（机械设计及理论专业论文）石灰石制粉输送控制系统设计及可靠性分析.pdf

l i m e s t o n e y s t e m b e ( y a n s h a nu n i v e r s i t y ) 2 0 0 8 m i l l i n ga n d at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g m e c h a n i c a l ，m e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r y i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f l a n z h o uu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y s u p e r v i s o r a s s o c i a t ep r o f e s s o rz h a ox u e ，w u m i n gl i a n g a p r i l ，2 0 11 指导下独立进行研 用的内容外，本论 成果作品。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：随晶晶 日期：劢 c 年乡月多日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在一一年解密后适用本授权书。 2 、不保密酞 ( 请在以上相应方框内打n 、) 作者签名： 导师签名： 随、鼎晶 氮孝 日期： 加j 年钐月7 日 e l 期：矽，年6 月- 7 日 硕士学位论文 目录 1 1 3 自控系统的综合2 1 1 4 自控系统的发展趋势3 1 2 自控系统在火电厂中的应用3 1 2 1d c s 在火电厂中的应用3 1 2 2 制粉自动控制现状：4 1 3 可靠性的国内外研究现状5 1 3 1 国外可靠性发展现状5 1 3 2 国内可靠性发展现状6 1 4 研究意义和内容7 1 4 1 课题来源、目的和意义7 1 4 2 本课题的研究内容8 1 5 本章小结9 第2 章系统的总体设计10 2 1 系统的设备组成1 0 2 1 1 制粉系统的组成10 2 1 2 输送系统的组成12 2 2 系统的工艺流程1 3 2 2 1 制粉系统13 2 2 2 输送系统14 2 2 3 石灰石粉粒度15 2 3 控制方案1 7 2 3 1 系统的总控制方案17 2 3 2 制粉系统的控制方案17 2 3 3 输送系统的控制方案19 2 4 本章小结2 0 第3 章自控系统的硬件设计2 1 v v 1 1 1 1 一 v 一 一 一 一 r匕口q 一 一 一 一 生统 ，1】kz ，c f 一 一 一 一甩产系 !、，ui 一 一 一 一应的制 系统设计及可靠性分析 2 1 ：11 ：21 2 2 ：2 ：! ：1 3 ：1 3 则2 3 3 2 2 控制系统总体设计方案2 4 3 3 冗余设计2 4 3 3 1s7 - 4 0 0 h 简介2 5 3 3 2s7 - 4 0 0 h 的功能特点2 5 3 3 3 冗余节点2 6 3 3 4 本控制系统的冗余设计。2 6 3 4 系统硬件设计2 7 3 4 1 上位机2 7 3 4 2p l c 系统组成2 8 3 4 3 本系统硬件配置2 9 3 4 4 硬件选型3 0 3 5 控制网络的通信3 1 3 5 1 网络通信协议31 3 5 2 本系统的通信设计3 2 3 6 本章小结3 4 第4 章软件设计3 5 4 1 编程软件3 5 4 1 1s t e p 7 简介3 5 4 1 2 编程语言3 6 4 1 3 程序块3 7 4 2 控制系统编程3 8 4 2 1 子程序3 8 4 2 2p id 控锘0 41 4 3 上位监控软件4 5 4 3 1win c c 简介4 6 4 3 2 界面设计原则4 6 4 4 界面设计4 7 n 硕士学位论文 4 4 1 主界面4 7 4 4 2 其他界面5 0 本章小结5 l 可靠性分析5 2 系统的可靠性理论5 2 5 1 1 产品的可靠性评定指标5 2 5 1 2 可修系统的可靠性指标5 3 5 1 3 可靠性逻辑关系与计算5 4 计算机主控系统的可靠性分析5 7 5 2 1 可靠性模型5 7 5 2 2 可靠性分析计算5 8 5 3 工艺系统的可靠性分析5 9 5 3 1 工艺系统的可靠性模型5 9 5 3 2 子系统可靠性计算：6 0 5 3 3 系统可靠性计算6 1 5 4 本章小结6 2 总结和展望6 3 参考文献6 5 致谢6 9 附录a 攻读学位期间所发表的学术论文7 0 i i i 石灰石制粉输送控制系统设计及可靠性分析 摘要 硫的排放严重危害了人类生存的环境，甚至还对人体 。随着人们对生活环境质量要求的不断提高，对热电 气脱硫也越来越为大家所重视。 燃煤锅炉中主要的脱硫剂，其制备系统也成为了环保 对于电厂来讲，高可靠性的石灰石制粉输送控制系统 产的次数，使得维修费及停机检查损失费大大减小， 保障了电厂的脱硫率，为环境保护工程作出贡献。 本文首先分析了石灰石制粉生产线的结构，详细的介绍了各部分的 设备组成形式及其功能，研究了整条生产线的工艺流程。根据工艺要求， 结合对制粉生产过程的功能，给出了生产线各组成部分的总体设计方案。 其次，从软、硬件两方面论述了石灰石粉生产线自动控制系统的设计过 程，包括系统组成，部件选型，通信网络的确定，控制程序的编制和上 位界面的设计等。为了提高自控系统的可靠性，选择了西门子公司的带 有容错功能的s 7 - 4 0 0 h 系列p l c 进行了冗余设计，并使用了配套的s t e p 7 编程软件和w in c c 界面软件。最后本文对石灰石粉生产系统进行了可 靠性分析，应用马尔可夫状态转移法分析、计算、对比了主控系统冗余 前后的差别，同时，根据制粉系统的组成绘制了可靠性框图，由厂家提 供的数据资料对制粉系统的工作可靠度进行了定量的计算。 本文设计的控制系统对石灰石粉生产线控制效果很好，保证了热电 厂脱硫的稳定运行，另外，对类似的制粉控制系统具有一定的技术借鉴 作用。 关键词：烟气脱硫；石灰石粉；自动控制系统；冗余设计；可靠性分析 i v a b s t r a c t t h ee m i s s i 。n 。fs u i f u rd i o x i d ei nt h e r r e a l p e w e rp l a n t i ss e r i o u s l y d a m a g et h eh u m a nl i v i n ge n v i r o n m e n t ，e v e ni m p a c t sh u m a n s h e a l t hd i r e c t l y w i t ht h ei m p r o v e m e n to fq u a l i t y r e q u i r e m e n t s o ne n v i r o 舢e n t ，w ea r e p a y i n gm 。r ea n dm o r ea t t e n t i 。nt 。f l u eg a s d e s u l p h u r i z a t i 。n 。nt h et h e r m a l a st h em a i nd e s u l f u r i z a t i o na g e n t o fc o a l f i r e db o i l e r ，l i m e s t o n e m i l l i n gs y s t e mh a sb e c o m ea ni m p o r t a n t p a r to fe n v i r o n m e n t a lp r o t e c t l o n - f o rt h ep o w e rp l a n t ，h i g hr e l i a b i l i t yc o n t r o ls y s t e mi nt h ei i m e s t o n em l l l l n g w i l lr e d u c es t o p p i n gf r e q u e n c yo fd e s u l f u r i z a t i o ns y s t e m ，w i t c hm a k l n g t h e c o s t so fm a i n t e n a n c ea n de x a m i n a t i o ng r e a t l y i t e n s u r e st h ed e s u l f u r l z a t l o n r a t eo ft h ep o w e rp l a n t ，a n d m a k e sc o n t r i b u t i o n s t oe n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o np r o j e c t s f i r s t l v t h i s a r t i c l ea n a l y z e s t h es t r u c t u r e o fl i m e s t o n em i l l i n g s e c o n d l y ，d e s i g np r o c e s so ft h e l i m e s t o n em i l l i n gc o n t r o ls y s t e ml s d e s c r i b e df r o mb o t hh a r d w a r ea n ds o f t w a r e i ti n c l u d s s y s t e mc o m p o n e n t s ， p a r t ss e l e c t i o n ，c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k ，c o n t r o l p r o c e d u r e sa n di n t e r t a c e d e s i g n i n o r d e rt oi m p r o v et h er e l i a b i l i t y o fa u t o m a t i cc o n t r o is y s t e m ， s i e m e n ss 7 4 0 0 hf a u l t t o l e r a n t r e d u n d a n ts e r i e sp l ci s s e l e c t e dt ot h e r e d u n d a n td e s i g n i na d d i t i o n ，p r o g r a m m i n gs o f t w a r es t e p7a n d i n t e r f a c e s o f t w a r ew i n c c a r eu s e dt om a k i n gt h ec o n t r o ls y s t e mp e r f e c t f i n a l l y ，r e l i a b i l i t yt h e o r y i s a p p l i e d i nt h ep a p e rt oa n a l y s l s t h e r e l i a b i l i t yo fl i m e s t o n em i l l i n gs y s t e m m a r k o v s t a t et r a n s l t l o nm e t h o d1 s u s e dt ot r a n s i t i o na n a l y z i n g ，c a l c u l a t i n ga n dc o m p a r i n g t h ed i f f e r e n c eo f t h em a i nc o n t r o ls y s t e mb e t w e e nb e f o r e t i m e ，r e l i a b i l i t yd i a g r a m w a sd r a w n l i m e s t o n em i l l i n gs y s e m t h i sp a p e rh a s a n da f t e rr e d u n d a n c y a tt h es a m e a c c o r d i n g t ot h ec o m p o s i t i o n o f c a c u l a t e dt h er e l i a b i l i t yo fm i l l i n g s y s t e mt h r o u g hu s i n gd a t ap r 0 v i d e db y t h em a n u f a c t u r e t h i sc o n t r o ls y s t e mo fl i m e s t o n ep o w e rp r o d u c t i o n v l i n es h o u l dw o r k 矾m m a 一 副 k d ； ； 引 略 嘣v 哪 伽m 岭 如 砒 叫 n c n 帆 c 肌 1 m 乳 优 印 砌 叽锄誊肌 e r 、 代 r 托 e s n 引 e 豆 e出 科矾 n 0 n 口 协 1 萎 s c 骼 g c t 1 i r a c r u s j 吖 e c n 赢一 h 叭 o 玎 o 矿n t ， 1 e 鸱 d 1 州 m 石灰石制粉输送控制系统设计及可靠性分析 w e l lt oe n s u r et h es t a b l e r u n n i n go fd e s u l f u r i z a t i o n i n p o w e rp l a n t a d d i t i o n a l l y ，i th a sc e r t a i nt e c h n i c a l r e f e r e n c et ot h es i m i l a r m i l l i n g c o n t r o ls y s t e m k e yw o r d s ：f l u eg a sd e s u l f u r i z a t i o n ；l i m e s t o n ep o w d e r ；a u t o m a t i c c o n t r o lp r o c e s s ；r e d u n d a n td e s i g n ；r e l i a b i l i t ya n a l y s i s v i 硕十学位论文 插图索引 图1 1d c s 的组成2 图2 1 石灰石制粉系统组成10 图2 2 石灰石制粉系统工艺流程图13 图2 3 石灰石粉一级输送流程图14 图2 4 石灰石粉二级输送流程图16 图2 5 正常开车顺序17 图2 6 正常停车顺序17 图2 7 非正常停车顺序a 17 图2 8 非正常停车顺序b 17 图2 9 正常开车顺序18 图2 10 正常停车顺序18 图2 1 1 非正常停车顺序f t 18 图2 12 非正常停车顺序b 18 图2 13 粗磨生产线设备启、停顺序18 图2 14 细磨和选粉设备启、停顺序19 图2 15 气力输送控制顺序19 图3 1 无故障情况下$ 7 - 4o o h 系统2 6 图3 2 有故障情况下s 7 - 4 0 0 h 系统2 6 图3 3 完全失效情况下s7 4 0 0 h 系统2 6 图3 4 冗余硬件组态2 7 图3 5 控制系统结构图2 8 图3 6 硬件配置图2 9 图3 7 通信网络组态3 3 图4 1 操作系统执行简图3 6 图4 2 电机控制程序3 8 图4 3 粗磨系统控制顺序3 9 图4 4 功能块f c10 5 说明4 0 图4 5p id 框图41 图4 6p id 功能图4 3 图4 7 制粉系统主界面4 8 图4 8 画中画5 0 图4 9 趋势图界面5 0 1 石灰石制粉输送控制系统设计及可靠性分析 图4 1o 报警界面51 图5 1 串联系统可靠性逻辑框图5 4 图5 2 并联系统可靠性逻辑框图5 5 图5 3 串并联系统可靠性逻辑框图5 6 图5 4 并串联系统可靠性逻辑框图5 6 图5 5 表决系统可靠性逻辑框图57 图5 6 双机热备控制系统状态转移图5 8 图5 7 制粉工艺系统可靠性框图6 0 图5 8 制粉工艺系统简化框图6 0 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 自控系统的发展和应用 1 1 1 自控系统的产生 最早的自动化技术可追溯到公元前，但真正的基于自动控制的装置 则始于18 世纪8 0 年代蒸汽机的发明。2 0 世纪4 0 年代，美国数学家维纳 控制论一书的出版，标志了自动控制学科的诞生。当时发展起来 的古典控制理论，直到现在仍然是自动控制系统的主要理论基础。但是 随着社会的发展，自动控制系统的日益复杂化，古典控制理论已经难以 满足需要，于是人们引进了计算机技术。 由于计算机具有精度高、速度快、存储量大等特点，并且能够进行 逻辑判断，因此可以实现高级复杂的控制算法，获得快速、精密的控制 效果。计算机所具有的信息处理能力，能够把过程控制和生产管理有机 的结合起来，从而对工厂、企业或企业管理实现自动化心1 。由于电子计 算机在自动控制中的应用，使自动控制得到了迅速的发展。 19 5 8 年，世界上第一台用于生产过程的计算机在美国的热电厂正式 投入使用，标志着计算机控制时代的到来。计算机控制是以自动控制理 论与计算机技术为基础的3 。随着微处理器的出现、计算机网络技术的 发展、计算机外围设备的发展及控制理论研究的深入，使得计算机应用 于生产过程控制的硬件、软件日臻成熟。 1 1 2 集散式控制系统 集散式控制系统d c s ( d is t rib u te dc o n tr 0 1s ys te m ) 诞生于上世纪七 十年代中期，它是以微处理器为核心，综合了计算机技术、过程控制技 术、网络通信技术和c r t ( c a th o d e r a yt u b e ) 显示技术的新型计算机控制 系统。其“集散 的特点主要体现在“控制分散，操作集中；危险分散， 管理集中；分级管理，分而自治 ，提高了自控系统的可靠性，为工程大 系统的全面自动化做出了重要的贡献。 d c s 是通过计算机网络将过程控制站、现场控制站、操作员站和工程 师站连接起来的，利用计算机进行统一的控制管理，实现过程控制的顺 序控制，信息采集和处理，状态显示，集中管理等功能。如图1 1 。 工程师站在中央控制室中，主要功能是对整个系统的硬件进行配置， 1 石灰石制粉输送控制系统设计及可靠性分析 图1 1d c s 的组成 编写程序，通过网络通讯技术连接控制器并下载程序，在线监视软、硬 件等功能；操作员站在车间控制室中，通过计算机网络从现场控制器中 采集现场信息，观测相关参数和设备状态，根据观察的实时工艺参数、 历史趋势、和报警信息等，执行对设备启停、过程回路等操作，并对相 关参数进行调整；现场控制站和过程控制站分散在现场，主要完成控制 现场设备、采集数据等功能。计算机网络要求有较高的数据传输速率和 传输的实时性，现在普遍使用的有工业以太网和现场总线。 d c s 的特点主要有以下几点隋1 ： 1 ) 可靠性高。由于d c s 控制的分散性，每台计算机都是执行单独的 任务，在结构上采用了容错技术，提高了计算机控制的可靠性。 2 ) 控制功能齐全。d c s 能够完成数字量和模拟量控制、顺序控制、批 量控制、数据采集和处理、生产指挥管理以及高级控制策略等功能。 3 ) 强大的通信功能。d c s 的计算机网络采用的是局域网通信，可实现 信息传输的实时性，同时网络的开放性使系统规模可自由扩展。 4 ) 组态方便。d c s 可根据工艺需要，使用多种组态软件对不同的生产 控制过程进行软硬件组态，直观实用的监控界面使控制更加简单。 5 ) 便于维护。计算机功能的单一性在维护方面具有简单、方便、高 效等特点，对局部或者计算机故障维修的同时，能保证整个系统的连续 、一，一 还仃。 由于d c s 具有以上特点，在过程控制领域得到迅速的发展，目前已广 泛应用于工业控制各领域中，成为现代工业计算机控制系统的主流。 1 1 3 自控系统的综合 当今社会，工业生产系统不断扩大化，复杂的系统对自动化的控制 水平提出了更高的要求。可编程控制器控制系统的发展成熟，为d c s 在自 控领域的应用起了重要作用。 可编程控制器p l c ( p r o g r a m m a blec o n t r o lle r ) 技术起源于上世纪7 0 2 硕士学位论文 段进行电气控制，具有数据采集、运算、处理和 传输的功能，现已广泛应用于电站、冶金、采矿、石油化工等工业部门。 p l c 和d c s 都基于计算机技术和通信技术，p l c 不仅容量更大，速度更 快，而且具有较强的联网通信能力。同时，过去仅在d c s 中使用的一些过 程控制功能，如p id 控制，现在也出现在p l c 中，这使得p l c 系统与d c s 之 间的界限模糊了。目前，随着产品的标准化、系列化、模块化，基于p l c 的d c s 系统已得到了国内外厂家的广泛应用。 由于p l c 和d c s 的基本结构不同，为了实现综合自动化系统，自控 系统中又加入了现场总线技术。现场总线( f ie ld b us ) 技术是上世纪9 0 年 代以后兴起的，它是指连接生产过程区域的现场设备或仪表与控制室内 的自动控制系统的一种串行、数字式、多点通信的数据总线3 。基于计 算机网络技术的现场总线控制系统f c s ( f ie ld b u sc o n t r o ls ys te m ) 已经 成为了二十一世纪自动化领域中的主导技术。 目前，越来越多大型的自动化控制系统将d c s 、f c s 和p l c = 大控制系 统综合使用，使d c s 的控制功能进一步分散，以达到提高生产效率、降低 消耗、减少劳动力的同时提高系统的可靠性。 1 1 4 白控系统的发展趋势 随着科学的发展，自控系统还会不断地完善，其主要发展方向为： 1 ) 自动综合化。d c s 、f c s 、监控信息系统( s is ) 和管理信息系统( m is ) 互相结合，构成多层次、网络化、管理控制一体化的综合自动化系统。 2 ) 智能控制。随着计算机技术的发展，将会有更先进的智能化的控 制方法应用到自控系统中，使控制水平进一步提高。 3 ) 开发的通信。增强计算机通信网络的能力，加上现场总线的规格 化，统一软、硬件的标准，形成开放型的集散系统。 4 ) 操作更简单。为满足工业控制领域市场的竞争与要求，更高性能 的软硬件会更加丰富，使操作、管理、组态、开发等更加简单。 1 2 自控系统在火电厂中的应用 1 2 1 d c s 在火电厂中的应用 我国从19 6 4 年开始研究在火电厂中应用计算机控制，当时采用的是 晶体管计算机，体积庞大，可靠性低，结合数据采集系统d a s ( d a t a a c q uisitio ns y e te m ) 和模拟量控制系统m c s ( m o d ula tin gc o n t r 0 1 s y s te m ) 的集中式监控系统，顺序控制系统s c s ( s e q u e n c ec o n t r 0 1s y s te m ) 则采用继电器组成，为了保证机组的安全运行，还配备了全套的常规仪 3 石灰石制粉输送控制系统设计及可靠性分析 表和调节设备。进入7 0 年代，国外专家总结了集中式计算机监控系统失 败的经验，并提出了分散控制系统( d c s ) 的构想。 从8 0 年代开始，我国成套进口的电站中采用了计算机进行监控，部 分自动调节采用了以微机为基础的d c s ，但是仍保留大量的常规仪表和操 作设备，但由于主辅机的可控性好，自动保护投入率高，因此在以后的 新建机组中普遍采用d c s ，并逐步减少常规仪表及硬手操作设备，只保留 个别极重要的按钮和仪表。到9 0 年代，d c s 在我国火电厂试用成功并证 明了其高可靠性之后，电厂自动化技术得到了飞速的发展，到9 0 年代末， 部分火电厂的自动化水平已跻身到世界先进水平的行列。 虽然，d c s 已经可以实现从过程控制到生产管理甚至经营管理的所有 功能，但在火电厂中，d c s 仍然主要用于过程控制，包括数据采集( d a s ) 、 模拟量控制( m c s ) 、顺序控制( s c s ) 、汽轮机控制( d e h ) 、旁路控制( b p s ) 、 电气控制( e c s ) 等多项功能，提高了电厂综合自动化的水平。 电厂自动化系统主要是为机组的运行服务的，其主要目的是为了保 证电厂的安全、经济运行、减少事故、提高系统的效率、降低消耗和减 少操作人员的数量等。其自动化的范围除了主机组外，还包括输煤、除 灰除渣、补给水处理、循环水供水，烟气脱硫等辅助车间的自动化。由 于计算机技术不断进步，应用范围不断扩大，在电厂除主控系统外，自 动控制正向各方面渗透，因此电厂的监控系统正在逐步走向全自动化。 1 2 2 制粉自动控制现状 制粉过程是指采用外力作用，破坏固体物料之间的内聚力使之分裂、 破碎，并使粒度减小的过程，它包括破碎与磨粉。制粉过程是现代工业 生产中的重要组成环节，在水泥生产、火力发电、矿石开采和冶炼中都 有广泛的应用，并直接影响产品的质量哺1 。 石灰石制粉生产虽然是电厂的一个辅助系统，但石灰石粉作为主要 的脱硫剂，其生产系统与脱硫系统密切相关，因此，石灰石粉制备输送 控制系统也是电厂自动化中的一个组成部分。由于石灰石粉易受潮结块， 不易囤积，因此其制粉输送生产具有连续性，对系统整体的协调性要求 很高。同时，粉尘对工作环境质量的污染较大，其系统本身需要有高度 的稳定性和运行的高可靠性，仅依靠人工进行操作很难达到要求。从流 程控制上来看，设备之间的控制以顺序控制和联锁保护为主，因此对石 灰石粉生产控制自动化要求具有简单、及时、准确和自诊断功能等特点。 随着电厂自动化技术的发展，石灰石制粉控制系统的自动化也在不 断进步。由于电厂对d c s 的普遍采用，石灰石制粉控制系统一般采用中、 4 硕士学位论文 大型p l c 进行全程控制，配有局部控制站和现场控制站，结合现场总线 技术，组成一个小型的d c s 系统纳入到电厂自动化中。目前，国内的制 粉技术己达到了国际水平，可生产出所需要的多种级别的产品。 另外，制粉生产设备的发展也为制粉生产自动化的实现提供了良好 的基础。国外最早的磨粉机是19 世纪5 0 年代的中速磨粉机。雷蒙磨粉 机开始是为了处理废钢行业轻薄料，后来发现其对硬性物质的破碎加工 有突出的优越性，才得到不断地研究和发展。我国的破碎、筛分设备大 都是上世纪5 0 年代诞生的，到8 0 年代时，国产的磨粉机就用于处理煤 和石灰石之类的中硬物料，其破碎能力加上合适的输送机和筛分设备， 就可以组成简单的系统，用于粉碎矿石。磨粉机的类型发展到现在，已 经达到了微米级。 提高石灰石粉生产自动化程度是保证电厂脱硫连续、高效、安全的 基础。因此，现在的制粉控制系统几乎全部采用了计算机控制系统用于 对生产过程的监控和管理： 1 3 可靠性的国内外研究现状 可靠性理论大约起源于2 0 世纪3 0 年代，人们采用“可靠性这一 概念来定性地评价产品的质量。可靠性数学是可靠性研究的重要基础理 论之一，它主要研究解决各种可靠性问题的数学模型、数学方法以及可 靠性的定量规律 刮。系统的可靠性模型是可靠性数学理论的基础部分， 对系统可靠性模型的研究既有较强的理论意义又有直接的实用背景聃3 。 1 3 1 国外可靠性发展现状 可靠性研究最先用于研究电子产品，上世纪6 0 年代初，美国宇航局 开始研究机械可靠性。日本在19 5 6 年引进美国可靠性技术，19 5 8 年成立 可靠性研究委员会，l9 71 年起每年召开一次可靠性与维修性学术会议， 并将可靠性技术应用到民用工业部门，取得了成功。 同年代，苏联为了保证人造地球卫星发射与飞行的可靠，也开始研 究可靠性。19 61 年苏联研究人员把系统的可靠性转化为各元器件的可靠 性研究，并取得了成功，满足了对宇宙飞船系统提出的要求n0 1 。19 6 4 年， 苏联及东欧各国在匈牙利召开了第一届可靠性学术会议。 与此同时，其他一些国家，如瑞典、意大利、英国等也先后成立专 门组织开展可靠性研究。英国19 6 2 年出版了可靠性与微电子学杂志。 同年，法国国立通讯研究所成立了“可靠性中心 ，进行数据的收集与分 析，并于第二年出版了可靠性杂志。 5 石灰石制粉输送控制系统设计及可靠性分析 到19 6 5 年，国际电子技术委员会( ie c ) 设立了可靠性技术委员会， l9 7 7 年改名为可靠性与可维修性技术委员会。协调了各国可靠性方面的 定义、术语、书写方法、可靠性管理、数据测定和收集等方面的内容； 深入地进行了可靠性基础理论、工程方法的研究；开发了加速寿命试验、 快速筛选试验两种更有效的试验方法；开发了按系统功能、按参数预计 和蒙特卡罗模拟法等可靠性预计技术；开拓了旨在研究失效机理的可靠 性物理的新学科；发展了失效模式影响及危害性分析( f m e c a ) 和故障树分 析( f t a ) 两种有效的系统可靠性分析技术；开展了维修性、人的可靠性和 安全性的研究；建立了更有效的数据系统；开设可靠性教育课程等1 。 到了2 0 世纪7 0 年代，可靠性设计、制造、试验、维修的新技术得 到进一步发展。8 0 年代以后，更加重视测试及故障诊断技术的研究。这 是由于大规模集成电路的采用增加了电路测试的难度、时间和费用。美、 英等国都致力于发展人工智能专家系统、综合诊断技术和综合故障测试 系统，以提高测试精度，解决机内自测试设备的高虚警率，故障检测及 隔离能力差的问题。 1 3 2 国内可靠性发展现状 我国最早也是由电子工业部门开始研究可靠性的，2 0 世纪6 0 年代 初，广州设立可靠性环境试验研究所，专门研究电子元件的可靠性。继 而进行有关可靠性评估工作，开始研究系统的可靠性。7 0 年代中期，中 日海底电缆工程的实施，促进了我国可靠性数学的发展。到8 0 年代，全 国性和专业系统性的各级可靠性学会相继成立，促进了我国可靠性理论 与工程研究的深入展开。 在我国，随着计算机技术的发展，计算机软件的可靠性理论也有了 很大的发展。一方面提出了数十种软件可靠性模型，另一方面是对软件 容错的研究，提出了分别与硬件静态冗余和动态冗余相对应的软件n 文 本方法和恢复方法。 进入9 0 年代以后，由于软件可靠性问题的重要性更加突出了软件可 靠性工程实践范畴的不断拓展，软件可靠性逐渐成为软件开发者需要考 虑的重要因素，软件可靠性工程在软件工程领域逐渐取得相对独立的地 位，并成为一个生机勃勃的分支。 综上所述，经过半个世纪的发展，如今从电子设备可靠性研究发展 到开始重视机械设备等非电子设备的可靠性研究；从硬件可靠性研究发 展到开始重视软件可靠性研究，确保大型先进复杂系统的可靠性；从宏 观统计估算发展到微观分析计算，更准确地确定产品的故障模式及可靠 6 硕十学位论文 性；从手工定性的可靠性分析设计发展到计算机辅助可靠性分析设计， 以提高分析设计精度与效率；从重视可靠性统计试验发展到强调可靠性 工程试验，通过环境应力筛选及可靠性增长试验来暴露产品故障，进而 提高产品的可靠性；从单个可靠性参数指标发展到多个参数指标，建立 完善的可靠性参数和指标体系；从固有值作为系统的可靠性指标到强调 以使用值作为系统指标，确保投入使用的设备具有规定的可靠性水平： 从二态系统的可靠性理论发展到多态系统的可靠性理论，更准确地确定 产品的实际工作状态及可靠性纠。 1 4 研究意义和内容 1 4 1 课题来源、目的和意义 本研究课题为合作项目，来源于某公司承接周边国外新建电厂工程， 使用方要求设计高可靠性的石灰石制粉输送控制系统，以期达到国际发 达国家的水平，为使电厂脱硫系统运行高度可靠，为连续可靠发电作出 重要贡献。 众所周知我国及周边邻国一次能源以煤炭为主，目前燃煤发电量在 总发电量中所占比重还在8 0 以上，发电燃煤在煤炭消费中约占61 。随 着发电量的增加，热电厂的煤炭消耗量亦迅速攀升，连续多年二氧化硫 年排放量居世界首位n 3 1 ，这是由于火电厂燃煤中烟煤占8 5 以上，因此 燃煤产生的s 0 2 排放量达到5 0 2 排放总量的9 0 以上。 热电厂二氧化硫排放是造成大气环境污染及酸雨不断加剧的主要原 因。酸雨对环境的危害主要表现在：森林退化，湖泊酸化，鱼类死亡， 水生生物种群减少，农田土壤酸化、贫脊，有毒重金属污染增强，粮食、 蔬菜、瓜果大面积减产，建筑物和桥梁腐蚀，文物面目皆非等，严重危 害了人类生存的环境。不仅如此，酸雨还对人体健康产生直接影响3 。 随着人们对生活环境质量要求的不断提高，对环境治理的重要性也 越来越为大家所重视。我国出台了一系列的相关政策、法律、法规和标 准，对控制包括火电厂在内的工业污染源提出了严格的要求。2 0 0 9 年l2 月7 日到18 日共l9 2 个国家参加的世界气候大会，即联合国气候变化 框架公约在丹麦首都哥本哈根召开，大会的主要内容是对2 0l2 年至 2 0 2 0 年的全球减排问题进行协议。可见，环境问题已受到各国关注。 由于石灰石粉作为燃煤锅炉中主要的脱硫剂，因此，烟气脱硫的石 灰石制粉系统也成为环保中脱硫系统的一部分n 5 1 。 对于电厂来讲，一旦由于故障导致停电，就有可能造成重大的经济 7 石灰石制粉输送控制系统设计及可靠性分析 损失。因此，对这些系统中的一些关键环节进行冗余设计符合系统最基 本的价值目标。从保证和提高系统的可靠性出发，对石灰石制粉输送系 统采用冗余设计是最普遍、最有效的方法。 冗余系统是指系统中有多余的部分，没有它系统照样工作，但在系 统出现故障时，这多余的部分能立即替代故障部分而使系统能继续正常 运行。使用冗余系统的目的是减少因一个错误或系统维护而导致的产品 损失。停车成本越高，越值得采取冗余系统。冗余设计对提高系统可靠 性有特殊的作用。通常投资冗余系统较高的费用会因避免的产品损失而 很快地返还。设计高可靠性的石灰石制粉输送控制系统会减少系统停产 的次数，使得维修费及停机检查损失费大大减小，保障电厂的脱硫率， 为环境保护工程作出贡献。 从当今国际贸易中所实施的产品责任法出发。产品责任法明确规定： 只要因产品缺陷、故障对用户造成损失，制造者必须承担法律和经济责 任。由此可见，产品的可靠性问题尤为重要。当然，研究设计高可靠性 的石灰石制粉输送控制系统的重要意义还在于能使产品或者企业在日益 激烈的市场竞争中存活下来。因此，本课题研究对于塑造产品的竞争优 势、提高企业的经济效益、促进国民经济的快速发展都有重要的意义。 1 4 2 本课题的研究内容 本课题基于石灰石粉制备输送系统自动控制的实际需要和现状，为 了提高其运行的可靠性，结合了国内外自控系统在该领域的设计水平和 发展，根据石灰石粉制备输送系统的工艺特点和功能要求，从可靠性出 发，对整个系统进行了设计及可靠性分析，以达到相应的控制要求。 本课题的研究内容 1 ) 根据实际工程本身的特点和需要，深入研究了石灰石制粉和输送 控制系统的设备组成、功能要求和控制特点。 2 ) 研究了石灰石制粉输送生产线的工艺过程，从保证和提高系统的 可靠性出发，为实现系统自动控制，设计了系统总体方案，采用冗余设 计以提高系统的可靠性。 3 ) 详细介绍了自动控制系统中软、硬件的设计过程，开发设计了控 制程序和监控界面。 4 ) 对可靠性指标、逻辑关系及其计算方法进行了研究，并对设计的 系统进行了可靠性分析计算。 8 硕十学位论文 1 5 本章小结 本章详述了d c s 的产生、结构特点、应用和发展趋势，并简述了其 在火电厂自动化中的应用过程，还介绍了可靠性的发展现状，最后介绍 了课题的研究背景和意义，给出了研究对象和内容。 9 石灰石制粉输送控制系统设计及可靠性分析 第2 章系统的总体设计 石灰石粉生产过程是一个物理生产过程。石灰石粉生产线的目的是 将从矿区采来的石灰石原料经过一系列的加工后，使其成为符合规格的 可用的石灰石粉，并将其输送至燃煤锅炉内，用于脱硫。石灰石粉生产 线可大体分为石灰石制粉系统和石灰石粉输送系统两个部分。 2 1 系统的设备组成 2 1 1 制粉系统的组成 如图2 1 所示，是石灰石制粉系统。该系统作为脱硫系统中的一个 组成部分可单独的进行工作，其主要包括粗磨系统、细磨系统和选粉系 统三个子系统。石灰石制粉系统主要由给料机、提升机、破碎机、粉碎 机、振动筛、收尘器、引风机、除铁器和输送机等设备组成。 引风机 原料斗 石灰石制粉系统 提 世= ：) 收j1 升 影 尘 u 机器 0 警 提 n 升 而动维肖 机 查命甲盥 给$ - 斗g l i 道型命l q 。i 啊阿 = ( ) 皮带输送机( ) 一旷 d司 d司 粉碎机 睁 司料斗 去石灰石粉仓 噜卜婆 丫 图2 1 石灰石制粉系统组成 2 1 1 1 粗磨系统 粗磨过程，也称破碎过程，就是对石灰石原料进行预处理的生产