張巍 俞江 趙瑞雪

（1.北京金自天正智能控制股份有限公司 北京市 100070 2.常州大學(xué)微電子與控制工程學(xué)院 江蘇省常州市 213167）

1 引言

目前電弧爐為代表的短流程煉鋼已經(jīng)成為冶金行業(yè)踐行產(chǎn)能升級、綠色制造、節(jié)能降耗基本國策的熱點[1-2]。高壓開關(guān)柜、變壓器、二次短網(wǎng)等高壓電氣設(shè)備的可靠運行是電爐設(shè)備的安全運行的根本保障。電氣設(shè)備運行中的異常發(fā)熱是導(dǎo)致其故障甚至發(fā)生重大事故的主要因素之一，實現(xiàn)電弧爐冶煉過程中重要電氣設(shè)備溫度數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控及報警，能有效避免此類事故突發(fā)。由于電弧爐高壓電氣設(shè)備分布于作業(yè)現(xiàn)場的不同位置，所處強(qiáng)電、溫度、粉塵等外在環(huán)境各不相同，如何選擇溫度傳感器及組網(wǎng)完成分布式數(shù)據(jù)采集等問題就顯得十分重要。本系統(tǒng)根據(jù)不同的應(yīng)用場合，采用不同類型的傳感器，通過DTU 設(shè)備讀取傳感器數(shù)據(jù)，經(jīng)泗博公司生產(chǎn)的網(wǎng)關(guān)MP-160 轉(zhuǎn)換，將Modbus 協(xié)議的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成Profibus DP 模式下和主控PLC 系統(tǒng)連接，完成各電氣設(shè)備溫度監(jiān)控數(shù)據(jù)的采集。

2 電弧爐鋼廠測溫點分布及傳感器的選型

2.1 測溫點分布

高壓開關(guān)柜用于向爐子變壓器供電，柜內(nèi)主要由真空斷路器小車、過電壓保護(hù)裝置，隔離車、連接母排等設(shè)備組成[5]。在長期運行過程中，因各種原因造成觸點氧化，接觸電阻增大，在運行時不斷發(fā)熱，引起溫度上升，給設(shè)備安全運行埋下了隱患。

電爐變壓器是高低壓換能設(shè)備，設(shè)備本體在磁場交變過程中會產(chǎn)生大量熱能，通常用導(dǎo)熱油循環(huán)降溫，設(shè)備一般自帶油溫監(jiān)測系統(tǒng)。

二次短網(wǎng)是冶煉電爐變壓器二次側(cè)至電極傳輸大電流導(dǎo)體，組成包括銅排、水冷電纜、軟母線、硬母線等，短網(wǎng)組成部分的可靠連接程度直接影響其電阻大小，決定冶煉電路爐設(shè)備的電效率和功率因素等電氣性能，因而對冶煉電爐的運行性能有著重要影響[3-4]。

2.2 測溫傳感器選型及數(shù)量

目前，工業(yè)領(lǐng)域中常見的測溫系統(tǒng)有電子接觸式、光纖光柵測溫、聲表面波測溫、紅外輻射測溫、紅外成像測溫等方法[6]，受制于不同的應(yīng)用場合、安裝尺寸和環(huán)境條件，各有優(yōu)缺點。而電弧爐煉鋼電氣設(shè)備種類多，分布廣，不能用一種傳感器就能滿足各類電氣設(shè)備的測溫需求，所以本系統(tǒng)針對2.1 中4 類不同的測溫點，選擇不同的傳感器來實施溫度檢測，如高壓開關(guān)柜，由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、高電壓等因素考慮用無線無源傳感器，選擇采用珠海泰諾公司產(chǎn)品，溫度測量范圍：-25 ℃— +125 ℃，感應(yīng)取電，啟動電流：≥5 A，測量精度：±1℃，無線傳輸頻率：433 MHz；用捆綁方式安裝在高壓柜進(jìn)出母線接頭處，DTU 終端完成采集傳感器數(shù)據(jù)，通過485接口處理后轉(zhuǎn)成Modbus 協(xié)議數(shù)據(jù)格式，實現(xiàn)高壓柜內(nèi)共計6 個關(guān)鍵測點的溫度監(jiān)測。

圖1：無線測溫系統(tǒng)原理圖

圖2：PMG-123 模塊現(xiàn)場總線配置

二次短網(wǎng)系統(tǒng)因處于高粉塵、大電流、高溫的條件下，且按鋼廠運行維護(hù)規(guī)范，每月均有停電維保作業(yè)時間，可以考慮采用在短網(wǎng)連接處安裝有源電池接觸式無線測溫傳感器，同樣選擇泰諾公司產(chǎn)品有源無線測溫傳感器，電池供電，使用壽命8年；用螺栓固定方式安裝在變壓器同名端與二次短網(wǎng)連接處，同樣方式檢測短網(wǎng)與水冷電纜連接處溫度，DTU 終端完成采集傳感器數(shù)據(jù)，通過485接口處理后轉(zhuǎn)成Modbus 協(xié)議數(shù)據(jù)格式，實現(xiàn)二次短網(wǎng)共計6 個關(guān)鍵測點的溫度監(jiān)測。

電爐變壓器溫度監(jiān)測分高壓進(jìn)線側(cè)接點和由變壓器本體溫度監(jiān)測兩類。高壓進(jìn)線側(cè)采用和高壓柜一樣的模式[7]，計3 個接點溫度；變壓器本體溫度監(jiān)測通過生產(chǎn)廠家自帶熱電偶式溫度傳感器，監(jiān)測循環(huán)冷卻油溫及變壓器各繞組溫度，在變壓器控制箱內(nèi)集成有智能RTU 裝置，完成溫度等數(shù)據(jù)采集后以Modbus 協(xié)議數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳。

圖3：高壓柜進(jìn)出線側(cè)、變壓器進(jìn)線側(cè)溫度監(jiān)控畫面圖

3 電弧爐高壓電氣設(shè)備無線測溫原理及組成

3.1 無線測溫系統(tǒng)原理

電弧爐高壓電氣設(shè)備無線測溫系統(tǒng)首先通過無線傳感器檢測高壓電纜或母排連接點溫度，然后通過無線射頻技術(shù)將溫度信號傳到溫度接收模塊DTU，經(jīng)485 接口Modbus 協(xié)議連接到PM-160 網(wǎng)關(guān)協(xié)議轉(zhuǎn)換器，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)成Profibus DP 協(xié)議連接到主控PLC 系統(tǒng)，由上位機(jī)組態(tài)軟件WINCC 界面上實現(xiàn)數(shù)據(jù)監(jiān)控。

3.2 無線測溫系統(tǒng)的組成

電弧爐高壓電氣溫度監(jiān)測系統(tǒng)由3 臺DTU 設(shè)備，15 個無線溫度傳感器，1 臺PM-160 網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)換器以及主站控制的PLC-S7-300 主機(jī)1 臺，以及用于組態(tài)監(jiān)控的上位機(jī)組成。由于PLC 和上位機(jī)還用于電弧爐其他控制，實現(xiàn)了無線測溫系統(tǒng)和爐控自動化等的系統(tǒng)集成，完成數(shù)據(jù)共享。

3.3 無線測溫系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)及通信實現(xiàn)

系統(tǒng)框架圖如圖1所示，無線溫度傳感器經(jīng)集成無線信號接收終端的DTU 后采用RS-485 接口，Modbus 通訊協(xié)議，將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過網(wǎng)關(guān)PM-160 轉(zhuǎn)換為PROFIBUS-DP 協(xié)議與PLC 進(jìn)行通訊，顯示在上位機(jī)控制系統(tǒng)界面。系統(tǒng)也可以通過DTU 讀取變壓器本體自帶智能監(jiān)控系統(tǒng)總溫度的數(shù)據(jù)，一并上傳到上位機(jī)。

其中PM-160 是一款實現(xiàn)Modbus 協(xié)議與PROFIBUS-DP 協(xié)議數(shù)據(jù)通信的智能型網(wǎng)關(guān)，可連接多個具有Modbus (RS485/RS/422)接口設(shè)備到PROFIBUS-DP 網(wǎng)絡(luò)，通過PROFIBUS 通信數(shù)據(jù)區(qū)和Modbus 通信數(shù)據(jù)區(qū)的映射關(guān)系可以實現(xiàn)主站與從站的雙向通訊。PM-160 在Modbus 端選擇主站模式，在PROFIBUS-DP 側(cè)為從站。網(wǎng)關(guān)配置軟件PMG-123 配置需要的命令參數(shù)然后將其下載到網(wǎng)關(guān)中。如圖2所示。

子網(wǎng)配置如下：協(xié)議類型：Modbus 主站模式串口波特率：9600bits/s；數(shù)據(jù)位：8；奇偶校驗：無校驗；停止位：所配置的參數(shù)需要與Modbus 從站一致，不能重復(fù)。

在子網(wǎng)下添加5 個節(jié)點，添加03、16 號命令進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫，修改Modbus 寄存器起始地址和數(shù)據(jù)個數(shù)。子網(wǎng)下共添加讀保持寄存器數(shù)據(jù)個數(shù)7 個，預(yù)置多個寄存器數(shù)據(jù)個數(shù)2 個。

配置完成后在配置模式下通過RS232 串口將配置下載到網(wǎng)關(guān)內(nèi)，然后將網(wǎng)關(guān)再撥到運行模式給網(wǎng)關(guān)重新上電。在Step7 中使用PM-160 的GSD 文件進(jìn)行組態(tài)編程，設(shè)置需要的輸入輸出字節(jié)塊等參數(shù)，即可實現(xiàn)通訊。

4 無線測溫的上位機(jī)組態(tài)軟件實現(xiàn)

4.1 STEP7中組態(tài)配置

首先將PM-160 對應(yīng)使用的GSD 文件成功導(dǎo)入Step7 中，然后進(jìn)行組態(tài)。新建DP 從站地址為7。(將PM-160 數(shù)碼管顯示地址手動調(diào)整為7，組態(tài)軟件中的PM-160 此處DP 從站地址必須與網(wǎng)關(guān)數(shù)碼管上面顯示的地址值一致)。添加8 個字的輸入輸出數(shù)據(jù)塊后系統(tǒng)會自動分配DP 從站的輸入、輸出起始地址，與網(wǎng)關(guān)的輸入、輸出內(nèi)存映射區(qū)域?qū)?yīng)。組態(tài)時所添加的輸入輸出字節(jié)總數(shù)需大于等于在配置軟件PMG-123 中總的字節(jié)數(shù)。PROFIBUS DP 端正常連接后，網(wǎng)關(guān)上面的STA 指示燈會綠燈閃爍。當(dāng)串口端數(shù)據(jù)交換正常時，網(wǎng)關(guān)上面的串口指示燈TX、RX 燈會綠燈閃爍。此時在PLC 中可以正確看到串口端的數(shù)據(jù)變化。

4.2 無線測溫系統(tǒng)上位機(jī)組態(tài)監(jiān)控實現(xiàn)

在電爐自動化控制項目中采用西門子公司wincc 組態(tài)軟件作為上位機(jī)監(jiān)控畫面，通過定義監(jiān)控數(shù)據(jù)表，操作組分配表后繪制組態(tài)控制圖實現(xiàn)對無線測溫系統(tǒng)各測點的溫度監(jiān)控。如圖3所示為高壓柜進(jìn)出線側(cè)、變壓器進(jìn)線側(cè)溫度監(jiān)控畫面圖。

5 結(jié)論

北京金自天正智能股份有限公司在電弧爐自動控制系統(tǒng)項目中采用無線模式下有源和無源兩種不同的傳感器檢測電爐高壓電氣設(shè)備運行中實時溫度值，實現(xiàn)對高壓電氣運行的全面監(jiān)控，有效防止高壓電氣設(shè)備因溫度過高引起故障，杜絕了事故的發(fā)生，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。