方只好接受了厂方的意见。根据新线整个调试过程和近一年来的运行情况来看,最初的顾虑是多余的。无论从N-90系统的可靠性,还是从简化系统、节约投资的角度来看,在采用了N-90系统后,不应再搞后备二次仪表系统。

　　(8)电子皮带秤(德国SCHENCK公司技术)的外控模拟量输入信号端为接地系统,而PCU站AO模件的4～20mA DC,输出端是非接地系统,且有共模电压。因此设计时采用4～20mA DC信号制,来传递计算机对该电子皮带秤的喂料控制信号是行不通的,调试时改成1～5V DC信号制。

　　(9)窑头看火电视的摄像头,在投产后不久由于窑头正压喷火被烧坏。实际上该产品具有接受外控开关量信号,使其保护挡板自动下落对镜头实施保护的附加功能。原设计没有考虑发挥此功能的作用。厂内试图解决该问题,但是究竟是选取窑头负压检测信号,还是选取高温风机的跳闸信号来作为保护的动作条件,众说不一,有待探讨。

　　(10)国外进口设备的安装施工设计,出图深度不够,谬误较多。看来应注意在对国外进口设备技术资料的消化和掌握上多下功夫。

5 关于设备选型的一致性问题

　　同一类产品,在不同的子项工程中,所选厂家或型号不尽相同,缺乏一致性,给厂方订货造成困难。如果按设备表订货,则备品备件的准备量很大,既不便于管理,也占用生产资金较多,维护人员外出培训安排也较麻烦。如果统一厂家订货,又会出现与施工图不相符的问题,而有些设备的变动,将引起数张甚至数十张图纸的修改,有的还波及到计算机软件的修改等,工作量是比较大的!倘若此事处理不妥,则不仅导致现场施工扯皮,影响工程进度;更重要的是在工程竣工投产后,会在诸如竣工图的绘制、运行维护用图的准确性和图纸资料的移交等方面,留下许多难以协调解决的问题。例如:

　　(1)直流电机用可控硅传动装置,设计选型分别为北京整流器厂KGSF21、KGSFA21、KGSFC21三种系列,由于生产年代不同,控制原理也不尽相同,其中有的早已不生产了。厂内在实际订货时,征得院方同意,统一为KGSFA21系列产品。

　　(2)电流、电压等变换器,图纸上选用的有上海、北京、天津等各地厂家的产品。还有需要用户购置电阻、电容等元器件组装的,例如窑中主传动测速发电机电压变换器,图示电路太简单,没有隔离作用,对计算机AI(Analog Input)模件十分不利。而这种变换器本来就有标准系列产品,厂内已经选用并做了替换。

　　(3)电动执行器、伺服放大器的产家多,外表、尺寸各异,而仪表柜是按天津仪表七厂的架装变送器的外形尺寸设计的,致使安装杂乱。后来几乎将全部电动执行器和伺服放大器统一更换为该厂的伯纳德执行器,投资很大。

　　产品厂家和型号的离散,使备品备件的准备和管理工作繁杂。这个问题从实质上来讲反映了专用电控设备的综合配套设计尚有一定差距。对此问题笔者建议:设计院可否根据多条2000t/d新型干法生产线的设计经验和多次参加现场调试得到的反馈信息,在设计选型时,争取尽量统一产家和型号,并在相关专业的设备表上予以注明。

6 结束语

　　目前国内专用电控设备的电控方式,相当多的产品还停留在过去传统的控制原理上,不适应集散系统的控制策略和方式,而文中所述问题,仅仅是从设计角度出发。为此建议有关设计人员通过调查研究和借助现场调试积累的经验,对有关的专用电控设备生产厂家,加强配套的指导和评价,促使其完善产品功能,以适应当前广为采用的集散系统的控制策略和方式。

　　由于国内集散系统的应用还处于引进消化、实践探索的过程中,因此要特别重视研究硬件配置和软件开发的工作。通过实践总结经验教训,予以完善并逐步得到提高。