現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)在TKT工程中的設(shè)計與應(yīng)用

發(fā)布：2018-12-18 | 點擊：人次

摘要：現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)在TKT工程中的設(shè)計與應(yīng)用資訊由優(yōu)秀的流量計、流量儀生產(chǎn)報價廠家為您提供。一、概述 TKT屬節(jié)能環(huán)保項目，為《高爐煤氣余壓能量回收透平發(fā)電的簡稱。寶鋼集團一鋼公司（以下簡稱為一鋼公司）2500m3高爐TRT工程計算機控制系統(tǒng)由武漢鋼鐵設(shè)計研究總院設(shè)計，。更多的流量計廠家選型號價格報價歡迎您來電咨詢，下面是現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)在TKT工程中的設(shè)計與應(yīng)用文章詳情。

一、概述

TKT屬節(jié)能環(huán)保項目，為《高爐煤氣余壓能量回收透平發(fā)電的簡稱。寶鋼集團一鋼公司（以下簡稱為一鋼公司）2500m3高爐TRT工程計算機控制系統(tǒng)由武漢鋼鐵設(shè)計研究總院設(shè)計，在設(shè)計之初，用戶提出了與常規(guī)TRT控制系統(tǒng)有別的特殊要求：

（1）采用現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS。

（2）在高爐主控制室設(shè)置TRT操作站，以使TRT車間正性產(chǎn)時無人值守。

經(jīng)過近半年的設(shè)計、編程與調(diào)試，該工程于2003年3月順利投產(chǎn)發(fā)電。

二、FCS系統(tǒng)配置

筆者在設(shè)計一鋼公司TRT工程中，根據(jù)煤氣差壓發(fā)電的特點，要求現(xiàn)場總線技術(shù)不僅成熟、可靠，還應(yīng)盡可能為冗余結(jié)構(gòu)，以確保建TRT不影響主體高爐生產(chǎn)。因此通過對多家現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)進行比較篩選，確定采用西門子公司的PROFIBUS、AS-I現(xiàn)場總線的組合以及相應(yīng)的儀表裝置，控制系統(tǒng)采用PCS7。FCS硬件主要由控制站、操作站和連接兩者及對外的通訊總絨構(gòu)成，具體配置如圖1所示。

2.1 控制站

控制站包括主CPU和7個擴展的I/O站（DPll-DPl7）。根據(jù)需要，遠程I/0站（DPl3-17）分散設(shè)置在現(xiàn)場和與TRTT控制室相距600m的高爐主控制室?？刂破骺蓪崿F(xiàn)順序控制、邏輯控制和回路控制，包括邏輯運算、算術(shù)運算以及用于與回路控制有關(guān)的PID調(diào)節(jié)、函數(shù)發(fā)生和斜坡生成等，共有200多個功能塊。為保證系統(tǒng)的高可靠性，控制器CPU（AS 417-4H）、通訊模塊及高速通訊總線為一對一的冗余方式，冗余CPU的快速響應(yīng)及相互切換時間滿足TRT正常生產(chǎn)及安全保護要求。

該工程部分開關(guān)量輸入/輸出設(shè)備隨工藝成套，無總線接口；特殊檢測儀表（如振動測量裝置）輸出仍為4~20mADC模擬信號，故設(shè)計還采用了本地I/O站（DPll、DPl2）和遠程I/O站（DPl3-DPl7）。DPll至DPl7通過PROFIBUS-DP總線連接。

控制器及遠程I/0站的組態(tài)、編程與調(diào)試由操作站/工程師站完成，通過通訊總線進行在線下裝。編程有多種方式，即功能塊、指令表、順控圖和梯形圖等。根據(jù)TRT控制系統(tǒng)特點，這幾種方式可靈活地組合使用。

2.2 操作站

操作站由兩套21＂高分辨率純平彩色顯示器、工業(yè)控制機、打印機等組成。操作站可兼作工程師站用。兩個操作站按要求分別設(shè)置在TRT控制室和高爐主控制室，除《啟動畫面＂內(nèi)容略有不同外，兩個操作站顯示的內(nèi)容和操作方式完全一致。TRT控制室操作站主要作調(diào)試用。監(jiān)控軟件采用SIMATIC PCS7 OS V5.1，它工作在Windows NT平臺上，通過豐富、完善的仿真畫面，實時監(jiān)視從本地及遠程I/0站、PROFIBUS PA與AS-I現(xiàn)場總線系統(tǒng)采集的過程數(shù)據(jù)，同時進行相關(guān)的工藝操作。另外操作站通過編程與組態(tài)，還實現(xiàn)以下主要功能:

·報警功能:監(jiān)控軟件提供的報警日志以毫秒級地記錄事件、信息和報警狀態(tài)，按照報警等級作出相應(yīng)反應(yīng)，并根據(jù)要求進行分類與歸檔或觸發(fā)相關(guān)的動作（如打?。?/p>

·安全功能:監(jiān)控軟件提供的用戶管理器允許設(shè)置用戶多種權(quán)限，針對不同的操作者設(shè)置相應(yīng)的加密等級，記錄操作者重要的操作過程。

·數(shù)據(jù)管理:監(jiān)控軟件提供的標(biāo)簽日志和報表編輯器可以記錄、顯示、打印及拷貝重要參數(shù)的歷史趨勢值，以便于數(shù)據(jù)查找與故障分析。

2.3 通訊總線

通訊總線共用了4種，即工業(yè)以太網(wǎng)、PROFIBUS-DP、PROFIBUS-PA和AS-I。

（1）工業(yè)以太網(wǎng)

用于TRT操作站與控制站、TRT操作站與高爐主控制室操作站之間的通訊連接。Ethernet為開放、高速、冗余的結(jié)構(gòu)，通信速度為l0M/s。兩個操作站之間的通訊采用環(huán)形光纖，距離為600m左右。操作站與控制站之間的通訊采用同軸電纜及相應(yīng)的通訊卡（CP443-1等人環(huán)形光纖與同軸電纜之間采用連接器OLMITP62過渡。操作站和控制站是通過軟件設(shè)置不同的地址號進行識別。

（2） PROFIBUS-DP

ROFIBUS-DP按作用分為兩種，分別與主CPU上DP通訊口和主機架通訊卡（CP443-5）連接。一種用于TKT控制站與本地I/0站（DPll、DPl2）、遠程I/O站（DPl3~DPl7）之間的通訊連接，為冗余結(jié)構(gòu)；另一種用于TRT控制站與Y-LINK之間的通訊連接，Y-LINK之前為冗余結(jié)構(gòu)，之后為非冗余PROFIBUS-PA耦合器。由于遠程I/O站DPl3設(shè)置在有爆炸氣體的危險場所，為防爆型，故與該I/O站相連的PROFIBUS-DP是通過Y-LINK轉(zhuǎn)換后的非冗余結(jié)構(gòu)。另外，與AS-I設(shè)備的連接也是通過Y-LlNK和耦合器實現(xiàn)的非冗余的通訊結(jié)構(gòu)。

控制站訪問本地I/O站和遠程I/O站是通過硬件設(shè)置不同的DP站號進行識別。

（3）PROFlBUS-PA

PROFIBUS-趴為雙芯屏蔽結(jié)構(gòu)的特殊電纜，信號與電源共用，因此可為2線制PA儀表提供工作電源（對于帶PA總線接口的電磁流量計等大功率儀表設(shè)備，需另外設(shè)計工作電源）PA儀表通過DP/PA-耦合器及Y-LINK與PROFIBUS-DP相連，由于PA儀表的工作電源也由DP/PA-禍合器提供（每臺儀表24VDC供電，平均消耗電流為l0mA），通訊速度為31.25Kbps，因此每個耦合器下掛PA儀表的數(shù)量受到很大限制，雖然理論上為32臺，但西門子公司建議為10臺左右。

根據(jù)現(xiàn)場檢測點的分布及遠程I/0站的設(shè)置，設(shè)計采用6根PROFIBUS-PA總線和3對Y-LINK實現(xiàn)PA總線儀表與控制站的通訊。Y-LINK設(shè)置分別為DPl2:1對，DPl4:2對。Y-LINK的站號設(shè)置與PROFIBUS-DP平級，也是通過硬件撥碼完成。西門子公司生產(chǎn)的藕合器是透明的，即揭合器沒有地址號，也不需要對禍合器進行任何組態(tài)。因此，不同的Y-LINK下的PA儀表地址號（在0-126內(nèi)）是可重復(fù)的。

PROFIBUS-PA總線通過專用的T形接頭實現(xiàn)與PA儀表的物理連接。PA總線兩端必須連接專用的終端電阻，以zui大限度的避免電纜上的信號反射，提高傳輸質(zhì)量。

PA總線儀表的測量與控制功能組態(tài)，參數(shù)設(shè)置和狀態(tài)診斷等是由安裝在工程師站的PDM軟件實現(xiàn)的；Y-LINK組態(tài)是由PCS7套裝軟件實現(xiàn)。

（4）AS-I

AS-I是執(zhí)行器一傳感器一接口（Actuator-sensor-Interface）的縮寫，它是一種用來在控制器（主站）和傳感器/執(zhí)行器（從站）之間雙向交換信息的總線網(wǎng)絡(luò)，它屬于現(xiàn)場總線（PROFIBUS等）下面的底層通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。一個AS-I總線系統(tǒng)通過主站中不同類型的網(wǎng)關(guān)，可以與多種現(xiàn)場總線（如FF、CAN-bus等）連接。AS-I總線可以作為:

① 現(xiàn)場總線的一個接點服務(wù)器，在總線下掛一批從站如AS-I模塊。

② 與具有AS-I接口的開關(guān)量傳感器（如接近開關(guān)、料位開關(guān)、壓力開關(guān)、流量開關(guān)等）和執(zhí)行器（如閥門和聲光報警等）通訊。

③ 與具有AS-I接口的模擬量儀表通訊，并同時提供儀表工作電源。

考慮到工程規(guī)模及投資限制，設(shè)計采用①中AS-T現(xiàn)場總線結(jié)構(gòu)。

AS-I主機為DP/ASI LINK20，主機與電源均安裝在與入口水封閥區(qū)域共用的機柜（DPl6）內(nèi)，DP/AST TTNK2O采用非冗余的PROFIBUS-DP總線與透平發(fā)電機區(qū)域機柜遠程I/O（DPl3）相連，再通過Y-LNK和通信模塊與TRT控制室主CPU連接。

DP/ASI LINK20與AS-I模塊（從站）采用特制黃色2芯扁平可反復(fù)穿刺的壓接電纜進行信號雙向通訊；采用特制黑色扁平可反復(fù)穿刺的壓接電纜為模塊提供工作電源。主機與從站的信號電纜長度不超過100m，一個主站下掛從站的數(shù)量不超過31個。

AS-I模塊有2通道、4通道、8通道等多種規(guī)格可選，從AS-I模塊至傳感器采用專用的帶M12接頭的電纜連接，電纜接頭防護等級為IP67，以保證模塊可露天安裝或放置，在惡劣的環(huán)境下工作。

本工程AS-I總線設(shè)備包括開關(guān)量輸入、輸出，模擬量輸入等17個點，設(shè)計采用l根AS-I信號線、l根AS-T電源線和1套LINK20主機實現(xiàn)AS-l與PROFIBUS-DP的通訊，LINK20下掛4個AS-I模塊，其中一個是可為2線制變送器提供電源的模擬量輸入模塊。

AS-I總線設(shè)備測量與控制功能組態(tài)，參數(shù)設(shè)置（包括通訊地址號）和狀態(tài)診斷等是由手持編程終端實現(xiàn)的；LINK20的組態(tài)是由PCS7套裝軟件實現(xiàn)。

三、由FCS實現(xiàn)的主要控制功能介紹

TRT工程控制系統(tǒng)比較復(fù)雜。筆者在FCS中研究開發(fā)了新的＂綜合控制功能軟件＂，它在不改變高爐原有操作方式和操作習(xí)慣、確保高爐正常生產(chǎn)的前提下，實現(xiàn)了輔助系統(tǒng)的準(zhǔn)備控制，主機系統(tǒng)的啟動、升速、并網(wǎng)、升功率、爐頂壓力控制與zui大限度地發(fā)電，高爐減風(fēng)時TRT的電動運行控制，高爐異?；騎KT系統(tǒng)故障時的安全保護控制。除輔助系統(tǒng)在啟動過程中需要操作工干預(yù)外，主機系統(tǒng)的啟停以及運行控制均可由FCS自動實現(xiàn)。

3.1 啟動升速控制

啟動升速控制是在取消了啟動閥的基礎(chǔ)上由FCS控制可調(diào)靜葉實現(xiàn)。當(dāng)選擇自動啟機時，TRT從升轉(zhuǎn)速、投勵磁、升電壓、并網(wǎng)到升功率、高爐爐頂壓力等各控制段都是自動完成的，操作工只須監(jiān)視變化的自動控制過程。

在自動升速過程中，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)會自動地根據(jù)預(yù)存升速曲線并結(jié)合高爐頂壓變化情況產(chǎn)生隨時間變化的轉(zhuǎn)速設(shè)定值，并結(jié)合轉(zhuǎn)速測量值不斷調(diào)節(jié)靜葉開度，直至TRT并網(wǎng)發(fā)電。

3.2 升功率控制

TRT并網(wǎng)后，《綜合控制功能軟件＂的功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)會自動地根據(jù)預(yù)存升功率曲線并結(jié)合高爐頂壓變化情況產(chǎn)生功率設(shè)定值去控制可調(diào)靜葉開度，而且在整個升功率過程中，F(xiàn)CS還進行升功率和高爐爐頂壓力兩個調(diào)節(jié)過程的比較，即當(dāng)高爐頂壓波動較大時，功率控制暫停而使頂壓控制系統(tǒng)起作用；一旦升功率達到預(yù)設(shè)定值，即自動轉(zhuǎn)入高爐爐頂壓力控制。

3.3 爐頂壓力與正常發(fā)電控制

頂壓控制也是由可調(diào)靜葉實現(xiàn)的?？刂苹芈返膲毫y量值與高爐原有爐頂壓力減壓閥組控制回路的測量值是同一信號；而控制回路的壓力設(shè)定值是將高爐原有爐頂壓力減壓閥組控制回路的設(shè)定值經(jīng) ＂綜合控制功能軟件＂運算后得到的。

一鋼公司TRT控制系統(tǒng)在自動啟機和自動停機過程中均參與爐頂壓力控制。TRT在啟機拉煤氣和停機趕煤氣過程中引起的頂壓變化不超過5kPa；在緊急停機瞬間和TRT正常生產(chǎn)時由＂綜合控制功能軟件＂實現(xiàn)的高爐頂壓控制優(yōu)于用戶的技術(shù)要求。

TRT正常發(fā)電控制包括高爐爐頂壓力控制。

3.4 TRT停機控制

由FCS系統(tǒng)實現(xiàn)的停機控制包括手動/自動正常停機和緊急停機，緊急停機貫穿于TRT的所有控制過程中。

（1）正常停機

手動正常停機是靠FCS系統(tǒng)的虛擬操作臺實現(xiàn)。當(dāng)選擇自動正常停機時，TRT側(cè)高爐爐頂壓力調(diào)節(jié)輸出控制可調(diào)靜葉緩慢關(guān)閉，由于高爐側(cè)爐頂壓力調(diào)節(jié)回路始終處于自動控制等待狀態(tài)，可調(diào)靜葉的緩慢關(guān)閉同時使減壓閥組逐漸開大。

TRTT自動正常停機控制既為爐頂壓力控制，又為減電量控制，隨著可調(diào)靜葉慢慢關(guān)小，減壓閥組慢慢打開，當(dāng)發(fā)電機功率達到工藝要求的解列值時，自動發(fā)出解列信號，使發(fā)電機與電網(wǎng)解列，同時自動關(guān)閉緊急切斷閥等，直至系統(tǒng)正常停機結(jié)束。

（2）緊急停機

自動緊急停機是指通過安裝在FCS中的＂綜合控制功能軟件＂實現(xiàn)的一種安全保護控制方式。TRT自動緊急停機條件近30個，當(dāng)出現(xiàn)任一條件時，F(xiàn)CS發(fā)出信號使發(fā)電機與電網(wǎng)解列，同時使緊急切斷閥、可調(diào)靜葉關(guān)閉，旁通快開閥進入前饋調(diào)節(jié)狀態(tài)。前饋控制系統(tǒng)使旁通快開閥打開一定開度，然后進入爐頂壓力調(diào)節(jié)，自動使高爐煤氣從TRT流經(jīng)減壓閥組。如果減壓閥組卡住，完全由旁通快開閥進行的爐頂壓力調(diào)節(jié)直至該閥組恢復(fù)正常；如果減壓閥組慢慢打開，旁通快開閥會在保證爐頂壓力穩(wěn)定的前提下緩慢關(guān)閉，實現(xiàn)緊急停機情況下TRT爐頂壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)與高爐爐頂壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)之間的平穩(wěn)過渡。

緊急停機是在工秒鐘內(nèi)完成的重故障停機，因此除要求計算機控制系統(tǒng)快速響應(yīng)外，還應(yīng)有精確的事故后查找功能。該FCS以毫秒級的事件記錄及打印輸出，讓用戶很方便地查找分析出引起*停機故障的原因。

四、結(jié)語

筆者就本工程的設(shè)計、安裝、調(diào)試及運用情況提出幾點看法:

（1）投資 FCS雖然使控制系統(tǒng)一次投資有所增加，但電纜（該工程信號電纜的總長度不到2400米，而常規(guī)的TRT控制系統(tǒng)信號電纜總長度為16000米左右）等材料費用以及施工安裝費用大大降低。

（2）組態(tài)與調(diào)試就通過安裝在FCS工程師站上的PDM軟件，可非常方便地對現(xiàn)場PA總線儀表進行在線組態(tài)、下載與調(diào)試。除現(xiàn)場溫度變送器外，PA總線儀表還可通過其本身配備的顯示窗口進行地址號設(shè)置或初始化等，因此大大節(jié)省了工作量。

（3）維護通過PDM軟件，可方便地對現(xiàn)場PA總線儀表的過程參數(shù)和診斷狀態(tài)等所有信息進行上載。因此，為采用新型的現(xiàn)場檢測儀表和執(zhí)行裝置的室內(nèi)維護方式和管理模式提供了可能。

（4）設(shè)計在設(shè)計PROFIBUS-PA總線、AS-T總線及其總線儀表時，應(yīng)首先清楚現(xiàn)場總線儀表設(shè)備的分布情況，這樣才能正確設(shè)計DP/PA偶合器、AS-T主機的數(shù)量及安裝位置，準(zhǔn)確計算出PROFIBUS-PA總線、AS-I總線的電纜長度。在這方面，完全有別于常規(guī)設(shè)計。

在TRT生產(chǎn)時，由FCS代替高爐控制系統(tǒng)實現(xiàn)的爐頂壓力調(diào)節(jié)穩(wěn)定，而且發(fā)電功率在800OkW左右（預(yù)計兩年內(nèi)即可回收工程投資，不僅回收大量的能量，同時降低了噪聲帶來的環(huán)境污染，為用戶取得了很好的經(jīng)濟效益。作為一鋼公司的樣板工程，還為當(dāng)時在建的大型不銹鋼工程采用現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)提供了很好的借鑒。

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