PROFIBUS-DP遠程智能從站技術在高爐爐頂上料控制系統的改造與實現

馬王君  彭雅璐

（陜鋼集團漢中鋼鐵有限責任公司）

摘要：高爐布料裝置是煉鐵生產中的重要設備，布料的準確性直接影響爐內還原反應效率和爐況穩定，其爐頂控制系統控制爐頂液壓站、擋料閥、上密封閥、料流閥、下密封閥、均壓閥、放散閥、布料器、溫度檢測、壓力檢測等設備，確保這些設備的正常運行，是保障高爐生產穩定順行的基石。相應控制系統控制部分設在爐底配電室PLC柜，輸入信號和輸出信號都需通過200米做有點電纜傳輸。隨著電氣元件及其線路的老化，壓降、信號干擾、軟故障、故障頻發等問題，造成高爐休風事故（發生煤氣爆炸和煤氣中毒故），嚴重影響高爐的正常安全生產。因此深入研究串罐無料鐘爐頂上料控制系統的PROFIBUS-DP遠程智能從站技術特點，通過現場I/O和光纖替代數量巨大的控制線路，杜絕由于控制部分故障造成的高爐休風事故，對于維持高爐順行、降低高爐能耗均具有決定性的作用。

關鍵字：上料控制系統；PROFIBUS-DP；PLC從站；光纖通信

1  高爐上料系統簡介

高爐布料裝置是煉鐵生產中的重要設備，布料的準確性直接影響爐內還原反應效率和爐況穩定，尤其是在超大高爐布料系統，陜鋼集團漢中鋼鐵股份有限責任公司1#高爐采用無料鐘串罐式爐頂，其爐頂控制系統為西門子S7-400H冗余控制系統，控制爐頂液壓站、擋料閥、上密封閥、料流閥、下密封閥、均壓閥、放散閥、布料器、溫度檢測、壓力檢測等設備，確保這些設備的正常運行，是保障高爐生產穩定順行的基石。相應控制系統控制部分設在爐底配電室PLC柜，輸入信號和輸出信號都需通過200米做有點電纜傳輸。隨著電氣元件及其線路的老化，壓降、信號干擾、軟故障、故障頻發等問題，造成高爐休風事故（發生煤氣爆炸和煤氣中毒故），嚴重影響高爐的正常安全生產。因此深入研究串罐無料鐘爐頂上料控制系統的PROFIBUS-DP遠程智能從站技術特點，通過現場I/O和光纖替代數量巨大的控制線路，杜絕由于控制部分故障造成的高爐休風事故，對于維持高爐順行、降低高爐能耗均具有決定性的作用。

2  原系統存在的問題

西門子PLC  S7-400H系統，設置在爐底配電室PLC柜，輸入信號和輸出信號都需通過200米做有點電纜傳輸，隨著電氣元件及其線路的老化，壓降、信號干擾、軟故障、故障頻發等問題， 1#高爐爐頂上料控制系統主要由以下幾部分組成：①油泵控制回路；②液壓站現場檢測及保護系統；③密封擋料系統（包含擋料閥、上密封閥、下密封閥、均壓、放散等現場執行機構）；④料流調節控制系統等四部分組成，這幾部分之間電氣線路互為交叉，任何一個點出現問題（如繼電器觸點接觸不良），將影響整個控制回路不能正常工作，高爐上料中斷。原電氣控制系統整體設計冗繁，外部繼電器控制線路復雜，故障頻繁，且故障排查、處置起來費時、費力，隨著電氣控制系統電纜線路及電氣元器件的老化，同時1#高爐自控系統較為落后，程序設計繁瑣漏洞多、可讀性差，對1#高爐的正常生產造成較大隱患。       

3  PROFIBUS-DP遠程智能從站技術在高爐爐頂上料控制系統的改造與實現和具體方案的實施

此次改造在優化原控制系統的基礎上采用PROFIBUS-DP遠程智能從站技術，在高爐爐頂設置西門子PLC從站，由光纖通信替代繁瑣的控制線路。Profibus的傳輸速率為9.6K～12Mbps，最大傳輸距離在9.6K~187.5Kbps時為1000m，500Kbps時為400m，1500Kbps時為200m，3000K~12000Kbps時為100m，可用中繼器延長至10km。其傳輸介質可以是雙絞線，也可以是光纜，最多可掛接127個站點。PROFIBUS-DP遠程智能從站技術,解決了分散控制機其遠程控制中控制線路長，故障點多等問題。利用OLM光纖鏈路模塊將Profibus-DP信號轉換為光電信號，利用光纖遠距離傳輸，達到遠程穩定控制的效果。

高爐爐頂設置西門子PLC分站10號站，爐頂10號分站置于液壓站旁的PLC室內，PLC室的防塵和降溫都做了處理確保PLC系統的使用環境；在原8號站和9號站之間增加雙光口OLM（OLM光纖鏈路模塊）模塊兩塊，并有不同路線輻射兩根4芯多模光纖到爐頂10號分站，爐底和爐頂四塊OLM組成雙冗余網絡；分站下組態模塊為冗余IM153-2模塊型號6ES7 153-2BA10-0xB0,兩塊IM153-2模塊互為冗余，一路通信出現問題，直接切換到另一路使用；分站使用背板總線模塊，支持模塊熱插拔；其中SM模塊有4塊32位數字量輸入模塊其型號為6SE7 321-1BL00-0AA0、2塊32位數字量輸出模塊其型號為66SE7 322-1BL00-0AA0、1塊8通道熱電阻模塊其型號為6SE7331-7PF01-0AB0、3塊8通道模擬量輸出模塊其型號為 6SE7 331-7KF02-OABO、1塊8通道模擬量輸出模塊其型號為6SE7 332-5HF00-0AB0.為確保信號的穩定性和可靠性，數字量輸入和數字量輸出信號均經過柜內中繼，模擬量輸入和模擬量輸出信號均安裝信號隔離器。

                         圖1  10號分站硬件組態

自動化控制系統為西門子S7-400H系統，使用編程軟件為STEP5.5SP4,HMI使用的西門子WINCC7.0.進行硬件組態，組態IM153-2模塊6ES7 153-2BA10-0xB0時需下載最新硬件更新包在HW Config——選項——安裝HW更新中完成硬件更新。組態IM153-2模塊設置PROFIBUS-DP地址為10，波特率為1.5Mbps。

圖2  10號站的設置

在10號分站設置PLC柜、中繼柜、液壓站控制柜，利用PROFIBUS-DP遠程智能從站技術爐頂設備信號直接進入10號分站；增加爐頂液壓系統的信號檢測，把壓力、溫度、液位等數據顯示到HMI，并根據工藝要求設置各報警點。優化原控制系統，重新對爐頂上料控制系統設計、施工、程序編寫及其打點調試，結合以往故障原因，做到最優設計。增加狀態診斷功能，能清楚的監控的設備的運行狀況和運行情況。通過改造后，原復雜的外部控制系統得到精簡優化，液壓站傳感器檢測及保護系統得到完善、程序優化消除漏洞和優化控制、狀態診斷系統的增加、爐頂密封擋料系統和料流調節系統各為單獨子系統，各系統互不干擾，從根本上改變之前1#爐頂上料系統故障頻繁的情況，為高爐的正常生產提供保障。

4  結束語

漢鋼公司1#高爐上料控制系統自2018年實施“PROFIBUS-DP遠程智能從站技術在高爐爐頂上料控制系統的改造與實現”以來，2018年爐頂上料控制系統故障由2017年的18起降到2起，設備運行安全可靠性顯著提高。實踐證明，PROFIBUS-DP遠程智能從站技術在高爐爐頂上料控制系統的改造與實現有效解決了從根本上改變之前1#爐頂上料系統故障頻繁的問題。

參考文獻

[1]  李新創,施燦濤,趙 峰.工業4.0”與中國鋼鐵工業[J]. 鋼鐵, 2015(11): 1-12.

[2]  蔡方偉,吳章維,劉珧,魏成文. ControlNet/DeviceNet現場總線技術[J].寶鋼技術,2001: 34-38.

[3]  王新東,閆永軍.智能制造助力鋼鐵行業進步[J] .冶金自動化,2019,43(01) ,1-5.

[4]  劉文仲.關于中國鋼鐵工業智能制造的思考[J] .冶金自動化, 2018,42(07) ,1-6．

[5]  孔彥虎等. Profibus_PA 總線技術在酒鋼碳鋼儀控系統中的研究與應用[J].工業儀表與自動化裝置, 2018,（06）,89-93．

[6]  王忠華等. 承鋼中寬帶生產線工業網絡應用[J] .冶金自動化, 2010,S2 ,761-763．

[7] 吉順平.西門子現場總線通信原理與應用[M].北京:機械工業出版社, 2009．

[8] 夏江波. 基于DeviceNet 現場總線技術的高爐爐頂控制系統[J].電氣傳動自動化, 2016,38 ,（06）,34-36．