基于現場(chǎng)總線(xiàn)控制技術(shù)的轉爐煤氣回收自控系統

1 引言

萊鋼煉鋼廠(chǎng)1#～3#轉爐煤氣回收自控系統于98年12月投產(chǎn)。該自控系統承擔著(zhù)將三座轉爐吹煉時(shí)產(chǎn)生的大量的轉爐煤氣凈化、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(zhù)投運時(shí)間的推移，該系統暴露出的問(wèn)題越來(lái)越突出:控制硬件/軟件老化、過(guò)時(shí)--plc為西門(mén)子s5-135u，工控機為老式的奔騰166 機型，編程 軟件、監控軟件分別為基于dos的step5和fix;控制方式落后--plc與現場(chǎng)信號的連接均采用傳統的硬線(xiàn)連接方式，通訊網(wǎng)絡(luò )為sinec-h1 網(wǎng),詳見(jiàn)圖1;系統的故障率逐年上升，嚴重制約著(zhù)生產(chǎn)的順行。因此，對該控制系統進(jìn)行全面的更新，以使其能夠迅速滿(mǎn)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(guò)認真研究、分析、論證，采用了目前流行的現場(chǎng)總線(xiàn)控制技術(shù)對其進(jìn)行改造。

2 現場(chǎng)總線(xiàn)綜述

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

(1) 具有很好的性?xún)r(jià)比，可大幅度降低系統的綜合成本;

(2) 采用了數字通訊技術(shù)，有效的提高了系統的測量及控制精度;

(3) 數據傳輸更為可靠、系統響應更為快速，同時(shí)還具有強大的抗干擾能力;

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

3系統設計

3.1 控制網(wǎng)絡(luò )

基于現場(chǎng)總線(xiàn)與傳統的控制方法相比具有無(wú)法比擬的優(yōu)勢，控制方式采用現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)。同時(shí)，轉爐煤氣回收現場(chǎng)控制設備的分散性以及惡劣的現場(chǎng)環(huán)境也十分適合 采用現場(chǎng)總線(xiàn)控制技術(shù)。

目前流行的現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議有多種:profibus-dp、profibus-pa、devicenet、canopen、modbus等，各種現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié) 議都具有各自的特點(diǎn)和優(yōu)勢。結合轉爐煤氣回收特點(diǎn)，為了獲得更好的響應、可靠性和更高的效率，主plc與遠程i/o采用了具有世界標準的 profibus-dp現場(chǎng)總線(xiàn)通訊方式。profibus-dp是目前最快的開(kāi)放式標準總線(xiàn)，使用基于rs485標準的物理層，并采用主-從工作方式; 其網(wǎng)絡(luò )通訊距離長(cháng)(最長(cháng)可達10公里)，通訊速率高(最高達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)節點(diǎn)、幾千個(gè)i/o點(diǎn))。

plc與上位機則采用了基于tcp/ip協(xié)議、星型拓撲結構的以太網(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;星型連接的拓撲結構使 得網(wǎng)絡(luò )的可靠性、擴充性更強;由于網(wǎng)絡(luò )走線(xiàn)距離長(cháng)，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(cháng)的傳輸距離、很強的抗干擾能力 以及極低的誤碼率，而且投資成本低、施工簡(jiǎn)單、維護方便。

3.2 控制硬件

根據控制系統的規模，采用西門(mén)子s7-300 plc進(jìn)行控制。siemens s7系列plc具有更為強大的功能，更快的掃描速度，可以完成更為復雜的控制，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(mǎn)足各種工業(yè)標準。

為了能夠適應惡劣的工業(yè)環(huán)境，我們采用了turck功能最為強大、等級最高的pdp、sdpb系列i/o模塊作為遠程站進(jìn)行現場(chǎng)設備的信號采集及控制。 turck輸入/輸出模塊防護等級遠遠高于普通的plc i/o模板(ip20)，可達ip67，非常適合安裝于極其惡劣的現場(chǎng)中，同時(shí)還具有強大的自診斷功能，能夠迅速準確的發(fā)現節點(diǎn)、電源、現場(chǎng)信號等故障，并具有短路診斷/保護功能以及組、點(diǎn)診斷及保護功能，便于系統維護。另外，采用了3套turck公司的bl20產(chǎn)品放置于電磁站內，分別用于3座轉爐的爐 前控制。bl20產(chǎn)品支持多種總線(xiàn)協(xié)議，具有非常好的開(kāi)放性，同時(shí)i/o點(diǎn)數配備靈活(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 合于小型精確項目(每座轉爐爐前控制信號di只有9點(diǎn)、do為6點(diǎn))的開(kāi)發(fā)，降低投資費用。

此外，由于該系統的控制節點(diǎn)較多(共42個(gè))，已經(jīng)超過(guò)了profibus-dp網(wǎng)絡(luò )每段所能容納的最大節點(diǎn)數32。為此，配置了中繼器將系統的容量提高 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 )的負載量分配更為合理。

3.3 控制軟件

plc編程軟件/監控軟件分別采用基于windows 2000平臺的step7 5.1+sp2及wincc v5.1，用于編制控制程序和監控畫(huà)面。原系統中采用step5開(kāi)發(fā)的控制程序可以通過(guò)step7軟件自動(dòng)轉換為s7 plc程序，再根據改造情況進(jìn)行適當的修改后即可投運，從而大大縮短軟件開(kāi)發(fā)周期。

4 系統配置與結構

plc i/o模板主要完成就近的4臺風(fēng)機變頻器的相關(guān)信號控制;cpu采用現場(chǎng)總線(xiàn)通訊協(xié)議完成與現場(chǎng)遠程站的數據傳輸;cp則負責與上位機的數據交換。

(1) plc具體配置為:

支持profibus-dp總線(xiàn)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模塊則用于現場(chǎng)控制。

硬件具體配置:

l 現場(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座轉爐爐前控制系統的硬件配置相同，均為 profibus-dp耦合器(bl20-gw-pbdp-12mb，12mbps)1塊、總線(xiàn)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 上位機則全部采用高性能的臺灣研華工控機ipc-610h(p2.0/256m/40g)。

系統配置圖如圖2所示。

5 生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)介

轉爐吹煉生產(chǎn)過(guò)程開(kāi)始后，風(fēng)機由低速變?yōu)楦咚龠\轉，氧槍下降開(kāi)始吹氧，分析儀投入運行，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，煙罩降下。經(jīng)過(guò)短暫延時(shí)后，爐口微差壓開(kāi)始自動(dòng)調 節。當回收煤氣的條件滿(mǎn)足后，水封逆止閥自動(dòng)打開(kāi)，三通切換閥則由放散側轉換至回收側開(kāi)始回收煤氣。停止吹煉前煙罩首先被升起，爐口微差壓調節系統停止調節，二文喉口rd閥置于固定位置。在吹煉結束時(shí)，風(fēng)機降為低速運轉，二文喉口捅針開(kāi)始動(dòng)作，動(dòng)作數次后，一次回收過(guò)程結束。若回收煤氣過(guò)程中條件不滿(mǎn)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。該回收自控系統在轉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(mǎn)足，本冶煉周期內也不再進(jìn)行回收。