基于現(xiàn)場(chǎng)總線控制技術(shù)的轉(zhuǎn)爐煤氣回收自控系統(tǒng)

1 引言

萊鋼煉鋼廠1#～3#轉(zhuǎn)爐煤氣回收自控系統(tǒng)于98年12月投產(chǎn)。該自控系統(tǒng)承擔(dān)著將三座轉(zhuǎn)爐吹煉時(shí)產(chǎn)生的大量的轉(zhuǎn)爐煤氣凈化、合理化分析后進(jìn)而加以回收再 利用的自動(dòng)化控制任務(wù)。

但隨著投運(yùn)時(shí)間的推移，該系統(tǒng)暴露出的問題越來越突出:控制硬件/軟件老化、過時(shí)--plc為西門子s5-135u，工控機(jī)為老式的奔騰166 機(jī)型，編程 軟件、監(jiān)控軟件分別為基于dos的step5和fix;控制方式落后--plc與現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的連接均采用傳統(tǒng)的硬線連接方式，通訊網(wǎng)絡(luò)為sinec-h1 網(wǎng),詳見圖1;系統(tǒng)的故障率逐年上升，嚴(yán)重制約著生產(chǎn)的順行。因此，對(duì)該控制系統(tǒng)進(jìn)行全面的更新，以使其能夠迅速滿足生產(chǎn)的需求變得十分必要。萊鋼自動(dòng)化部技術(shù)人員經(jīng)過認(rèn)真研究、分析、論證，采用了目前流行的現(xiàn)場(chǎng)總線控制技術(shù)對(duì)其進(jìn)行改造。

2 現(xiàn)場(chǎng)總線綜述

現(xiàn)場(chǎng)總線是連接控制系統(tǒng)中現(xiàn)場(chǎng)裝置的雙向數(shù)字通訊網(wǎng)絡(luò)，它與傳統(tǒng)的控制方法相比，具有十分明顯的優(yōu)勢(shì):

(1) 具有很好的性價(jià)比，可大幅度降低系統(tǒng)的綜合成本;

(2) 采用了數(shù)字通訊技術(shù)，有效的提高了系統(tǒng)的測(cè)量及控制精度;

(3) 數(shù)據(jù)傳輸更為可靠、系統(tǒng)響應(yīng)更為快速，同時(shí)還具有強(qiáng)大的抗干擾能力;

(4) 具有故障自診斷、短路自保護(hù)等功能，極大的方便了系統(tǒng)的維護(hù)，提高了系統(tǒng)的安全可靠性。

3系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 控制網(wǎng)絡(luò)

基于現(xiàn)場(chǎng)總線與傳統(tǒng)的控制方法相比具有無法比擬的優(yōu)勢(shì)，控制方式采用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)。同時(shí)，轉(zhuǎn)爐煤氣回收現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備的分散性以及惡劣的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境也十分適合 采用現(xiàn)場(chǎng)總線控制技術(shù)。

目前流行的現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議有多種:profibus-dp、profibus-pa、devicenet、canopen、modbus等，各種現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié) 議都具有各自的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。結(jié)合轉(zhuǎn)爐煤氣回收特點(diǎn)，為了獲得更好的響應(yīng)、可靠性和更高的效率，主plc與遠(yuǎn)程i/o采用了具有世界標(biāo)準(zhǔn)的 profibus-dp現(xiàn)場(chǎng)總線通訊方式。profibus-dp是目前最快的開放式標(biāo)準(zhǔn)總線，使用基于rs485標(biāo)準(zhǔn)的物理層，并采用主-從工作方式; 其網(wǎng)絡(luò)通訊距離長(zhǎng)(最長(zhǎng)可達(dá)10公里)，通訊速率高(最高達(dá)12mbps)，具有極好的抗干擾性能，快速的i/o采集特性(1000點(diǎn)的掃描時(shí) 間<1ms)以及超大容納量(最多126個(gè)節(jié)點(diǎn)、幾千個(gè)i/o點(diǎn))。

plc與上位機(jī)則采用了基于tcp/ip協(xié)議、星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的以太網(wǎng)通訊方式。該通訊協(xié)議更為普遍、通用，同時(shí)具有很高的通訊速率;星型連接的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)使 得網(wǎng)絡(luò)的可靠性、擴(kuò)充性更強(qiáng);由于網(wǎng)絡(luò)走線距離長(zhǎng)，通訊介質(zhì)采用光纜，可以最高支持100mbps的通訊速率、幾十公里超長(zhǎng)的傳輸距離、很強(qiáng)的抗干擾能力 以及極低的誤碼率，而且投資成本低、施工簡(jiǎn)單、維護(hù)方便。

3.2 控制硬件

根據(jù)控制系統(tǒng)的規(guī)模，采用西門子s7-300 plc進(jìn)行控制。siemens s7系列plc具有更為強(qiáng)大的功能，更快的掃描速度，可以完成更為復(fù)雜的控制，同時(shí)還支持多種通訊協(xié)議，兼容性好，具有更為出色的電磁兼容性，可以滿足各種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

為了能夠適應(yīng)惡劣的工業(yè)環(huán)境，我們采用了turck功能最為強(qiáng)大、等級(jí)最高的pdp、sdpb系列i/o模塊作為遠(yuǎn)程站進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的信號(hào)采集及控制。 turck輸入/輸出模塊防護(hù)等級(jí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通的plc i/o模板(ip20)，可達(dá)ip67，非常適合安裝于極其惡劣的現(xiàn)場(chǎng)中，同時(shí)還具有強(qiáng)大的自診斷功能，能夠迅速準(zhǔn)確的發(fā)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)、電源、現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)等故障，并具有短路診斷/保護(hù)功能以及組、點(diǎn)診斷及保護(hù)功能，便于系統(tǒng)維護(hù)。另外，采用了3套turck公司的bl20產(chǎn)品放置于電磁站內(nèi)，分別用于3座轉(zhuǎn)爐的爐 前控制。bl20產(chǎn)品支持多種總線協(xié)議，具有非常好的開放性，同時(shí)i/o點(diǎn)數(shù)配備靈活(每塊模板從1點(diǎn)至32點(diǎn)不等，提供多種選擇)，安裝體積小，特別適 合于小型精確項(xiàng)目(每座轉(zhuǎn)爐爐前控制信號(hào)di只有9點(diǎn)、do為6點(diǎn))的開發(fā)，降低投資費(fèi)用。

此外，由于該系統(tǒng)的控制節(jié)點(diǎn)較多(共42個(gè))，已經(jīng)超過了profibus-dp網(wǎng)絡(luò)每段所能容納的最大節(jié)點(diǎn)數(shù)32。為此，配置了中繼器將系統(tǒng)的容量提高 了1倍，同時(shí)更為有效的提高了網(wǎng)絡(luò)的通訊速率，使網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載量分配更為合理。

3.3 控制軟件

plc編程軟件/監(jiān)控軟件分別采用基于windows 2000平臺(tái)的step7 5.1+sp2及wincc v5.1，用于編制控制程序和監(jiān)控畫面。原系統(tǒng)中采用step5開發(fā)的控制程序可以通過step7軟件自動(dòng)轉(zhuǎn)換為s7 plc程序，再根據(jù)改造情況進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷暮蠹纯赏哆\(yùn)，從而大大縮短軟件開發(fā)周期。

4 系統(tǒng)配置與結(jié)構(gòu)

plc i/o模板主要完成就近的4臺(tái)風(fēng)機(jī)變頻器的相關(guān)信號(hào)控制;cpu采用現(xiàn)場(chǎng)總線通訊協(xié)議完成與現(xiàn)場(chǎng)遠(yuǎn)程站的數(shù)據(jù)傳輸;cp則負(fù)責(zé)與上位機(jī)的數(shù)據(jù)交換。

(1) plc具體配置為:

支持profibus-dp總線協(xié)議的cpu 315-2 dp 1塊、支持tcp/ip通訊協(xié)議的cp 343-1 1塊、ps 307(考慮到主機(jī)架模塊的背板電流消耗較小，電源模塊容量選擇為5a) 1塊、32點(diǎn)24v di模板3塊、32點(diǎn)24v do模板2塊。

(2) 爐前控制采用bl20，pdp、sdpb系列i/o模塊則用于現(xiàn)場(chǎng)控制。

硬件具體配置:

l 現(xiàn)場(chǎng)控制

4 路ai模塊(sdpb-40a-0007)21塊、4路rtd模塊(sdpb-40a-0009)11塊、16點(diǎn)di(pdp-im16-0002)3 塊、8點(diǎn)do(pdp-om8-0004，2a)4塊。

l 爐前控制

3座轉(zhuǎn)爐爐前控制系統(tǒng)的硬件配置相同，均為 profibus-dp耦合器(bl20-gw-pbdp-12mb，12mbps)1塊、總線電源模塊(bl20-br-24vdc-d)1塊、32點(diǎn) di模板(bl20-32di-24vdc-p)1塊、輸出模板供電模塊(bl20-pf-24vdc-d)1塊、16點(diǎn)do模板(bl20-16do- 24vdc-0.5a-p，0.5a)1塊。

l 上位機(jī)則全部采用高性能的臺(tái)灣研華工控機(jī)ipc-610h(pⅳ2.0/256m/40g)。

系統(tǒng)配置圖如圖2所示。

5 生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)介

轉(zhuǎn)爐吹煉生產(chǎn)過程開始后，風(fēng)機(jī)由低速變?yōu)楦咚龠\(yùn)轉(zhuǎn)，氧槍下降開始吹氧，分析儀投入運(yùn)行，經(jīng)過一段時(shí)間后，煙罩降下。經(jīng)過短暫延時(shí)后，爐口微差壓開始自動(dòng)調(diào) 節(jié)。當(dāng)回收煤氣的條件滿足后，水封逆止閥自動(dòng)打開，三通切換閥則由放散側(cè)轉(zhuǎn)換至回收側(cè)開始回收煤氣。停止吹煉前煙罩首先被升起，爐口微差壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)停止調(diào)節(jié)，二文喉口rd閥置于固定位置。在吹煉結(jié)束時(shí)，風(fēng)機(jī)降為低速運(yùn)轉(zhuǎn)，二文喉口捅針開始動(dòng)作，動(dòng)作數(shù)次后，一次回收過程結(jié)束。若回收煤氣過程中條件不滿足，三通切換閥將自動(dòng)由回收狀態(tài)切換至放散位，水封逆止閥也自動(dòng)關(guān)閉。該回收自控系統(tǒng)在轉(zhuǎn)爐的每次冶煉周期只進(jìn)行一次回收。為了確保安全，如果一旦進(jìn)行放散， 即使回收條件再次滿足，本冶煉周期內(nèi)也不再進(jìn)行回收。[!--empirenews.page--]

6 系統(tǒng)控制功能

(1) 安全可靠、靈活多樣的生產(chǎn)過程控制

在回收和放散過程中的設(shè)備聯(lián)鎖控制和安全控制，可分為手動(dòng)控制，半自動(dòng)控制，全自動(dòng)控制三種方式。

手動(dòng)方式:回收和放散過程中的設(shè)備無聯(lián)鎖，機(jī)旁單機(jī)手動(dòng)操作，主要用于調(diào)試、檢修和事故緊急處理。

半自動(dòng)方式:回收和放散過程中的設(shè)備聯(lián)鎖啟動(dòng)，根據(jù)吹氧冶煉時(shí)間進(jìn)行回收過程控制，控制時(shí)間根據(jù)冶煉經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)定。

自動(dòng)方式:根據(jù)冶煉過程中煤氣 含量和氧氣含量的分析成分進(jìn)行自動(dòng)控制，這是效率最高、勞動(dòng)強(qiáng)度最低的操作方式,自動(dòng)控制流程圖見圖3所示。

(2) 二文喉口開度自動(dòng)控制

通過控制二文喉口電動(dòng)閥門開度，來調(diào)節(jié)一文、二文的煙氣壓力差。由于煙氣壓力受喉口流入的煙氣流量，煙氣中的粉塵含量，煙氣濕度，煙氣濃度以及喉口水流上 /下游流量等諸多因素影響，單純采用pid控制已難以適應(yīng)這種動(dòng)態(tài)多變的現(xiàn)場(chǎng)條件;而且如果水流量過大，而煙氣過小時(shí)，易容易引起設(shè)備發(fā)生喘振現(xiàn)象?；? 以上原因，我們采用了變比例和人工閥位調(diào)節(jié)，根據(jù)一文、二文水流量和壓差來設(shè)定閥門開度,二文喉口開度自動(dòng)控制框圖見圖4。

(3) 先進(jìn)的系統(tǒng)故障自診斷功能

通過采用現(xiàn)場(chǎng)總線控制技術(shù)，可完成系統(tǒng)硬件故障及通訊故障的迅速識(shí)別、處理;通過采用wincc監(jiān)控技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)生產(chǎn)過程的故障監(jiān)控及自診斷，從而大大方 便了故障的處理。

(4) 豐富的生產(chǎn)過程管理

通過上位監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)地對(duì)生產(chǎn)狀況進(jìn)行監(jiān)控，監(jiān)控畫面豐富、直觀、方便操作人員的操作以及對(duì)故障的處理，并對(duì)重要的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)備份，對(duì)日后的生產(chǎn)起到了很好的指導(dǎo)作用。

(5) 強(qiáng)大的硬/軟雙重保護(hù)功能

通過配置山特castle在線式ups系統(tǒng)， 在plc控制程序中編制斷電緊急處理模塊、水封閥、三通閥重點(diǎn)設(shè)備的軟保護(hù)控制模塊，大大提高了系統(tǒng)的安全運(yùn)行系數(shù)。

7 結(jié)束語

現(xiàn)場(chǎng)總線控制技術(shù)已經(jīng)在各種行業(yè)控制中得到了越來越廣泛的應(yīng)用，逐漸成為控制技術(shù)的主流。轉(zhuǎn)爐煤氣回收自控系統(tǒng)由于采用了先進(jìn)的現(xiàn)場(chǎng)總線控制技術(shù)，從而大 幅度降低了投資成本，縮短了施工周期，同時(shí)系統(tǒng)的控制精度、運(yùn)行的安全、穩(wěn)定、可靠性較原來有了顯著提高。實(shí)踐證明，該自控系統(tǒng)控制先進(jìn)，投資小、見效快，收益高，具有很高的應(yīng)用、推廣價(jià)值。