PROFIBUS-DP遠程智能從站技術(shù)在高爐爐頂上料控制系統(tǒng)的改造與實現(xiàn)

彭雅璐，王曉瑜，馬王君

(1.陜西鋼鐵集團漢中鋼鐵有限責(zé)任公司 設(shè)備管理中心，陜西 漢中 724200； 2.西安航空學(xué)院 電子工程學(xué)院，西安 710077)

1 原系統(tǒng)存在的問題

高爐爐頂是高爐的重要組成部分。陜鋼集團漢中鋼鐵股份有限責(zé)任公司(以下簡稱漢鋼)1號高爐采用無料鐘串罐式爐頂，其爐頂控制系統(tǒng)為西門子S7-400H冗余控制系統(tǒng)，控制爐頂液壓站、擋料閥、上密封閥、料流閥、下密封閥、均壓閥、放散閥、布料器、溫度檢測、壓力檢測等設(shè)備。其中爐頂上料控制系統(tǒng)主要由四部分組成：(1)油泵控制回路；(2)液壓站現(xiàn)場檢測及保護系統(tǒng)；(3)密封擋料系統(tǒng)(包含擋料閥、上密封閥、下密封閥、均壓、放散等現(xiàn)場執(zhí)行機構(gòu))；(4)料流調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)。這四部分之間電氣線路互為交叉，任何一個點出現(xiàn)問題(如繼電器觸點接觸不良)，將影響整個控制回路不能正常工作，高爐上料中斷。液壓站部分控制系統(tǒng)及位置檢測中繼柜位于爐頂液壓室內(nèi)，環(huán)節(jié)多，原電氣控制系統(tǒng)整體設(shè)計冗繁，外部繼電器控制線路復(fù)雜，故障頻繁，且故障的排查和處置費時、費力。隨著電氣控制系統(tǒng)電纜線路和電氣元器件及其線路的老化，將出現(xiàn)壓降、信號干擾、軟故障等問題，造成高爐休風(fēng)事故(發(fā)生煤氣爆炸和煤氣中毒事故)，嚴重影響高爐的正常安全生產(chǎn)。因此，深入研究串罐無料鐘爐頂上料控制系統(tǒng)的PROFIBUS-DP遠程智能從站技術(shù)特點，通過現(xiàn)場I/O和光纖替代數(shù)量巨大的控制線路，杜絕由于控制部分故障造成的高爐休風(fēng)事故，對于維持高爐順行、降低高爐能耗均具有決定性的作用[1-2]。

2 PROFIBUS-DP遠程智能從站技術(shù)在高爐爐頂上料控制系統(tǒng)的改造與實現(xiàn)

2.1 設(shè)計思路及基礎(chǔ)設(shè)施

(1)通過對高爐爐頂控制系統(tǒng)做徹底的改造，解決存在的問題。高爐爐頂環(huán)境潮濕以及蒸汽、煙塵、高溫等都對電子設(shè)備正常運行存在致命威脅。為了解決這一問題，在高爐西北角蒸汽無法達到、離高爐本體相對遠的地方建設(shè)一套密閉性好的控制室，控制室內(nèi)加裝空調(diào)等設(shè)施，對符合電子原件正常運行的環(huán)境具有保障作用。

(2)此次改造的目的是減少故障率，優(yōu)化控制，維修快捷。現(xiàn)場總線技術(shù)是生產(chǎn)現(xiàn)場的測量控制設(shè)備間雙向串行多節(jié)點數(shù)字通信的開放式網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，相應(yīng)的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，目前在冶金行業(yè)中應(yīng)用最多的為PROFIBUS、ControlNet/DeviceNet兩種。漢鋼的高爐1號爐頂控制系統(tǒng)選用SIEMENS 公司PROFIBUS現(xiàn)場總線，PROFIBUS 現(xiàn)場總線由 PROFIBUS-DP(應(yīng)用于現(xiàn)場設(shè)備級控制系統(tǒng)與分散式I/O之間的高速低成本通信)、PROFIBUS-PA(應(yīng)用于過程自動化)和PROFIBUS-FMS(應(yīng)用于車間級監(jiān)控網(wǎng)絡(luò))組成。此次改造采用PROFIBUS-DP遠程智能從站技術(shù)，在高爐爐頂設(shè)置西門子PLC從站，利用OLM光纖鏈路模塊將PROFIBUS-DP信號轉(zhuǎn)換為光電信號，由光纖通信替代繁瑣的控制線路，解決了分散控制及其遠程控制控制線路長、故障點多等問題，同時還達到遠程穩(wěn)定控制的效果[3-5]。在新控制室設(shè)置PLC柜、中繼柜、控制柜，更換原有的機旁操作箱和重新走橋架敷設(shè)線路。爐頂閥門位置信號統(tǒng)一傳入中繼柜，經(jīng)過中繼后傳入PLC柜，輸出控制信號通過PLC 的I/O模塊經(jīng)過中繼傳入中繼柜，然后達到閥臺。每個設(shè)備的上電、開到位、關(guān)到位、開輸出、關(guān)輸出中繼全部按順序統(tǒng)一排布。擋料閥、上密封閥、料流閥、下密封閥等爐頂關(guān)鍵設(shè)備均為雙控制系統(tǒng)，當有故障發(fā)生，可以通過切換系統(tǒng)快速查處故障原因[3-5]。

(3)此次改造確保供電電源的穩(wěn)定，做到合理布局敷設(shè)線路，由爐底低壓室取AC380V和AC220V電源，由UPS和雙電源切換確保電源正常運行。為了減少電源衰減，在現(xiàn)場安裝2塊10A DC24V電源和1塊20A DC24V電源，分別為爐頂控制柜通信模塊、CPU模塊、各接口模塊、中繼器單獨供電，確保互不干擾。為了確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性，做了專用接地線，其阻值小于2歐姆。

2.2 具體實施方案

2.2.1 網(wǎng)絡(luò)布局

該高爐爐頂控制系統(tǒng)采用雙層工業(yè)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，上層為EntherNet ，由計算機、交換機和PLC組成，計算機主要作為監(jiān)控系統(tǒng)和工程師站，交換機實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。下層為PROFIBUS-DP，PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線與現(xiàn)場設(shè)備、驅(qū)動設(shè)備和分站相連接，將設(shè)備的相關(guān)信息讀入CPU模塊或直接驅(qū)動設(shè)備。

高爐爐頂設(shè)置西門子PLC遠程10號從站，爐頂10號從站置于液壓站旁的PLC室內(nèi)，PLC室的防塵和降溫都做了處理，確保PLC系統(tǒng)的使用環(huán)境。在原8號站和9號站之間增加雙光口OLM(OLM光纖鏈路模塊)模塊兩塊，并由不同路線輻射兩根4芯多模光纖到爐頂10號分站，爐底和爐頂由4塊OLM組成雙冗余網(wǎng)絡(luò)。分站下組態(tài)模塊為冗余IM153-2，模塊型號6ES7 153-2BA10-0XB0,兩塊IM153-2模塊互為冗余，一路通信出現(xiàn)問題，直接切換到另一路使用。分站使用背板總線模塊，支持模塊熱插拔，PROFIBUS-DP 遠程PLC 10號從站結(jié)構(gòu)設(shè)置如圖1所示。設(shè)置中SM模塊有4塊32位數(shù)字量輸入模塊，型號為6SE7 321-1BL00-0AA0；2塊32位數(shù)字量輸出模塊，型號為66 ES 7 322-1BL00-0AA0；1塊8通道熱電阻模塊，型號為6 ES 7331-7PF01-0AB0；3塊8通道模擬量輸出模塊，型號為 6 ES 7 331-7KF02-OABO；1塊8通道模擬量輸出模塊，型號為6 ES 7 332-5HF00-0AB0。為確保信號的穩(wěn)定性和可靠性，數(shù)字量輸入和數(shù)字量輸出信號均經(jīng)過柜內(nèi)中繼，模擬量輸入和模擬量輸出信號均安裝信號隔離器。在硬件配置中，接口模塊6ES7 153-2BA10-0XB0插入2號槽，4塊數(shù)字量輸入6SE7 321-1BL00-0AA0模塊分別插入4、5、6、7號插槽，其中地址為16-31；2塊數(shù)字量輸出66 ES 7 322-1BL00-0AA0模塊分別插入8、9號插槽，其中地址為8-15；1塊8通道熱電阻模塊6 ES 7331-7PF01-0AB0插入10號插槽，其中地址為560-575；3塊8通道模擬量輸出模塊6 ES 7 331-7KF02-OABO分別插入11、12、13號插槽，其中地址576-679；1塊8通道模擬量輸出模塊6SE7 332-5HF00-0AB0插入14號插槽，其中地址為528-543。系統(tǒng)遠程PLC 10號從站PLC硬件組態(tài)如圖2所示[4-6]。

圖1 PROFIBUS-DP 遠程PLC 10號從站結(jié)構(gòu)設(shè)置圖2系統(tǒng)遠程PLC 10號從站PLC硬件組態(tài)

2.2.2 通信設(shè)置

高爐爐頂監(jiān)控系統(tǒng)中CPU選用S7-414H熱備系統(tǒng)，使用編程軟件為STEP5.5SP4、組態(tài)IM153-2模塊6ES7 153-2BA10-0XB0時需下載最新硬件更新包，并在HW Config—選項—安裝HW更新中完成硬件更新。組態(tài)IM153-2模塊設(shè)置PROFIBUS-DP地址為10。PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線波特率有9.6kbps、19.2kbps、45.45kbps、93.75kbps、187.5kbps、500kbps和1.5Mbps，設(shè)置較小的波特率可以獲得較長的主干線傳輸距離。因爐頂現(xiàn)場主干線敷設(shè)較遠，確定選擇9.6kbps，設(shè)置完成后進行統(tǒng)一下載。在10號分站設(shè)置PLC柜、中繼柜、液壓站控制柜，利用PROFIBUS-DP遠程智能從站技術(shù)爐頂設(shè)備信號直接進入10號分站[7]。

2.2.3 程序的編制及優(yōu)化

下位機編程軟件使用西門子STEP5.5SP4進行程序的編寫，編程語言梯形圖和語句表相結(jié)合，增加變量相應(yīng)的中文符號，確保程序的可讀性，程序編寫符合高爐設(shè)備工藝連鎖。增加爐頂液壓系統(tǒng)的信號檢測，將壓力、溫度、液位等數(shù)據(jù)顯示到HMI，并根據(jù)工藝要求設(shè)置各報警點。優(yōu)化原控制系統(tǒng)，重新對爐頂上料控制系統(tǒng)設(shè)計、施工、程序編寫及其打點調(diào)試，結(jié)合以往故障原因，做到最優(yōu)設(shè)計。增加狀態(tài)診斷功能，監(jiān)控設(shè)備的運行狀況。通過改造后，精簡優(yōu)化原來復(fù)雜的外部控制系統(tǒng)，完善液壓站傳感器檢測及保護系統(tǒng)，程序得以優(yōu)化，爐頂密封擋料系統(tǒng)和料流調(diào)節(jié)系統(tǒng)為互不干擾子系統(tǒng)，從根本上改變之前1號爐頂上料系統(tǒng)故障頻繁的情況，為高爐的正常生產(chǎn)提供了保障[8]。

2.2.4 上位機的實現(xiàn)

爐頂上位機的組態(tài)開發(fā)，使用西門子wincc7.0組態(tài)軟件，主要完成對爐頂設(shè)備的監(jiān)控功能，實現(xiàn)了對爐頂各閥門、探尺、布料器等設(shè)備的監(jiān)控。在爐頂上位機組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)中，將監(jiān)控畫面分為爐頂全貌，布料矩陣、液壓站、模塊監(jiān)控、爐頂閥門等子畫面。在監(jiān)控畫面中，實現(xiàn)相關(guān)設(shè)備的啟動和停止、數(shù)據(jù)的狀態(tài)監(jiān)測和重要的信號預(yù)警。在此次的監(jiān)控畫面中，還做了設(shè)備自診斷系統(tǒng)，設(shè)備的各種狀態(tài)都由不同的顏色代替，直觀且易判斷設(shè)備的狀態(tài)和故障。

3 結(jié)語

漢鋼公司1號高爐上料控制系統(tǒng)自2019年實施“PROFIBUS-DP遠程智能從站技術(shù)在高爐爐頂上料控制系統(tǒng)的改造與實現(xiàn)”以來，爐頂上料控制系統(tǒng)故障由2018年的18起降到目前的零起，設(shè)備運行安全可靠性顯著提高。實踐證明，PROFIBUS-DP遠程智能從站技術(shù)在高爐爐頂上料控制系統(tǒng)的改造與實現(xiàn)，從根本上解決了之前1號爐頂上料系統(tǒng)故障頻繁的問題，提高了高爐爐頂控制系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。