Profibus現場總線在轉爐控制系統中的應用

    在其二級控制系統采用了西門子PCS7系列PLC，下掛Profibus-DP網，并通過DP/PA Link（鏈接器）將總線儀控設備接入工業控制網絡，真正實現了"集中管理，分散控制"的目的。同時全數字化通信模式的抗干擾能力強、測量控制精確度高，借助數字雙向傳輸的特點和先進的設備管理軟件，可實現參數遠程給定，采集豐富的儀表信息，有利設備故障診斷，改善管理狀況。過程控制級由二級計算機構成，通過工業以太網與基礎級PLC相連，并依靠控制模型和數據庫對一級控制系統實施指導、管理和跟蹤。該系統將儀控、電控合為一體，它是具有工廠集成化概念的開放型的工業控制系統。

    一 系統組成

    基礎級采用一套PCS7 PLC作為鑄機的控制器，其CPU類型是AS416-2DP，并帶有通信功能，可與擴展單元的IM-153、IM- 157通信卡以及變頻器通過Profibus-DP控制網相聯，其中擴展單元采用ET-200M和鏈接器作為子站。控制軟件為STEP 7，并集成西門子過程設備管理軟件PDM。控制級采用西門子工控機作為監控站，與PLC通過快速工業以太網（基于TCP/IP協議）連接，系統運行西門子公司基于 Windows 2000的PCS7全集成軟件。

    1. 硬件構成

    圖1僅給出了系統與儀表相關的配置。

    其中PC1為上位機監控站，ET200為電控系統的遠程站。鏈接器為PCS7的從站之一，同時又是現場總線儀控設備的PA主站，由網絡部件耦合器（Coupler）實現所有Profibus-PA總線現場儀表與DP總線的鏈接，在傳輸更多檢測、控制信息的同時亦可獲取總線設備自診斷信息。整個控制系統中，儀控系統除了和電控公用的操作站以及相應的一次檢測元件外，僅有一個現場控制箱。

    2. 軟件配置

    操作站軟件為PCS7軟件，網絡平臺為Windows 2000，PCS7自帶數據庫，并提供監控畫面和PLC組態工具。PCS7內含組態軟件為STEP7及西門子過程設備管理軟件PDM。

    操作站主要是在用戶和所有系統功能之間提供一個人機界面，各類人員可通過操作站訪問各自權限范圍內的系統資源。例如：通過操作員可以調出過程顯示畫面，觀察到過程回路的參數、狀態、趨勢和報警情況，實現對過程回路的操作和參數的調整。過程工程師可以組態過程和顯示畫面和過程控制數據庫，進行其他各種組態工作。軟件工程師可以進入軟件開發環境，編寫、調試和執行用戶的應用程序。

    系統維護人員可觀察到系統各個設備的工作狀況，并對這些設備進行診斷操作。

    二 系統功能

    4#轉爐系統工程所有設備的電氣傳動和儀表控制全部采用集中控制、集中監視的方式，實現以PLC為中心的基礎自動化控制。

    1. 生產流程分布

    （1）主原料系統
    鐵水倒罐站；廢鋼供應。

    （2）副原料系統
    熔劑上料（1#皮帶機～5#皮帶機）；熔劑加料（4#轉爐本體）。

    （3）鐵合金系統
    轉爐鐵合金供應、加料。

    （4）4#轉爐及輔助設施
    轉爐本體；底吹系統；頂吹氧氣和濺渣護爐；轉爐和氧槍冷卻水；活動煙罩與爐口煙道之間的水封；活動煙罩、氧槍口、加料口的冷卻水；氮封系統；爐下車輛。

    （5）4#吹氬站
    合金加料；頂吹氧氣、氬氣；底吹氬氣。

    2. 頂吹信號顯示與自動調控

    a. 信號顯示與調控
    氧氣總管調壓閥閥前（氣源）壓力指示、記錄；氧氣緊急切斷閥開/關狀態指示與聯鎖；氧氣總管調壓閥閥后壓力指示、記錄、調節；氧氣總管壓力調節閥閥位顯示；氧氣支管流量指示、記錄、調節、補正計算；氧氣支管流量調節閥閥位顯示；氧氣支管切斷閥閥后（吹氧管入口）壓力指示、記錄；氧氣支管切斷閥閥位顯示；累計一爐鋼水用氧量：4000Nm3/爐；累計一爐吹氧時間。

    b. 報警及聯鎖
    氧氣氣源壓力低限值報警；氧氣氣源壓力低-低值（LL）報警及聯鎖控制（與氧槍升降裝置聯鎖）；氧氣支管入口壓力低限報警；氧氣支管入口壓力低- 低值報警及聯鎖（與氧槍升降裝置聯鎖）；氧氣支管流量低限報警；氧氣支管流量低-低值報警及聯鎖；快速提槍并關閉支管切斷閥。

    3. 底吹信號顯示與自動調控
    底吹信號顯示、自動調控、報警及聯鎖，與頂吹基本相同。

    4. 過程現場總線配置
    儀控系統全部通過Profibus-PA現場總線方式完成檢測與控制。
    雖然耦合器可直接掛在DP網上，但要占用一個DP地址，且無法擴充，而每個鏈接器可擴充5個耦合器，并且在非防爆區每個最多可掛接30臺非防爆現場總線儀表，所以在平衡經濟性和系統可擴充性的前提下，采用了一個鏈接器配幾個耦合器的硬件配置模式。整個系統采用了Profibus-PA總線線型拓撲結構，在這種模式下，PA總線上的智能總線儀表的地址編號將不受DP地址編號的限制，可以在相應的耦合器下任意編址，有利于總線設備的擴充和維護。

    三 系統特點

    由于采用了Profibus-PA現場總線技術，所以全部檢測與控制儀表均采用了全數字化通信的智能儀表，從而極大地提高了系統的穩定性和可靠性。

    （1）可靠性高

    在整個轉爐上下平臺之間，網絡線取代了所有常規控制儀表使用的控制電纜，而且所有測控元件均以并聯方式掛接在一根網絡線上，并以數字通信方式與上位計算機交換檢測與控制數據，同時測控元件內部的故障自診斷功能，可將設備隱患信息在發生故障前預報給上位機，提醒工程人員及時進行排除，確保生產安全順暢。

    （2）精確度高

    由于采用數字通信方式，所以實際的采樣精確度和控制精確度均非模擬信 號可比，技術水平完全進入了另一個全新領域，為生產工程師提供了準確的生產參數，有利于優化產品，控制生產成本和節能、降耗。

    （3）系統擴展靈活

    PA通信網絡的節點就是測控元件，所以任意節點的增加或刪除都不會影響網絡的整體性能。通過在DP網線上增減若干鏈接器，就可增加或刪除若干組 PA網絡，每組PA可擴展30個測控元件，便于系統擴容和工藝流程的優化。PA網絡可分布在工廠的任何位置，這樣，與分散在各地的各種設備連接更為簡單。

    （4）降低工程造價和工程量

    在轉爐上下平臺之間測點分散且各自相對集中，若采用常規計算機控制方案，不但布線復雜、橋架林立，而且故障排除時間長，不利于自動控制過程的快速恢復。采用Profibus-PA現場總線技術，將極大地節省電纜、橋架的材料費和基建安裝量，同時也取消了控制站上輸入/輸出組件，節省了機柜，減小了控制室的面積。

    四 結束語

    馬鋼第三煉鋼廠4#轉爐控制系統在實現"三電一體化"的基礎上，成功地將Profibus總線技術應用于生產全過程，提高了系統的控制水平和可靠性，同時降低了運行成本。與常規系統相比，僅儀控系統就比原概算節省30%的投資。另外，內嵌的過程設備管理軟件PDM，減少了所需其他軟件的種類，也降低了相關軟件費用。尤為重要的是，由于現場總線儀表具有自診斷功能，因此，可以預先診斷和維護在線設備，提前排除故障、減少停機時間，提高了生產的安全性，同時大大降低了系統運行、維護費用，為整個高效連鑄機的安全順產提供了重要的技術保障。