舞鋼1 260 m3 高爐電氣自動化控制系統(tǒng)的優(yōu)化實踐
劉靜 竇心愿 曾現(xiàn)龍
( 舞陽鋼鐵有限責(zé)任公司)
摘要:介紹舞鋼公司1 260 m3 高爐建設(shè)初期在電氣自動化控制系統(tǒng)方面存在的主要問題，對這些問題進(jìn)行分析并制定改造方案，通過硬件網(wǎng)絡(luò)線路重新構(gòu)建和軟件程序優(yōu)化，實現(xiàn)了控制系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，保證了1260 m3 高爐的安全、穩(wěn)定生產(chǎn)。
關(guān)鍵詞: 1260 m3 高爐 網(wǎng)絡(luò) 抗干擾 接地 自鎖 優(yōu)化
0 前言
舞鋼公司的1 260 m3 高爐煉鐵項目于2014年3 月投產(chǎn)，該項目主要分為高爐、原料、礦槽( 槽上和槽下) 、燒結(jié)、噴煤、脫硫等6 個區(qū)域。其中高爐區(qū)生產(chǎn)鐵水，原料區(qū)通過皮帶機(jī)為其余區(qū)域提供焦炭、礦粉等原材料，礦槽區(qū)為高爐上料，燒結(jié)區(qū)進(jìn)行礦粉初步加工，噴煤區(qū)為高爐提供標(biāo)準(zhǔn)煤粉，以提高煤的利用率，脫硫系統(tǒng)處理尾氣。
以上6 個區(qū)域各有一套獨立的PLC 控制系統(tǒng)，除脫硫區(qū)的控制系統(tǒng)以外，其他區(qū)域均采用DP 總線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，現(xiàn)場所有采集數(shù)據(jù)都通過PROFIBUS_DP 網(wǎng)線從宜科模板傳輸?shù)絇LC 柜內(nèi)CPU 模板，CPU 的控制數(shù)據(jù)也通過PROFIBUS_DP網(wǎng)線傳輸?shù)揭丝颇０澹詫崿F(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備控制。但是由于現(xiàn)場環(huán)境惡劣，PROFIBUS_DP 總線工作不穩(wěn)定，頻繁出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通訊閃斷現(xiàn)象，其中高爐區(qū)和礦槽區(qū)閃斷現(xiàn)象最為嚴(yán)重，有時一天閃斷幾十次，直接影響高爐上料作業(yè)，無法實現(xiàn)安全穩(wěn)定生產(chǎn)。為了根除高爐區(qū)和礦槽區(qū)PROFIBUS_DP 網(wǎng)絡(luò)閃斷問題，同時解決1 260 m3 高爐自建設(shè)初期以來一直存在的其他問題，降低控制風(fēng)險，舞鋼公司對高爐區(qū)和礦槽區(qū)電氣自動化系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化改造。
1 改造的必要性
1 260 m3 高爐采用施耐德公司高端昆騰系列PLC 控制系統(tǒng)，很高的自動化程度實現(xiàn)了高爐集中控制，提高了工作效率，但是卻導(dǎo)致設(shè)備運(yùn)行過分依賴PLC 控制系統(tǒng)。PLC 系統(tǒng)作為工業(yè)自動化控制的核心，一旦出現(xiàn)故障就有可能導(dǎo)致整個高爐系統(tǒng)癱瘓，造成生產(chǎn)中斷，影響整個公司的生產(chǎn)。
高爐區(qū)和礦槽區(qū)的控制系統(tǒng)就是一個典型范例。在高度集中控制的背景下，暴露出PLC 控制系統(tǒng)的故障風(fēng)險。高爐投產(chǎn)接近第4 個月時，故障集中性爆發(fā)，譬如，礦槽PLC 底板損壞，高爐區(qū)和礦槽區(qū)信號經(jīng)常性中斷，編碼器不穩(wěn)定造成旋轉(zhuǎn)溜槽、探尺、傾動設(shè)備不能正常工作等，給高爐生產(chǎn)帶來不利影響。
綜合考慮以上因素后，生產(chǎn)單位認(rèn)為必須對高爐區(qū)和礦槽區(qū)的電氣自動化控制系統(tǒng)實施優(yōu)化改造，以滿足公司對高爐穩(wěn)定生產(chǎn)的迫切要求。由于高爐區(qū)和礦槽區(qū)是煉鐵生產(chǎn)工序的關(guān)鍵所在，所以優(yōu)先計劃這兩個區(qū)域的優(yōu)化改造。
2 原設(shè)計和安裝施工存在的問題
2． 1 網(wǎng)絡(luò)方案
爐頂和礦槽上料生產(chǎn)的自動化控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)原設(shè)計為DP 總線，由于施工不規(guī)范，信號和電氣系統(tǒng)地線布置連接混亂，容易引入干擾源，另外，現(xiàn)場環(huán)境存在粉塵、強(qiáng)電等干擾，這些都對現(xiàn)場信號產(chǎn)生不利影響，經(jīng)常導(dǎo)致現(xiàn)場信號中斷。現(xiàn)場所有設(shè)備在總線中屬于串聯(lián)結(jié)構(gòu)，某個環(huán)節(jié)一旦中斷，將會造成后面所有設(shè)備中斷。
2． 2 電源引入干擾
由于高爐自動化控制系統(tǒng)的供電均來自電網(wǎng)，而電網(wǎng)覆蓋范圍廣，空間電磁干擾導(dǎo)致線路形成感應(yīng)電壓，網(wǎng)絡(luò)繼而產(chǎn)生感應(yīng)電流，尤其是電網(wǎng)內(nèi)部也會發(fā)生變化，此類電源引入干擾造成的自動化控制系統(tǒng)故障很多，例如開關(guān)操作浪涌、大型電機(jī)設(shè)備啟動、交直流轉(zhuǎn)動裝置等引起的諧波以及電網(wǎng)短路暫態(tài)沖擊等，都有可能通過電路傳到電源開關(guān)側(cè)，從而造成信號失真。
2． 3 自動化控制系統(tǒng)設(shè)計缺陷
高爐區(qū)和礦槽區(qū)的自動化控制系統(tǒng)由某冶金設(shè)計院設(shè)計，采用了高度自動化控制的理念，完全拋棄了現(xiàn)場手動控制。現(xiàn)場設(shè)備只能經(jīng)過PLC控制，沒有手動控制回路，機(jī)旁手動控制裝置不能使用，一旦PLC 控制系統(tǒng)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中斷之類的問題，現(xiàn)場設(shè)備將無法運(yùn)行，只有等待網(wǎng)絡(luò)修復(fù)。
2． 4 現(xiàn)場操作箱和PLC 系統(tǒng)電源混亂
技術(shù)規(guī)范要求現(xiàn)場由配電室供電，而PLC 室內(nèi)電源主要用于控制，二者不可交叉使用，但高爐區(qū)和礦槽區(qū)的控制系統(tǒng)則沒有區(qū)分，存在交叉供電現(xiàn)象，甚至從同一個UPS 引出電源，UPS 設(shè)備一旦出現(xiàn)故障，現(xiàn)場操作箱和整個PLC 控制回路都將失去供電，導(dǎo)致設(shè)備不能運(yùn)行。
2． 5 上料主皮帶機(jī)無自鎖功能
原設(shè)計上料皮帶機(jī)沒有自鎖功能，輸入和輸出信號由于干擾原因經(jīng)常中斷，上料主皮帶機(jī)自動停止運(yùn)轉(zhuǎn)，高爐上料受到影響。開關(guān)故障、電源干擾等都有可能造成皮帶機(jī)不能正常運(yùn)行。要解決這個問題，需要從軟件和硬件2 個方面進(jìn)行改造，保證主皮帶機(jī)運(yùn)行不受影響。
2． 6 電氣自動化控制系統(tǒng)的地線布置連接混亂
按照技術(shù)規(guī)范要求，電氣自動化控制系統(tǒng)的地線應(yīng)該隔斷，但是整個鐵廠控制系統(tǒng)電氣設(shè)備和自動化設(shè)備的地線連接沒有分開，控制系統(tǒng)地線連接混亂，容易對控制信號產(chǎn)生干擾。例如，當(dāng)進(jìn)行現(xiàn)場焊接時，地線連接到電氣設(shè)備的地線上，而電氣設(shè)備和自動化設(shè)備的地線又連在一起，這樣容易將強(qiáng)電流引入控制回路而損壞PLC 設(shè)備，礦槽區(qū)曾經(jīng)因此燒壞2 個DP HUB 的24 V 電源，引起網(wǎng)絡(luò)中斷。另外，控制系統(tǒng)對外界的交流和諧波的抗干擾能力弱，時常受到電氣信號以及其他不明信號的干擾，經(jīng)常在PLC 指令發(fā)出時，出現(xiàn)繼電器失控或者信號沒有傳送到設(shè)備的情況，使數(shù)字顯示不穩(wěn)定，計算機(jī)發(fā)出誤動作命令。
2． 7 現(xiàn)場金屬粉塵引起信號干擾
與自動化控制系統(tǒng)連接的各類信號傳輸線在傳輸有效信號時，總有外部干擾信號侵入。干擾引入主要有2 個途徑:
( 1) 變送器或公用信號儀表供電電源竄入的電網(wǎng)干擾，但往往被忽略。
( 2) 信號線受空間電磁輻射感應(yīng)、現(xiàn)場粉塵以及信號線的外部感應(yīng)干擾。信號干擾會引起DP 網(wǎng)絡(luò)中斷、DP HUB 不正常工作甚至燒壞。對于隔離性能差的系統(tǒng)，信號之間相互干擾，供電系統(tǒng)和信號系統(tǒng)接地線串聯(lián)，常常造成控制系統(tǒng)誤動作、信號中斷、死機(jī)、邏輯數(shù)據(jù)變化或輸出不到位。自動控制系統(tǒng)因信號引入干擾而導(dǎo)致I /O 模板底板損壞，因而發(fā)生的系統(tǒng)故障比較多，例如編碼器不穩(wěn)定，采集的數(shù)值不能正常使用，造成旋轉(zhuǎn)溜槽、探尺、傾動設(shè)備不能正常工作［1］。
3 技術(shù)優(yōu)化改造方案的思路及其具體內(nèi)容
3． 1 總體思路
根據(jù)設(shè)備運(yùn)行過程中隱患發(fā)生的部位和特征，了解各種干擾源和干擾形式，采取有效措施保證系統(tǒng)可靠運(yùn)行，摒棄慣性思維，完善電氣系統(tǒng)保護(hù)措施，并充分利用現(xiàn)有設(shè)備和成熟技術(shù)，通過優(yōu)化改造和創(chuàng)新設(shè)計，真正實現(xiàn)高爐穩(wěn)定和高產(chǎn)運(yùn)行。
3． 2 具體優(yōu)化改造內(nèi)容
3． 2． 1 針對DP 總線方式的通訊網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化高爐區(qū)PLC 控制系統(tǒng)的原有網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)如圖1所示。
由圖1 可以看到，高爐區(qū)的現(xiàn)場操作箱由Profibus_DP 總線串聯(lián)進(jìn)入PLC 柜，這種串聯(lián)方式存在弊端，即如果其中某一個操作箱的連接中斷，勢必造成后面所有操作箱的連接全部中斷，一個設(shè)備的故障將會影響其他設(shè)備不能正常運(yùn)行。高爐區(qū)PLC 控制系統(tǒng)改造后的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)如圖2 所示。
由圖2 可以看出，高爐區(qū)改造后的網(wǎng)絡(luò)直接拋棄原設(shè)計的DP 總線，現(xiàn)場操作箱的信號均采用電纜傳輸，直接進(jìn)入新增PLC 柜內(nèi)的I /O 模板，避免了通訊干擾，且操作箱內(nèi)的信號與模板上的通道對應(yīng)，某一個信號通訊中斷不會影響到其他信號，可以保證高爐信號正常傳輸。礦槽區(qū)和高爐區(qū)網(wǎng)絡(luò)的改造基本類似。
3． 2． 2 針對電源引入干擾進(jìn)行的改進(jìn)
將現(xiàn)場和控制柜的電源分開，獨立供電，對UPS 電源進(jìn)行監(jiān)控。自動電源采取隔離方式，可以最大限度減小供電電網(wǎng)帶來的干擾。實際上，由于隔離電路中存在分步參數(shù)和分步電容，絕對隔離難以實現(xiàn)，只能減小電路干擾。
3． 2． 3 自動化控制系統(tǒng)功能完善
原設(shè)計現(xiàn)場操作箱不具備手動操作功能，全部更換為帶有自動、手動切換功能的操作箱，高爐區(qū)和礦槽區(qū)共更換85 個現(xiàn)場操作箱，原操作箱內(nèi)的控制線和信號線全部移植到新操作箱，軟件程序也加入自動、手動切換功能，從而實現(xiàn)了現(xiàn)場手動控制，使現(xiàn)場設(shè)備在自動控制回路出現(xiàn)故障后仍可以繼續(xù)運(yùn)行。
3． 2． 4 現(xiàn)場操作箱和PLC 系統(tǒng)電源混亂整改
對現(xiàn)場供電和PLC 供電UPS 分離，重新規(guī)劃電源，將現(xiàn)場操作箱內(nèi)的電源全部改為從低壓配電室引出，PLC 系統(tǒng)的電源全部由UPS 供電，從而消除了供電故障隱患。
3． 2． 5 上料主皮帶機(jī)控制柜新增自鎖功能
從軟件和硬件2 個方面同時進(jìn)行改造，在控制柜內(nèi)增加了自鎖功能，避免了通訊閃斷，使主皮帶機(jī)得以穩(wěn)定運(yùn)行。
3． 2． 6 電氣自動化系統(tǒng)地線重新布置連接
接地是提高電子設(shè)備電磁兼容性的有效手段之一，正確的接地既能抑制電磁干擾的影響，又能避免設(shè)備向外發(fā)出電磁干擾信號; 錯誤的接地會引入嚴(yán)重的干擾信號，使自動化控制系統(tǒng)無法正常工作。自動化控制系統(tǒng)的地線包括系統(tǒng)接地、屏蔽接地、交流接地和保護(hù)接地等。接地系統(tǒng)混亂對系統(tǒng)的干擾主要是各個接地點電位分布不均，不同接地存在電位差，引起大地環(huán)路電流，影響系統(tǒng)正常工作。例如礦槽電纜屏蔽必須一端接地，如果A/B 兩端都接地就存在地電位差，有電流通過屏蔽層，當(dāng)進(jìn)行電焊和發(fā)生雷擊時，地線電流更大。此外，屏蔽層、接地線、電氣接地和大地都有可能構(gòu)成閉合回路，在磁場變化和粉塵的作用下，屏蔽層內(nèi)出現(xiàn)電流，影響線路正常工作，若系統(tǒng)接地和其他接地混亂，所產(chǎn)生的環(huán)電流可能在線路上產(chǎn)生不等位電壓，影響邏輯判斷和模擬電路的正常工作。自動化控制系統(tǒng)工作的邏輯電壓干擾容限較低，邏輯地電位的分布干擾容易影響系統(tǒng)的邏輯運(yùn)算和數(shù)據(jù)存儲，造成數(shù)據(jù)混亂，程序死機(jī)，模擬量信號精度下降，引起信號測控的嚴(yán)重失真和誤動作，造成的后果以礦槽和高爐爐頂最為嚴(yán)重。
針對這種情況，在礦槽區(qū)采取槽上和槽下控制分離措施，即槽上和槽下各自擁有一套獨立的控制系統(tǒng)，而在這兩套相互獨立的控制系統(tǒng)中又把電氣系統(tǒng)接地和自動化系統(tǒng)接地徹底分開，將24 V 電源進(jìn)行分離，高爐區(qū)電氣系統(tǒng)和自動化系統(tǒng)的接地也徹底分開。
3． 2． 7 現(xiàn)場金屬粉塵引起信號干擾
對現(xiàn)場控制線路進(jìn)行重新整理，增加UPS 電源數(shù)量，更換不合格UPS 電源; 合理分布電源容量; 現(xiàn)場的操作箱進(jìn)行接地保護(hù)，并且全部密封，保證粉塵不能進(jìn)入操作箱，減少了操作箱內(nèi)的信號干擾，從而保證信號正常傳輸。
4 應(yīng)用實踐
在不影響鐵廠生產(chǎn)的情況下，礦槽區(qū)和高爐區(qū)的電氣自動化控制系統(tǒng)設(shè)備的改造已經(jīng)完成90%，其余部分設(shè)備的改造利用休風(fēng)時間也在穩(wěn)步進(jìn)行中。雖然改造還沒有完成，但是已改造部分的優(yōu)勢得到充分顯現(xiàn)。礦槽和高爐在改造前幾乎每天都要發(fā)生幾十次控制閃斷，而現(xiàn)在只是偶爾發(fā)生，槽下4 個礦倉至今運(yùn)行正常，干擾得到很大程度地減輕，保證了高爐上料系統(tǒng)的正常運(yùn)行。
5 結(jié)語
通過此次優(yōu)化改造，舞鋼公司1 260 m3 高爐電氣自動化控制系統(tǒng)由高度集中的自動化控制改為自動與手動控制相結(jié)合，具有高度靈活性; 在信號方面進(jìn)行系統(tǒng)歸類，接地統(tǒng)一規(guī)劃，電源容量統(tǒng)一布置，為高爐的其他改造打下堅實的基礎(chǔ)，可靠的信號和網(wǎng)絡(luò)支持保證了煉鐵生產(chǎn)的順行。
參考文獻(xiàn)
1 王筱留． 鋼鐵冶金學(xué)( 煉鐵部分) ，冶金出版社，1991．劉靜，女， 2004 年畢業(yè)于內(nèi)蒙古科技大學(xué)測控技術(shù)與儀器儀表專業(yè)，工程師。