陳偉，邢梅香

（1.洛陽理工學(xué)院電氣工程與自動化系，河南洛陽 471023；2.洛陽理工學(xué)院機械工程系，河南洛陽 471023）

基于Profibus的焦?fàn)t集氣管分布式壓力控制系統(tǒng)設(shè)計

陳偉1，邢梅香2

（1.洛陽理工學(xué)院電氣工程與自動化系，河南洛陽 471023；2.洛陽理工學(xué)院機械工程系，河南洛陽 471023）

基于現(xiàn)場總線可靠性、互操作性的特點，針對焦?fàn)t集氣管壓力控制問題，提出了一種基于Profibus的集氣管分布式壓力控制系統(tǒng)的設(shè)計方案。該系統(tǒng)通過Profibus-DP總線實現(xiàn)了上位機與現(xiàn)場設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通訊。根據(jù)集氣管壓力的波動情況，該系統(tǒng)通過PID變頻控制算法，實時調(diào)節(jié)鼓風(fēng)機的吸力，以實現(xiàn)集氣管壓力的穩(wěn)定。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)試運行，其結(jié)果表明整個控制系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性、可靠性和擴展性，可以獲得較理想的控制效果。

Profibus；集氣管壓力；變頻調(diào)速；分布式控制系統(tǒng)

1 引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)過程的規(guī)模和復(fù)雜程度不斷增大，對工業(yè)自動化控制系統(tǒng)也提出了越來越高的要求。為了獲得較理想的控制效果，工業(yè)自動化控制系統(tǒng)必須對過程控制參數(shù)如溫度、壓力、流量等進行實時、連續(xù)的檢測，以實現(xiàn)將被控過程參數(shù)維持在一個理想的工藝波動范圍內(nèi)的控制效果。

焦?fàn)t荒煤氣作為煉焦生產(chǎn)過程中的副產(chǎn)品，經(jīng)焦?fàn)t集氣管系統(tǒng)進行回收和凈化處理后，為鋼鐵冶煉的后續(xù)作業(yè)工段、民用生活提供能源供給。在焦?fàn)t生產(chǎn)過程中，焦?fàn)t的產(chǎn)氣量、用戶的用氣量等變化會引起集氣管內(nèi)煤氣壓力出現(xiàn)較大的波動，這將會直接影響到焦炭的質(zhì)量、焦?fàn)t煤氣的產(chǎn)氣量。

本文基于PLC和Profibus總線技術(shù)設(shè)計了一個焦?fàn)t集氣管分布式壓力控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)采用上位管理和現(xiàn)場控制的兩層系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。上位管理計算機采用FAMEVIEW組態(tài)軟件開發(fā)了集氣管壓力監(jiān)控界面，能夠?qū)崿F(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備及工藝過程的實時監(jiān)測；現(xiàn)場控制層采用西門子PLC控制單元為現(xiàn)場控制器，實現(xiàn)對集氣管壓力控制系統(tǒng)工藝參數(shù)如壓力、溫度、工作電流、電壓等的實時采集和煤氣鼓風(fēng)機的變頻調(diào)速控制。

Profibus-DP主要用于工業(yè)自動化系統(tǒng)中分布式I/O及分散設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通信，DP控制網(wǎng)絡(luò)多采用主從結(jié)構(gòu)，主站之間的數(shù)據(jù)通訊采用令牌傳遞方式，主站和從站之間的數(shù)據(jù)通訊則為主從方式［1-3］。利用Profibus-DP較高的數(shù)據(jù)傳輸率，可以實現(xiàn)西門子PLC現(xiàn)場控制單元、變頻器等高速的、雙向的、多信息的數(shù)據(jù)整合。

現(xiàn)場實際的運行結(jié)果表明，該分布式控制系統(tǒng)具有可擴展、穩(wěn)定性高和可靠性好等特點。

2 焦?fàn)t集氣管控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

某焦化廠的焦?fàn)t煤氣生產(chǎn)系統(tǒng)由3臺并聯(lián)生產(chǎn)的焦?fàn)t組成，在煉焦生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生大量荒煤氣，各焦?fàn)t產(chǎn)生的荒煤氣經(jīng)集氣管收集后，經(jīng)初冷器冷卻后，再經(jīng)鼓風(fēng)機送入凈化回收處理工段進行后續(xù)處理，以供給煉鋼、焦?fàn)t煉焦等作業(yè)工段或民用生活使用，焦?fàn)t集氣管生產(chǎn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示，其中3#和4#焦?fàn)t采用雙集氣管網(wǎng)輸出的方式，1#焦?fàn)t集氣管網(wǎng)則采用單集氣管輸出的方式。

圖1 焦?fàn)t集氣管系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Block diagram of collecting pressure control system

整個集氣管系統(tǒng)的壓力調(diào)節(jié)由一套煤氣鼓風(fēng)冷卻系統(tǒng)控制實現(xiàn)，該煤氣鼓風(fēng)冷卻系統(tǒng)由3臺初冷器（兩用一備）、3臺鼓風(fēng)機（兩用一備）以及相關(guān)的電動蝶閥等設(shè)備組成。

由于焦?fàn)t荒煤氣的產(chǎn)氣量會隨煤炭結(jié)焦時間不同而發(fā)生變化，這將導(dǎo)致集氣管內(nèi)煤氣壓力的波動，特別是在焦?fàn)t炭化室進行出焦、裝煤時，會造成集氣管壓力出現(xiàn)大幅度的波動。如果集氣管壓力偏高，荒煤氣將會從爐門、爐蓋等處外泄，既污染環(huán)境，又降低了荒煤氣的回收率；若集氣管壓力偏低，空氣就從爐門、爐蓋等處進入爐體，導(dǎo)致焦炭燃燒、焦炭質(zhì)量下降，還會引起荒煤氣燃燒，使煤氣系統(tǒng)溫度增高，加重冷卻系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，同時多余的空氣還同爐體建筑材料發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致爐體剝蝕，縮短爐體使用壽命，對焦?fàn)t的正常生產(chǎn)及壽命將產(chǎn)生不良影響，因此保證集氣管內(nèi)煤氣壓力相對穩(wěn)定，對焦化廠的正常生產(chǎn)起到至關(guān)重要的作用［4-6］。

集氣管壓力調(diào)節(jié)通常采用控制電動蝶閥的開度，以實現(xiàn)對集氣管中荒煤氣的流量調(diào)節(jié)和壓力控制的方法，但在實際應(yīng)用中，這種控制方式存在以下問題：

1）由于焦?fàn)t的產(chǎn)氣量、煤氣使用量具有隨機性，易造成初冷器前吸力出現(xiàn)較大的波動，將導(dǎo)致集氣管壓力出現(xiàn)較大的震蕩；

2）蝶閥的安裝位置會對集氣管壓力的調(diào)節(jié)產(chǎn)生較大的影響；

3）各焦?fàn)t的操作壓力存在不平衡現(xiàn)象，會造成集氣管壓力產(chǎn)生較大波動，甚至出現(xiàn)劇烈震蕩的現(xiàn)象。

3 集氣管分布式壓力控制系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)對集氣管壓力系統(tǒng)工藝流程的分析和對工藝控制要求的理解，本文設(shè)計了基于Profibus的集氣管分布式壓力控制系統(tǒng)。

該分布式壓力控制系統(tǒng)由上位管理計算機、S7-300 PLC控制單元、S7-200 PLC控制單元、ABB變頻器、以及相應(yīng)的電動蝶閥組成，其中上位管理計算機采用MPI通訊方式，實現(xiàn)上位管理計算機與Profibus現(xiàn)場總線的各站點之間的數(shù)據(jù)通訊；DP主站選用西門子的CPU315-2DP PLC，DP從站由西門子S7-200 PLC和ABB公司的ACS627變頻器等2個站點組成；主站S7-300 PLC的第2個DP接口與DP接口模塊EM277，NPBA-12實現(xiàn)S7-200 PLC和ABB變頻器的網(wǎng)絡(luò)連接。

主站S7-300 PLC向ABB變頻器傳送運行指令，同時接受變頻器反饋的運行狀態(tài)及故障報警狀態(tài)的信號；ABB變頻器接受PLC控制指令，實現(xiàn)鼓風(fēng)機的變頻調(diào)速功能和集氣管內(nèi)的壓力調(diào)節(jié)，同時將變頻器內(nèi)部工作狀態(tài)參數(shù)上傳給主站PLC，以實現(xiàn)上位機監(jiān)控畫面的實時顯示。

基于Profibus的集氣管分布式壓力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 集氣管分布式壓力控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Distributed control system structure for collecting pressure control

上位管理計算機通過FAMEVIEW組態(tài)軟件開發(fā)了集氣管壓力系統(tǒng)的監(jiān)控程序，利用FAMEVIEW組態(tài)軟件的I/O設(shè)備驅(qū)動程序，直接讀寫S7-300 PLC的存儲區(qū)變量，實現(xiàn)Profibus各站點的工作狀態(tài)和現(xiàn)場數(shù)據(jù)的實時采集和現(xiàn)場設(shè)備的生產(chǎn)狀況、壓力等傳感器數(shù)據(jù)的實時顯示，同時通過組態(tài)軟件內(nèi)置的控制策略實現(xiàn)集氣管壓力的調(diào)節(jié)與控制操作。

集氣管分布式壓力控制系統(tǒng)采用增量式PID方式控制鼓風(fēng)機的轉(zhuǎn)速和電動蝶閥的開度，完成集氣管壓力系統(tǒng)的閉環(huán)控制，以實現(xiàn)減小集氣管壓力波動和減少能耗的控制目的。

由于焦?fàn)t在加煤、推焦過程中，會造成集氣管壓力產(chǎn)生較大的波動，同時煤氣的使用量也具有隨機性，鼓風(fēng)機電機采用工頻高壓運行，存在使用效率低、電力浪費大等缺點；而且鼓風(fēng)機是煤氣鼓風(fēng)冷卻系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，嚴(yán)格要求鼓風(fēng)機在焦?fàn)t生產(chǎn)過程中不能出現(xiàn)停機故障，否則會造成集氣管壓力回零，并產(chǎn)生爆炸事故。

因此本文對焦?fàn)t鼓風(fēng)機的控制采用了工頻、變頻控制相結(jié)合的控制策略，其中1#，2#鼓風(fēng)機的驅(qū)動電機共用一套ABB變頻器，采用倒換控制形式實現(xiàn)1#，2#風(fēng)機變頻運行；3#鼓風(fēng)機仍然采用工頻控制模式。S7-300 PLC控制單元根據(jù)集氣管壓力波動情況，通過Profubus-DP接口對ABB變頻器進行變頻控制，包括變頻器的啟動、停止、故障檢測、變頻控制等；當(dāng)變頻回路出現(xiàn)故障狀態(tài)時，可以通過S7-200 PLC實現(xiàn)鼓風(fēng)機變頻與工頻的自動切換控制。

集氣管壓力系統(tǒng)控制的關(guān)鍵是保持焦?fàn)t集氣管壓力設(shè)定值在工藝要求指標(biāo)范圍內(nèi)，在實際焦?fàn)t生產(chǎn)過程中，由于集氣管壓力不僅與焦?fàn)t的操作壓力波動有關(guān)，而且與初冷器前吸力波動有關(guān)，因此在集氣管分布式壓力控制系統(tǒng)中，通過集氣管壓力設(shè)定值與集氣管壓力的實際檢測值進行比較后，S7-300 PLC主站經(jīng)過PID計算，發(fā)出控制指令，控制電動蝶閥的開度，實現(xiàn)集氣管壓力的閉環(huán)穩(wěn)定。

當(dāng)某個焦?fàn)t操作壓力波動未達到其壓力的上、下極限時，鼓風(fēng)機采用工頻運行模式，集氣管壓力調(diào)節(jié)主要是通過電動蝶閥的開度實現(xiàn)；當(dāng)某個焦?fàn)t操作壓力波動達到其壓力的上、下極限時，如果此時對應(yīng)電動碟閥的調(diào)節(jié)伺服電機轉(zhuǎn)角達到極限時，需要修正集氣管總管的壓力（即初冷器前吸力）的設(shè)定值，通過改變總管輸入氣壓值，對焦?fàn)t集氣管輸出煤氣的抽力進行變頻調(diào)整，促使各個焦?fàn)t子系統(tǒng)的電動蝶閥逐漸脫離極限位置，以實現(xiàn)將集氣管壓力維持在工藝控制范圍內(nèi)，其PLC控制流程圖如圖3所示。

圖3 集氣管壓力PLC控制流程圖Fig.3 The flowchart of the PLC program for collecting pressure control

在Profibus-DP的驅(qū)動器通訊中，PLC與驅(qū)動裝置的Profibus通訊報文結(jié)構(gòu)由參數(shù)過程數(shù)據(jù)對象（parameter process data object，PPO）定義，PPO由參數(shù)值PKW及過程數(shù)據(jù)PZD兩部分組成，其中PKW（參數(shù)數(shù)據(jù)）的傳輸與PZD（過程數(shù)據(jù)）的傳輸互不影響，可以獨立工作，用戶可以在DP通信參數(shù)時進行選擇和設(shè)置。主站S7-300 PLC對ABB變頻器的工作參數(shù)和工作狀態(tài)的周期性檢測數(shù)據(jù)量比較大，因此選擇PPO4報文格式作為Profibus數(shù)據(jù)通訊格式［7-8］。主站S7-300 PLC建立DB10數(shù)據(jù)塊，用于ABB變頻器數(shù)據(jù)通信的數(shù)據(jù)存儲區(qū)，并定義ABB變頻器通訊數(shù)據(jù)區(qū)的PZD數(shù)據(jù)區(qū)的參數(shù)定義如圖4所示。

圖4 DB10中參數(shù)數(shù)據(jù)定義Fig.4 Data block DB10 variables configuration

其中PZD1為ABB變頻器的控制字，PZD2為ABB變頻器的頻率參數(shù)，PZD3為ABB變頻器的電壓參數(shù)，PZD4為ABB變頻器的電流參數(shù)，PZD5，6為ABB變頻器的故障參數(shù)

煤氣鼓風(fēng)機的轉(zhuǎn)速是根據(jù)集氣管的壓力、初冷器等過程狀態(tài)參數(shù)進行實時調(diào)整和控制，為了提高網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的實時性，本文使用MOV指令直接訪問I/O存儲器的方式，實現(xiàn)對ABB變頻器速度參數(shù)的實時設(shè)置，其程序如圖5所示，其中BD35為PID控制器數(shù)據(jù)塊，PQW262為NPBA-12的Profibus輸入I/O地址。

圖5 變頻器速度調(diào)節(jié)控制程序Fig.5 Frequency control function block

在本文中，1#，2#鼓風(fēng)機的變頻與工頻工作模式的切換控制是通過S7-200 PLC控制變頻高壓開關(guān)柜K1、工頻高壓開關(guān)柜K3的斷開和合閘操作（如圖2所示）實現(xiàn)的。由于變頻轉(zhuǎn)工頻切換時變頻器輸出電壓的相位無法保證和電網(wǎng)電壓的相位完全一致，這易造成電機出現(xiàn)過電流現(xiàn)象。鼓風(fēng)機變頻轉(zhuǎn)工頻工作模式過程中電機電流的實際檢測曲線如圖6所示。

圖6 鼓風(fēng)機電機變頻（40 Hz）切換工頻電流檢測曲線Fig.6 The current detecting curve of VF-FF

由圖6可知，如果電機變頻到工頻工作模式的切換點在電機的過電流區(qū)，會出現(xiàn)空氣開關(guān)跳閘、接觸器燒毀等現(xiàn)象，造成鼓風(fēng)機停機。

鼓風(fēng)機是集氣管壓力控制系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，不允許出現(xiàn)停機故障。為了保證鼓風(fēng)機在變頻與工頻工作模式的切換過程中不出現(xiàn)停機現(xiàn)象，本文對變頻到工頻工作模式的切換控制時，采用了時間延時的控制策略，以確保電機各相激磁電流衰減到零，確保變頻安全地實現(xiàn)變頻到工頻工作模式切換操作，其控制流程圖如圖7所示。

圖7 變頻與工頻切換控制流程圖Fig.7 The flowchart of switching control for VF-FF

其中延時時間需要根據(jù)具體對象進行調(diào)整，本文中延時時間t=7 s。

在Profibus的集氣管分布式壓力控制系統(tǒng)中，變頻與工頻的切換控制由S7-200 PLC根據(jù)主站S7-300 PLC的控制指令自動完成。S7-200 PLC依據(jù)變頻與工頻切換控制程序的時間延時策略，實現(xiàn)變頻與工頻安全、順利的切換操作，從而保證了煤氣鼓風(fēng)機正常運行。

4 系統(tǒng)應(yīng)用及實驗結(jié)果

基于Profibus的集氣管分布式壓力控制系統(tǒng)在某焦化廠進行了實際的應(yīng)用實驗。

對鼓風(fēng)機的變頻運行時電流實時檢測曲線如圖8所示。

圖8 ABB變頻器工作電流檢測曲線Fig.8 The working current curve of ABB converter

由圖8可知，鼓風(fēng)機在變頻工作模式時，鼓風(fēng)機高壓驅(qū)動電機的電流在40 s左右就可實現(xiàn)設(shè)定壓力控制，并且其工作電流基本穩(wěn)定在15 A左右，可以使鼓風(fēng)機驅(qū)動電機的運行狀況得到改善。

在工頻控制模式下，3臺鼓風(fēng)機分別由3臺高壓驅(qū)動電機工頻驅(qū)動，高壓驅(qū)動電機的實際工作電流在56 A左右，由于高壓驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速不能調(diào)節(jié)，每年會造成大量電能浪費。采用鼓風(fēng)機變頻改造后，其功率消耗與工頻模式的功率消耗對比如表1所示。

表1 電能消耗實際檢測對比表Tab.1 Comparison of actual energy consumption

由表1可知，在相同的功率因數(shù)下，集氣管壓力控制系統(tǒng)經(jīng)變頻改造后，平均每年至少可以節(jié)電27%左右。

同時在實際的集氣管壓力控制系統(tǒng)運行試驗中，集氣管壓力在96%的試驗時間內(nèi)穩(wěn)定在工藝波動范圍內(nèi)（即±50 Pa），集氣管壓力的實時采樣值在110～140 Pa的控制點占全部集氣管壓力檢測點的85%以上，取得較好的控制效果。

5 結(jié)論

隨著各種智能控制節(jié)點以及智能儀表在工業(yè)現(xiàn)場的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴大，工業(yè)控制系統(tǒng)向著控制功能分散化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化方向發(fā)展?？刂葡到y(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化是實現(xiàn)實時控制、控制結(jié)構(gòu)靈活的最佳途徑，采用Profibus現(xiàn)場總線可以很方便的將不同廠家的設(shè)備實現(xiàn)系統(tǒng)集成。

生產(chǎn)現(xiàn)場應(yīng)用實驗的結(jié)果表明，在實際的工業(yè)控制環(huán)境下本文提出的基于Profibus的集氣管壓力分布式控制系統(tǒng)可以取得較好的控制效果，同時也可以提高整個集氣管壓力控制系統(tǒng)的可靠性。

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修改稿日期：2013-11-07

Distributed Control System for Collecting Pressure Control Based on Profibus

CHEN Wei1，XING Mei-xiang2
（1.Department of Electrical Engineering and Automation，Luoyang Institute of Science and Technology，Luoyang471023，Henan，China；2.Department of Mechanical Engineering，Luoyang Institute of Science and Technology，Luoyang471023，Henan，China）

A distributed control system was proposed for the collecting pressure control based on the reliable and interoperability of Profibus.The data exchange between the supervisory computer and field devices is implemented by Profibus-DP communication bus.The control system adjusts the suction of blowers to implement stable collecting pressure control by PID frequency conversion algorithm based on the change of collecting pressure.The experience results demonstrate the control system can obtain an enviable control performance in the practical operating conditions，and has a system feature of stability，dependability，expandability.

Profibus；collecting pressure；frequency control；distributed control system

TP273

A

陳偉（1970-），男，博士，副教授，Email：zhnchen@126.com

2013-08-04