现场总线PROFIBUS在酒钢（集团）炼钢厂自动化控制中的应用 - 李德平工控博客技术论文

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现场总线PROFIBUS在酒钢（集团）炼钢厂自动化控制中的应用

发表评论（20）作者：李德平发布时间：2009年1月11日

    现场总线PROFIBUS在酒钢（集团）炼钢厂自动化控制中的应用
    酒钢（集团）宏兴炼钢二工序自动化控制系统中现场总线应用
    根据酒钢泉钢铁（集团）有限责任公司“十五”发展规划，拟新建200万t热轧薄板工程，采用高炉铁水¾铁水预脱硫处理¾顶底复吹转炉¾钢水二次精炼¾薄板坯连铸连轧或中厚板坯连铸机的先进生产工艺流程，新增200万t热轧薄板。按照酒钢总体发展规划，酒钢将形成总体年产400万t钢规模，现有生产系统已达年产200万t综合能力；由于现有老系统改造受到诸多因素限制，难以适应将来的发展及品种钢生产要求，根据酒钢新增200万t热轧薄板工程铁钢项目要求，老系统适当缩小生产能力，新增200万t热轧薄板工程项目与老系统（一炼钢车间）改造统一考虑。本设计炼钢连铸车间综合考虑，炼钢拟建转炉炼钢—精炼—薄板坯连铸连轧两条生产线，年产～204万t合格薄板坯供给轧机生产板材，另建转炉炼钢—车间。酒钢200万吨热轧薄板工程铁钢项目炼钢转炉工程按照一次性总体设计，2005年陆续建成投产原则进行。本工程设计范围为炼钢主厂房墙皮1m内的生产设施，主要包括：1座1300t混铁炉,2套铁水脱硫装置，3座120t顶底复吹转炉，3座120t LF精炼炉及其车间内配套的公辅设施，转炉车间及常规板坯连铸车间主厂房及其吊车。
    副原料上料系统，转炉一次除尘系统，转炉二次除尘系统，LF精炼炉及铁合金加料系统、混铁炉及铁水脱硫的除尘系统包含在本工程范围内。炼钢配套设施主要有：10kV开关站、车间供配电中心、电气室、通风除尘设施、汽化冷却设施、车间内机修设施、厂内电讯、检化验设施、土建工程等。
    整个炼钢车间的自动化控制系统控制系统分成2级，基础自动化级L1及过程控制级L2，并包括了部分生产调度和信息管理功能。
    三电一体化的控制系统对混铁炉、铁水脱硫、转炉、LF炉的过程数据进行采集、监视和控制，通过软件组态编程实现适用于过程控制所必要的全部监控功能。计算机系统由过程控制计算机系统（混铁炉、铁水预处理、转炉、LF炉）、分析计算机系统、生产调度和信息管理计算机系统组成。通过数台服务器、PC终端、打印机和网络交换机等设备组成炼钢厂计算机系统局域网，使炼钢厂信息数据共享，实现炼钢厂信息数据不落地传递。本系统与其他系统通信的硬件交接点为本系统的中心交换机端口处。留有与连铸系统、生产指挥中心等的软、硬件接口和交易中心的硬件接口。三电控制系统使用CRT画面进行操作监视和管理。数据采集、控制用I/O数量留有10%—15%富裕量。
    基础自动化控制系统主要由PLC、操作员终端（HMI）、工程师站、打印机、控制总线、现场总线及I/O等设备组成。基础自动化系统主要具有现场数据采集、过程回路控制、设备顺序控制、设备运转操作监视、故障报警等功能。每个子系统由一台或多台PLC控制器、HMI操作站及数据通讯总线组成，且各主工艺控制系统与二级过程计算机系统通信。
    炼钢电气系统采用全交流传动，有变频调速和不调速两种方式。转炉氧枪和转炉倾动采用矢量控制变频器，对一般调速要求设备，采用V/F控制变频器，对不调速方式采用全压起动。操作方式设手动操作方式、半自动方式和自动操作方式。主工艺线上设备采用PLC控制方式；线外设备及个别辅助设备采用接触器-继电器控制方式。
    自动化仪表采用现场总线控制。混铁炉、铁水预处理、转炉、LF炉的现场仪表采用现场总线通讯方式将信号送至基础自动化系统进行集中监控。选用智能仪表测量压力、流量、温度、料位等过程变量。仪表供电来自于电气的配电系统, 仪表的电源电压为单相交流220V 50HZ。对重要控制回路，仪表设备设置在线UPS电源，仪表气源单独设计,按照酒钢要求采用氮气，气源压力为0.6MPa~0.8MPa。主要仪表监控画面有：运转条件检查画面、整体监控画面、运行监视画面、生产管理画面、参数设定画面、控制回路画面、实时及历史趋势画面、报警总览画面等。具有安全联锁及报警、过程信息记录及报表等功能。铁水预处理、转炉、精炼炉等各项设施的检测控制项目详见有关章节说明。
    过程控制计算机系统控制范围从主原料、副原料进入本炼钢厂开始，经铁水脱硫、转炉冶炼、LF炉精炼为止。主要完成生产计划的接收和管理、数据库管理、数据收集、数学模型计算、物流跟踪、数据设定、生产报表打印及数据通信等功能。每个子系统由服务器和PC机、打印机以及相关的网络设备组成, 各个子系统分别与各子系统的基础自动化系统相连，并相互连网，可互相通信。本系统预留与上一级管理机接口。




    1. 现场总线PROFIBUS在工厂自动化系统中的位置一个典型的工厂自动化系统应该是三级网络结构。基于现场总线PROFIBUS-DP/PA控制系统位于工厂自动化系统中的底层，即现场级与车间级。现场总线PROFIBUS是面向现场级与车间级的数字化通信网络。如下图3-1所示：

    图3-1：PROFIBUS是面向现场级与车间级的数字化通信网络
    (1) 现场设备层：主要功能是连接现场设备，如分散式I/O、传感器、驱动器、执行机构、开关设备等，完成现场设备控制及设备间连锁控制；如一台加工设备控制、一条装配输送线或一条生产线上现场设备之间的连锁控制。主站（PLC、PC机或其它控制器）负责总线通信管理及所有从站的通信。总线上所有设备生产工艺控制程序存储在主站中，并由主站执行。(2) 车间监控层：车间级监控用来完成车间主生产设备之间的连接，如一个车间三条生产线主控制器之间的连接, 完成车间级设备监控。车间级监控包括生产设备状态在线监控、设备故障报警及维护等。通常还具有诸如生产统计、生产调度等车间级生产管理功能。车间级监控通常要设立车间监控室，有操作员工作站及打印设备。车间级监控网络可采用PROFIBUS-FMS，它是一个多主网，这一级数据传输速度不是最重要的，而是要能够传送大容量信息。(3) 工厂管理层：车间操作员工作站可通过集线器与车间办公管理网连接，将车间生产数据送到车间管理层。车间管理网作为工厂主网的一个子网。子网同过交换机、网桥或路由等连接到厂区骨干网，将车间数据集成到工厂管理层。如下图3-2所示。

    图3-2
    车间管理层采用通常所说的以太网，即IEC802.3、TCP/IP的通信协议标准。厂区骨干网可根据工厂实际情况，采用如FDDI或ATM等网络。


    2. 现场总线PROFIBUS控制系统组成2.1. 一类主站一类主站指PLC、PC或可做一类主站的控制器。一类主站完成总线通信控制与管理。2.2. 二类主站二类主站指操作员工作站（如PC机加图形监控软件）、编程器、操作员接口等。完成各站点的数据读写、系统配置、故障诊断等。2.3 从站(1) PLC（智能型I/O）：PLC可做PROFIBUS上的一个从站。PLC自身有程序存储，PLC的CPU部分执行程序并按程序指令驱动I/O。做为PROFIBUS主站的一个从站，在PLC存储器中有一段特定区域作为与主站通信的共享数据区。主站可通过通信间接控制从站PLC的I/O。(2) 分散式I/O（非智能型I/O）：通常由电源部分、通信适配器部分、接线端子部分组成。分散式I/O不具有程序存储和程序执行，通信适配器部分接收主站指令，按主站指令驱动I/O，并将I/O输入及故障诊断等信息返回给主站。通常分散型I/O是由主站统一编址，这样在主站编程时使用分散式I/O与使用主站的I/O没有什么区别。(3) 驱动器、传感器、执行机构等现场设备：即带PROFIBUS接口的现场设备，可由主站在线完成系统配置、参数修改、数据交换等功能。至于那些参数可进行通信及参数格式由PROFIBUS行规决定。


    3. 现场总线PROFIBUS控制系统配置的几种形式3.1 根据现场设备是否具备PROFIBUS接口可分为三种形式(1) 总线接口型: 现场设备不具备PROFIBUS接口，采用分散式I/O作为总线接口与现场设备连接。这种形式在应用现场总线技术初期容易推广。如果现场设备能分组，组内设备相对集中，这种模式会更好地发挥现场总线技术的优点。见图3-3：

    图3-3：采用分散式I/O作为总线接口与现场设备连接
    (2) 单一总线型: 现场设备都具备PROFIBUS接口。这种一种理想情况。可使用现场总线技术，实现完全的分布式结构，可充分获得这一先进技术所带来的利益。新建项目可能具有这种条件，就目前来看，这种方案设备成本会较高。见图3-4：

    图3-4：现场设备都具备PROFIBUS接口
    (3) 混合型：现场设备部分具备PROFIBUS接口。这将是一种相当普遍的情况。这时应采用PROFIBUS现场设备加分散式I/O混合使用的办法。无论是旧设备改造还是新建项目，希望全部使用具备PROFIBUS接口现场设备的场合可能不多，分散式I/O可作为通用的现场总线接口，是一种灵活的集成方案。见图3-4。

    图3-4：混合型
    3.2 根据实际应用需要的几种系统结构类型根据实际需要及经费情况，通常有如下几种结构类型：(1) 结构类型1: 以PLC或控制器做一类主站，不设监控站，但调试阶段配置一台编程设备。这种结构类型，PLC或控制器完成总线通信管理、从站数据读写、从站远程参数化工作。如图3-5所示。

    图3-5：结构类型1
    (2) 结构类型2: 以PLC或控制器做一类主站，监控站通过串口与PLC一对一的连接。这种结构类型，监控站不在PROFIBUS网上，不是二类主站，不能直接读取从站数据和完成远程参数化工作。监控站所需的从站数据只能从PLC或控制器中读取。如图3-6所示。

    图3-6: 结构类型2
    (3) 结构类型3: 以PLC或其它控制器做一类主站，监控站（二类主站）连接PROFIBUS总线上。这种结构类型，监控站在PROFIBUS网上作为二类主站，可完成远程编程、参数化及在线监控功能。如图3-7所示。

    图3-7：结构类型3
    (4) 结构类型4: 使用PC机加PROFIBUS网卡做一类主站，监控站与一类主站一体化。这是一个低成本方案，但PC机应选用具有高可靠性、能长时间连续运行的工业级PC机。对于这种结构类型，PC机故障将导致整个系统将瘫痪。另外，通信模板厂商通常只提供一个模板的驱动程序，总线控制、从站控制程序、监控程序可能要由用户开发，因此应用开发工作量可能会比较大。如图3-8所示。

    图3-8：结构类型4
    (5) 结构类型5: 坚固式PC机（COMOPACT COMPUTER）+P　