宜科(天津)電子有限公司 梁建輝

目前采用傳統(tǒng)集中式I/O模塊布置的方法已經(jīng)難以滿足用戶要求，其在浪費(fèi)大量有色金屬電纜的同時(shí)還會(huì)使現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)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(shù)飛速發(fā)展的今天，采用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在信號(hào)采集點(diǎn)附近配置分布式I/O已經(jīng)是大勢(shì)所趨。本項(xiàng)目采用FC200分布式I/O模塊產(chǎn)品，支持多種工業(yè)總線：Profibus、DeviceNet、CanOpen、Interbus、工業(yè)以太網(wǎng)等；有豐富的I/O模塊，齊全的功能模塊：通訊、驅(qū)動(dòng)、高速計(jì)數(shù)等，緊湊設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)穩(wěn)固，節(jié)約空間，背板總線設(shè)計(jì)，靈活擴(kuò)展，可快速、簡易安裝在標(biāo)準(zhǔn)35mmC型導(dǎo)軌；卡簧接線排，方便接線；高運(yùn)行穩(wěn)定性；編程兼容SIEMENS STEP7等軟件；支持STEP7的“CiR”（運(yùn)行中配置硬件設(shè)備）功能，可在以后改造時(shí)不停機(jī)添加新的I/O配件；具有良好的性價(jià)比。本文結(jié)合河北某鋼廠新建的45T氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐煉鋼自動(dòng)化控制系統(tǒng)，詳細(xì)介紹FC200現(xiàn)場(chǎng)總線模塊在自動(dòng)化領(lǐng)域的應(yīng)用。

1 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)

現(xiàn)場(chǎng)總線是以單個(gè)分散的數(shù)字化智能化的測(cè)量和控制設(shè)備作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，用總線相連接實(shí)現(xiàn)相互交換信息，共同完成自動(dòng)控制功能的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與控制系統(tǒng)。

FC200系統(tǒng)支持市場(chǎng)上的Profibus、DeviceNet、CanOpen、Interbus、工業(yè)以太網(wǎng)等總線，可最大限度地方便行業(yè)及用戶習(xí)慣選用。使用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)能節(jié)省硬件成本，設(shè)計(jì)組態(tài)安裝調(diào)試簡便，系統(tǒng)的安全可靠性好，減少故障停機(jī)時(shí)間，系統(tǒng)維護(hù)設(shè)備更換和系統(tǒng)擴(kuò)充方便。曾有機(jī)構(gòu)作過傳統(tǒng)系統(tǒng)與使用Profibus系統(tǒng)的費(fèi)用測(cè)算，在相同功能及點(diǎn)數(shù)情況下，Profibus總線系統(tǒng)比傳統(tǒng)4～20mA系統(tǒng)節(jié)約工程費(fèi)、安裝費(fèi)及硬件費(fèi)共計(jì)約43%以上。

2 氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐煉鋼

氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐煉鋼是現(xiàn)在被廣泛采用的煉鋼法。按照配料要求，先把廢鋼等裝入轉(zhuǎn)爐內(nèi)，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(nèi)，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(fā)生氧化反應(yīng)，除去雜質(zhì)。在除去大部分硫、磷后，當(dāng)鋼水的成分和溫度都達(dá)到要求時(shí)，即停止吹煉，提升噴槍，準(zhǔn)備出鋼。出鋼時(shí)使?fàn)t體傾斜，鋼水從出鋼口注入鋼水包里，同時(shí)加入脫氧劑進(jìn)行脫氧和調(diào)節(jié)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(zhuǎn)爐相配套的有一次除塵風(fēng)機(jī)、煙氣凈化、煙氣冷卻、散料運(yùn)輸及鐵合金稱量系統(tǒng)等。轉(zhuǎn)爐氧槍及傾動(dòng)系統(tǒng)要求配有嚴(yán)格聯(lián)鎖要求，以保證各自能正常工作。

3 系統(tǒng)硬件配置

該轉(zhuǎn)爐煉鋼自動(dòng)化控制系統(tǒng)項(xiàng)目主要由本體PLC、風(fēng)機(jī)房PLC、汽化冷卻PLC、散料上料PLC子系統(tǒng)組成。除本體采用S7-400的414-3PLC以外，其余子系統(tǒng)采用S7-300的315-2DP的PLC。本體PLC下帶六個(gè)FC200的Profibus-DP分站，其余PLC各帶兩個(gè)FC200的Profibus-DP分站。整個(gè)系統(tǒng)共配置的I/O模塊點(diǎn)數(shù)如表1所示。

表1

圖1 本體的硬件組態(tài)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(xiàn)場(chǎng)電纜長度，為用戶節(jié)約電纜及橋架硬件投入和施工費(fèi)用。FC200模塊標(biāo)準(zhǔn)35mmDIN導(dǎo)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(shí)現(xiàn)安全免維護(hù)接線。拔下前端接線端子即可更換模塊，維護(hù)方便?，F(xiàn)場(chǎng)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(zhuǎn)紅色LED顯示，不銹鋼外殼適合冶金現(xiàn)場(chǎng)惡劣的環(huán)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(tǒng)及I/O分站系統(tǒng)的接地與低壓系統(tǒng)及變頻器系統(tǒng)分開，消除由于共接地系統(tǒng)引起的干擾問題。

4 參數(shù)設(shè)置

在STEP7硬件組態(tài)中，F(xiàn)C200的AI-BD40模塊可設(shè)置電流輸入的類型，AI-BF00可設(shè)置熱電阻或熱電偶輸入，打開或關(guān)閉斷線監(jiān)測(cè)功能，以及每秒的測(cè)量轉(zhuǎn)換次數(shù)，使用戶在精度和速度之間權(quán)衡。AO-BD40模塊可設(shè)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(tǒng)檢測(cè)速度。

5 編程要點(diǎn)

5.1 氧槍下槍聯(lián)鎖與故障自動(dòng)提槍聯(lián)鎖

氧槍下槍吹煉要具備很多條件才能進(jìn)行，條件不具備輕則會(huì)損壞氧槍，重則造成炸爐事故。同理，當(dāng)正在吹煉時(shí)出現(xiàn)故障要能自動(dòng)提槍，以便保護(hù)系統(tǒng)。當(dāng)條件不具備時(shí)PLC鎖定輸出后，為讓操作人員迅速找出原因，并在必要時(shí)解除聯(lián)鎖，為此在上位機(jī)畫面上用復(fù)選框做出選擇畫面并指示狀態(tài)，如圖2所示。

圖2 上位機(jī)選擇畫面

5.2 散料下料振料設(shè)定及下料累計(jì)

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

5.3 和其它子系統(tǒng)傳遞數(shù)據(jù)

本體PLC系統(tǒng)與其它配套系統(tǒng)如散料上料PLC、風(fēng)機(jī)房PLC、汽化冷卻PLC系統(tǒng)因距離較遠(yuǎn)，均用光纖和環(huán)網(wǎng)交換機(jī)聯(lián)成100M以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)，故子系統(tǒng)間交換數(shù)據(jù)通過環(huán)網(wǎng)完成，速度快，抗干擾能力強(qiáng)，當(dāng)環(huán)網(wǎng)中一點(diǎn)斷開時(shí)不影響使用。

編程使用STEP7中的SFB14（讀）和SFB15（寫）塊，在子系統(tǒng)中（如風(fēng)機(jī)房PLC）設(shè)定用于通訊的DB塊，這樣可把風(fēng)機(jī)房中一次轉(zhuǎn)塵風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速傳至本體PLC上做聯(lián)鎖使用。

5.4 和鋼水測(cè)溫槍數(shù)據(jù)連接

每爐鋼吹煉后都要測(cè)量鋼水溫度，以確定是否到達(dá)吹煉終點(diǎn)。測(cè)溫槍每爐的測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)傳入PLC并記錄在上位機(jī)的數(shù)據(jù)系統(tǒng)，方便檢索。傳統(tǒng)的4～20mA傳輸會(huì)因零點(diǎn)及其它干擾原因存在偏差，用戶不允許這樣。因此這個(gè)項(xiàng)目中直接把測(cè)溫槍的BCD碼數(shù)據(jù)接入FC200的NPN型的DI輸入模塊，在編程時(shí)再把BCD碼轉(zhuǎn)為二進(jìn)制歸檔。

5.5 吹氧吹氮時(shí)間計(jì)時(shí)

轉(zhuǎn)爐氧槍下槍吹煉后需要計(jì)算吹氧時(shí)間，濺渣時(shí)計(jì)算吹氮時(shí)間；如果用系統(tǒng)時(shí)間來實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜，本項(xiàng)目采用兩個(gè)計(jì)數(shù)器，分別定義為秒計(jì)數(shù)器和分計(jì)數(shù)器，當(dāng)下槍吹煉的標(biāo)志出現(xiàn)時(shí)，使用PLC屬性自定義的秒脈沖來驅(qū)動(dòng)秒計(jì)數(shù)器，滿60秒后產(chǎn)生脈沖驅(qū)動(dòng)分計(jì)數(shù)器，簡單可靠。吹煉的標(biāo)志采用氧氣或氮?dú)饪焖偾袛嚅y開到位信號(hào)及氣體流量達(dá)到一定值時(shí)同時(shí)驅(qū)動(dòng)，避免由于閥開位信號(hào)或流量信號(hào)出現(xiàn)問題時(shí)使計(jì)時(shí)停止的問題。

6 使用效果

當(dāng)需要實(shí)現(xiàn)新的工藝而增加新的受控設(shè)備時(shí)，就要對(duì)原控制系統(tǒng)的硬件組態(tài)進(jìn)行更改。本轉(zhuǎn)爐控制系統(tǒng)利用ELCO公司FC200分布式I/O模塊產(chǎn)品結(jié)合西門子的控制系統(tǒng)的CiR功能實(shí)現(xiàn)了在轉(zhuǎn)爐正常生產(chǎn)過程中，進(jìn)行硬件組態(tài)更改，如FC200分布式I/O模塊的添加、刪除和重新參數(shù)化，甚至增加或減少若干FC200控制分站時(shí)無需停機(jī)和設(shè)備重啟，不會(huì)造成控制系統(tǒng)的死機(jī)，縮短了調(diào)試時(shí)間，無需中斷當(dāng)前的轉(zhuǎn)爐吹煉生產(chǎn)過程，減少了停機(jī)損失。這樣，新工藝新技術(shù)就得以最快速度的實(shí)現(xiàn)，提高了鋼廠快速適應(yīng)市場(chǎng)變化的能力。

經(jīng)過半年的運(yùn)行使用，F(xiàn)C200現(xiàn)場(chǎng)總線模塊工作穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)自身原因的質(zhì)量問題，整個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)運(yùn)行可靠，保證煉鋼生產(chǎn)的進(jìn)行，同時(shí)為用戶節(jié)約了大量的電纜投資和安裝費(fèi)用。FC200與其它IP20分布I/O相比，具有體積小巧、安裝密度大、節(jié)約柜體空間、性價(jià)比高的特點(diǎn)，得到了用戶的廣范認(rèn)可。