FC200現場總線模塊在轉爐煉鋼廠的應用

宜科(天津)電子有限公司 梁建輝

目前采用傳統集中式I/O模塊布置的方法已經難以滿足用戶要求，其在浪費大量有色金屬電纜的同時還會使現場信號衰減，長電纜容易引入干擾，且如果斷線或短路后查找故障位置困難。在通訊和電子技術飛速發展的今天，采用現場總線技術在信號采集點附近配置分布式I/O已經是大勢所趨。本項目采用FC200分布式I/O模塊產品，支持多種工業總線：Profibus、DeviceNet、CanOpen、Interbus、工業以太網等；有豐富的I/O模塊，齊全的功能模塊：通訊、驅動、高速計數等，緊湊設計，結構穩固，節約空間，背板總線設計，靈活擴展，可快速、簡易安裝在標準35mmC型導軌；卡簧接線排，方便接線；高運行穩定性；編程兼容SIEMENS STEP7等軟件；支持STEP7的“CiR”（運行中配置硬件設備）功能，可在以后改造時不停機添加新的I/O配件；具有良好的性價比。本文結合河北某鋼廠新建的45T氧氣頂吹轉爐煉鋼自動化控制系統，詳細介紹FC200現場總線模塊在自動化領域的應用。

1 現場總線技術

現場總線是以單個分散的數字化智能化的測量和控制設備作為網絡節點，用總線相連接實現相互交換信息，共同完成自動控制功能的網絡系統與控制系統。

FC200系統支持市場上的Profibus、DeviceNet、CanOpen、Interbus、工業以太網等總線，可最大限度地方便行業及用戶習慣選用。使用現場總線技術能節省硬件成本，設計組態安裝調試簡便，系統的安全可靠性好，減少故障停機時間，系統維護設備更換和系統擴充方便。曾有機構作過傳統系統與使用Profibus系統的費用測算，在相同功能及點數情況下，Profibus總線系統比傳統4～20mA系統節約工程費、安裝費及硬件費共計約43%以上。

2 氧氣頂吹轉爐煉鋼

氧氣頂吹轉爐煉鋼是現在被廣泛采用的煉鋼法。按照配料要求，先把廢鋼等裝入轉爐內，然后倒入鐵水，并加入適量的造渣材料（如生石灰等）。加料后，把氧氣噴槍從爐頂插入爐內，吹入氧氣（純度大于99%的高壓氧氣流），使它直接跟高溫的鐵水發生氧化反應，除去雜質。在除去大部分硫、磷后，當鋼水的成分和溫度都達到要求時，即停止吹煉，提升噴槍，準備出鋼。出鋼時使爐體傾斜，鋼水從出鋼口注入鋼水包里，同時加入脫氧劑進行脫氧和調節成分。鋼水合格后，可以澆成鋼的鑄件或鋼錠，鋼錠可以再軋制成各種鋼材。與煉鋼轉爐相配套的有一次除塵風機、煙氣凈化、煙氣冷卻、散料運輸及鐵合金稱量系統等。轉爐氧槍及傾動系統要求配有嚴格聯鎖要求，以保證各自能正常工作。

3 系統硬件配置

該轉爐煉鋼自動化控制系統項目主要由本體PLC、風機房PLC、汽化冷卻PLC、散料上料PLC子系統組成。除本體采用S7-400的414-3PLC以外，其余子系統采用S7-300的315-2DP的PLC。本體PLC下帶六個FC200的Profibus-DP分站，其余PLC各帶兩個FC200的Profibus-DP分站。整個系統共配置的I/O模塊點數如表1所示。

表1

圖1 本體的硬件組態配置圖

本體I/O分站采取就近放置原則，最大限度地減少現場電纜長度，為用戶節約電纜及橋架硬件投入和施工費用。FC200模塊標準35mmDIN導軌安裝，單槽模塊寬度僅為25.4mm，高度和深度分別為76mm，占用柜體空間很少。前端接線端子為彈簧夾式，實現安全免維護接線。拔下前端接線端子即可更換模塊，維護方便。現場儀表中壓力變送器使用ELCO公司的PS604系列，具有醒目的可旋轉紅色LED顯示，不銹鋼外殼適合冶金現場惡劣的環境。PS604壓力變送器通過ECP系列配電器接入附近的I/O分站。

PLC系統及I/O分站系統的接地與低壓系統及變頻器系統分開，消除由于共接地系統引起的干擾問題。

4 參數設置

在STEP7硬件組態中，FC200的AI-BD40模塊可設置電流輸入的類型，AI-BF00可設置熱電阻或熱電偶輸入，打開或關閉斷線監測功能，以及每秒的測量轉換次數，使用戶在精度和速度之間權衡。AO-BD40模塊可設成4～20mA或0～20mA輸出。一般把不用的模擬量通道取消激活，提高系統檢測速度。

5 編程要點

5.1 氧槍下槍聯鎖與故障自動提槍聯鎖

氧槍下槍吹煉要具備很多條件才能進行，條件不具備輕則會損壞氧槍，重則造成炸爐事故。同理，當正在吹煉時出現故障要能自動提槍，以便保護系統。當條件不具備時PLC鎖定輸出后，為讓操作人員迅速找出原因，并在必要時解除聯鎖，為此在上位機畫面上用復選框做出選擇畫面并指示狀態，如圖2所示。

圖2 上位機選擇畫面

5.2 散料下料振料設定及下料累計

用戶要求給料振打能根據稱量斗的值和設定值自動停振，且在稱量斗放料后能累計放料的料種和放料量，為此在編程中設置兩套比較系統，分別由振斗工作狀態和放料閥工作狀態來啟動。

5.3 和其它子系統傳遞數據

本體PLC系統與其它配套系統如散料上料PLC、風機房PLC、汽化冷卻PLC系統因距離較遠，均用光纖和環網交換機聯成100M以太網環網，故子系統間交換數據通過環網完成，速度快，抗干擾能力強，當環網中一點斷開時不影響使用。

編程使用STEP7中的SFB14（讀）和SFB15（寫）塊，在子系統中（如風機房PLC）設定用于通訊的DB塊，這樣可把風機房中一次轉塵風機的轉速傳至本體PLC上做聯鎖使用。

5.4 和鋼水測溫槍數據連接

每爐鋼吹煉后都要測量鋼水溫度，以確定是否到達吹煉終點。測溫槍每爐的測溫數據傳入PLC并記錄在上位機的數據系統，方便檢索。傳統的4～20mA傳輸會因零點及其它干擾原因存在偏差，用戶不允許這樣。因此這個項目中直接把測溫槍的BCD碼數據接入FC200的NPN型的DI輸入模塊，在編程時再把BCD碼轉為二進制歸檔。

5.5 吹氧吹氮時間計時

轉爐氧槍下槍吹煉后需要計算吹氧時間，濺渣時計算吹氮時間；如果用系統時間來實現比較復雜，本項目采用兩個計數器，分別定義為秒計數器和分計數器，當下槍吹煉的標志出現時，使用PLC屬性自定義的秒脈沖來驅動秒計數器，滿60秒后產生脈沖驅動分計數器，簡單可靠。吹煉的標志采用氧氣或氮氣快速切斷閥開到位信號及氣體流量達到一定值時同時驅動，避免由于閥開位信號或流量信號出現問題時使計時停止的問題。

6 使用效果

當需要實現新的工藝而增加新的受控設備時，就要對原控制系統的硬件組態進行更改。本轉爐控制系統利用ELCO公司FC200分布式I/O模塊產品結合西門子的控制系統的CiR功能實現了在轉爐正常生產過程中，進行硬件組態更改，如FC200分布式I/O模塊的添加、刪除和重新參數化，甚至增加或減少若干FC200控制分站時無需停機和設備重啟，不會造成控制系統的死機，縮短了調試時間，無需中斷當前的轉爐吹煉生產過程，減少了停機損失。這樣，新工藝新技術就得以最快速度的實現，提高了鋼廠快速適應市場變化的能力。

經過半年的運行使用，FC200現場總線模塊工作穩定，沒有出現自身原因的質量問題，整個自動化系統運行可靠，保證煉鋼生產的進行，同時為用戶節約了大量的電纜投資和安裝費用。FC200與其它IP20分布I/O相比，具有體積小巧、安裝密度大、節約柜體空間、性價比高的特點，得到了用戶的廣范認可。