“仿现场总线控制&分布式I/O结构”的高炉自动化控制系统

• 关键词：仿现场总线控制,分布式I/O结构
• 摘要：在现在的高炉自动化控制中往往采用分布式I/O结构。这种方案存在着现场布线多，施工量大，调试周期长的特点，鉴于高炉自动化的设备特点，采用“仿现场总线控制&分布式I/O结构”组建系统控制方案，更适合高炉自动化的控制。这也是我公司“以工程综合成本为中心”的设计理念的体现。

在现在的高炉自动化控制中往往采用分布式I/O结构。这种方案存在着现场布线多，施工量大，调试周期长的特点，鉴于高炉自动化的设备特点，采用“仿现场总线控制&分布式I/O结构”组建系统控制方案，更适合高炉自动化的控制。这也是我公司“以工程综合成本为中心”的设计理念的体现。

　　
　　一、仿现场总线控制概念

　　在系统中，对于高炉本体仪表和炉定设备采用传统的布式I/O结构，对于热风炉、煤气净化（布袋）系统、框槽配料系统采用仿现场总线方式。在这样方式下把以上三个系统根据系统中的单体进行现场小型PLC控制和电气控制，由现场的PLC完成单体功能控制和电气操作，而由上一级PLC实现生产过程工艺协作控制。现场PLC子系统和上一级PLC通过通讯进行连接。
   从实际意义上说，该系统不是完全的现场总线方式，而是借鉴了现场总线的现场智能控制的理念，因此称为仿现场总线控制。

　　
　　二、方案的提出基础和可靠性分析：

　　这一方式的提出示在现场设备得特点的基础上提出来的。我们知道高炉自动化主要有高炉本体仪表、炉定设备、框槽配料、布袋、热风炉等系统组成。在以上系统中，从设备功能和分布角度，可以分成两大类：

　　1：适合分布式I/O结构的设备
　　第一类就是由众多单一功能元件或装置组成的系统。如高炉本体仪表系统和炉定设备系统都属于第一类。这一类具有这设备分散功能单一且各不相同的特点。同时这些设备中都有着复杂的控制系统，不适合控制系统和现场设备就近安放的特点。
　对于这些上述设备，仍然采用分布式I/O结构。

　　2：适合仿现场总线结构的设备
　　第二类是由综合功能设备组成的系统。这一系统都具有着有诸多功能相同的设备组成。他们统一在高炉生产的总体框架下，同时他们又相对独立，每个分单元都是个完整的小系统。如框槽配料、煤气净化（布袋）、热风炉。这些设备适合采用仿现场总线控制方式。下面是详细地说明：

　　2．1热风炉系统：
　　高炉热风炉系统主要有若干（一般3~4）个热风炉单体和助燃风设备、公共阀门组成，实现高炉的热风供给。在热风炉系统中，每个单体都有相同的设备构成，每个热风炉都是完整独立的功能单元，都能够实现烧炉、送风的任务；同时他们又统一在热风炉生产的工艺之下，共同配合完成高炉的热风供给工作。另外从设备配置上各个热风炉无论是仪表还是电气设备配置相同；

　　2．2煤气净化（布袋）系统：
　　该系统有若干布袋和总管设备组成，完成高炉煤气的净化以及往热风炉供应干净的煤气。其中组成中的各个布袋单体都是个完整独立的功能单元，有相同的设备构成，都能够实现净化、反吹、出灰、送气的任务；同时又都统一在布袋系统对高炉煤气净化、往热风炉送干净煤气的生产工艺之下。

　　2．3框槽配料系统：
　　这一系统由输料皮带组、液压站、供料设备组组成，实现高炉配料供料的功能。其中供料设备组由料仓、下料给料机、下料振筛、计量仓、下料液压闸门除尘阀门构成，完成独立的物料筛分、计量任务、供料功能、工程除尘。并统一在高炉配料制度之下协调工作，共同完成高炉供料的生产任务。
　　正是因为以上三个系统的这些特点，为三系统的仿现场总线的控制方式提供了应用前提。从而和高炉本体仪表、炉定设备的控制系统共同构成了“高炉仿现场总线控制加分布式I/O结构的自动化控制系统”。

　　3：系统的硬件实现
　　系统总的自动化配置结构仍然保留现有的结构，采用三个CPU，分被控制高炉本体、高炉供料、热风布袋系统。同时对于每个系统针对实际情况，采用完全分布式I/O结构和现场总线加分布式I/O结构。其中高炉本体采用分布式I/O结构、高炉供料中的炉定设备控制部分（含液压站）采用分布式I/O结构、高炉供料中的框槽配料部分采用现场总线方式、热风炉和布袋采用仿现场总线方式。具体配置如下：

　　3．1框槽配料：
　　和炉定设备共用一个主站CUP，并按照仓组数量设置相应的S7200PLC子站。各个子站通过通讯和主站CPU进行通讯实现数据交换。

　　主站功能：
　　完成各个仓组的计量设置、配料指令发布

　　子站功能：
　　各子站中实现：振料、计量、下料、除尘的功能；同时接受主站的控制指令：计量相关设置值、协同配料指令，同时做出相应的应答。各子站分别设置独立的控制箱，箱内集成PLC控制系统、低压控制系统、仪表计量系统。各控制箱放置在现场。同时皮带组单独作个子站。
　　该系统共有如下S7200 子站：
　　振料子系统 11套（现场采用14个计量仓）
　　皮带输料系统： 1 套

　　3.2煤气净化（布袋）系统：
　　和热风炉系统使用同一个主站CPU，并设布袋单体S7200PLC子站、公共阀门S7200系统、出灰系统S7200子站。子站间通过通讯和主站CPU进行数据交换。

　　主站功能：
　　仅完成根据生产工艺的指令发布工作如：完成工艺参数的设置发布、布袋协作指令发布（如箱体间的送气切换）、各布袋分项功能指令发布（如反吹、卸灰）、公共阀门的送气功能指令发布、出灰系统设备的工作指令。

　　子站功能：
　　各个单体PLC系统独立的完成布袋箱体的净化、送气、反吹、出灰功能。各个子系统根据主站的指令做出应答，完成具体的控制。各子站分别设置独立的控制箱，箱内集成PLC控制系统、低压控制系统、仪表计量系统。各控制箱放置在现场。
　　该系统共有如下S7200 子站：
　　布袋箱体子系统 10套（现场采用10个布袋箱体）
　　公共阀门子系统 1套
　　出灰子系统 1套

　　3．3热风系统：
　　和煤气净化系统使用同一个主站CPU，并设热风炉单体PLC系统、公共阀门系统、助燃风、液压系统子站。子站间通过通讯和主站CPU进行数据交换。

　　主站功能：
　　仅完成根据生产工艺的指令发布工作如：完成工艺参数的设置发布、热风炉协作指令发布（如送风切换）、各热风炉分项功能指令发布（如烧炉、闷炉、吹扫）、助燃风机启动切换、液压系统的起挺切换。

　　子站功能：
　　各个单体PLC系统独立的完成布袋箱体的净化、送气、反吹、出灰功能。各个子系统根据主站的指令做出应答，完成具体的控制。各子站分别设置独立的控制箱，箱内集成PLC控制系统、低压控制系统、仪表计量系统。各控制箱放置在现场。
　　该系统共有如下S7200 子站：
　　热风炉单体子站 4套（4个热风炉）
　　助燃风子站 1套
　　液压站子站 1套

　　3．4系统的网络结构
　　系统的网络结构如下图所示。其中图1为总的系统网络结构，图2为分系统网络结构。

图1：总的系统网络

图2：分系统网络结构

   4：系统的软件实现
   采用这种方式，不会给系统控制程序的编制带来困难。因为在传统的控制中，程序是有两大部分组成：工艺流程控制程序和设备工作控制程序。其中设备工作程序为功能块方式。在程序中，无论多少设备组（如振料组、布袋箱体、热风炉），其实都是一个功能程序。所不同的是在执行的过程中根据具体控制的设备组（如振料组、布袋箱体、热风炉）进行对应的功能块赋值。因此这种编程方式也为仿现场总线方式的程序编程提供了便利。
　　 在具体应用中，实际上是把原来程序中的功能块固化到现场的S7200中，而在上级PLC中保留工艺流程控制程序。
　　（关于更详细地说明可参看西门子变成手册功能块一节）
　　因此，采用仿现场总线方式并不会造成编程的困难，依然可以沿用成熟的程序。
　　
　　

三、电气系统配置和结构

　　在系统的低压电气控制中，对于炉定设备还是采用传统的控制方式，即配电室配电及控制，现场操作。而对于热风炉、布袋除尘、框槽配料采用配电室配电，现场控制及操作。在这种方法下，原来的控制室一般设两个柜子：系统电源柜和现场分项配电柜。而原来放在控制室的电磁控制系统根据功能组进行区分放在现场，实现现场电磁控制。

　　1：现场控制柜的设计
　　 现场控制柜采用双层密封门结构，设计成操作区、电磁控制区、PLC控制区。其中操作区设计在柜门上，并采用防尘原件或是进行防尘防水处理。控制区设计在柜内，其又分割成两个区：电磁控制区和PLC控制区。两个区完全隔离，以保证PLC系统的电磁兼容要求以及电气安全要求。同时为了维护、维修、检修方便，柜内设低压照明灯和检修插座。
　　操作区：用于设计控制柜安放出的设备的手动操作元件（其他的设备控制仍然采用就地箱就近控制）
　　电磁控制区：完成子系统中电磁设备的一次配电和二次电磁控制。
　　PLC控制区：完成PLC系统模块及供电、输入输出隔离。为减少电磁干扰，PLC供电点采用直流方式，同时进行隔离变压器进行电磁隔离；对于输入输出采用继电器隔离，对于模拟量根据需要进行隔离（因为现场一次元件直接进入现场控制柜，干扰小，因此可以酌情处离）。

　　2：现场控制柜的安装
　　现场控制柜的安装应该考虑现场的空间要求因为现场空间以及设备的分布。在设计中首先考虑到现场设备的维修方便，而后才是电气自身的要求。电气控制首先在空间上应该让位于机械操作的便捷，围绕着机械操作便捷展开。因此在空间上应该选择宽敞的地方。如果空间合适而不是和电气的安全防护要求，则在电气柜或其他方面采取措施。在空间的基础上再考虑尽量接近设备最集中的地方。

　　2．1工程中电气柜的安装地点设计：

　　2．1．1布袋系统：该系统的控制柜包含10台布袋箱体控制柜、1台总管阀门控制柜、1台出灰控制柜。
　　（1）布袋箱体控制柜：设计安装在布袋系统的第二层平台。也就是中间灰斗平台。同时布袋箱体卸灰系统设备的就地操作设计在柜体上。而布袋箱体的其他设备（支气管到阀门、方散阀门）单独设计现场就地箱控制并引入布袋箱体控制柜。
　　（2）总管阀门控制柜：设计安装在精煤气管道的外网平台上。外网平台上的煤气管阀门（总管阀门、往热风炉阀门、往外网阀门）的操作器件设计在柜门上。净煤气和荒煤气放散阀采用现场就地箱控制，并引入总管阀门控制柜
　　（3）出灰控制柜：设计安装在出灰加湿器平台。出灰的所有设备就地操作设在柜门上。

　　2．1．2热风炉系统：该系统包括4台热风炉单体控制柜、1台助燃风机阀门控制柜、1台液压站控制柜。
　　（1）热风炉单体控制柜：设计安装在热风炉燃烧管道平台。包括热风炉的燃烧阀、煤气切断阀、助燃风切断阀、氮气清扫阀、热风阀的控制和操作。以上设备就地操作设计在柜门上。热风炉的冷风阀、充气阀、烟道阀、废气阀统一设计一操作箱放在阀门附近，并引入热风炉单体控制柜。
　　（2）助燃风机阀门控制柜：全部助燃风机供风管道阀门（助燃风机出口阀门、风机供风切换阀门、助燃风放散阀）的就地控制器件设计在柜体上。
　　（3）液压站控制柜。主要完成液压站的信号采集和自动启停泵控制。根据情况可以设计在控制室或是在液压站。同时该柜还包括公共阀门（倒流修风阀、混风阀）

　　2．1．3框槽配料系统：包括10台矿仓振配料控制柜、1台焦仓振配料控制柜、1台输料皮带控制柜、1台液压站控制柜。
　　（1）矿仓振配料控制柜：该控制柜包括矿仓给料机、振动筛、仓斗计量、仓都下料闸门、振料除尘阀门设备的控制和操作。就地操作操作器件设计在柜门。
　　（2）焦仓振配料控制柜：该控制柜包括焦炭振动筛、焦炭仓斗闸门、中间矿仓闸门、焦仓和中间矿仓计量等设备的控制和操作。就地操作操作器件设计在柜门。
　　（3）：输料皮带控制柜：该控制柜包括返焦、返焦倾角、返矿、返矿倾角、运矿皮带等设备的控制和操作。就地操作操作器件设计在柜门。
　　（4）液压站控制柜：主要完成液压站的信号采集和自动启停泵控制。根据情况可以设计在控制室或是在液压站。
　　以上三套系统中的控制柜电源引自各自的控制室配电盘，PLC通过通讯电缆串联后和中控室CPU进行通讯。
　　
 

四、优点

　　因为该方案特点是每个功能装置分别作为独立的系统，并采用单独的柜体，因此具有以下优点：
　　1：减少工程总投资：
　　此方案下，各控制柜之间和控制室只有两根线：一根动力线、一根通讯线。因此可以节省大量的资金。
　　（1）节省安装材料费：在此方案下，和常规设计相比，原来从控制室到现场元件的电线电缆变成了现场到现场，距离大大缩短，因此省去了大量的电线电缆。在线槽和电缆方面可以大大减少投资。
　　电缆：无论是动力电缆还是控制电缆，可以节约将近50%左右，甚至更多。
　　桥架：无论是从控制室和现场，不必再安装大截面桥架或是线槽，可以统一为200小线槽，而且敷设米数也大大降低。同时减少相应的安装附件和耗材，从而节省大量的资金。
　　（2）节省安装费用：在此方案下，因为桥架和电缆用量的大幅减少，随之带来安装、布线、校线的工作量大大的降低，因此施工工时短用人少，同项相比可减少60%左右的工时。可有效的提前投产时间，用时间创造更大的效益。
　　（3）节省控制室空间：因为控制的分散性，使得系统不再需要大空间的控制室。在控制室内的设备有大量的控制柜变成2个（总电源柜一台、分项电源分配柜一台）。从而在土建上大大降低基础设施投资。

　　2：分散的控制方式同时带来技术工作的便利
   （1）调试方便
　　因为控制的分散性，使得系统中能够划分成更小的单元来进行调试。从而更加灵活机动。
　　（2）抗干扰性增强
　　因为避免了远程布线、采用通讯方式，减少了信号电缆干扰。同时通讯方式的采用更进一步降低了干扰的影响。
　　（3）控制风险小，可靠性高
　　因为控制分散化，使得因单个设备或器件故障造成整个系统停机的几率大大减小，提高了系统的可靠性，可充分的保证系统的连续运转。同时因为主站cpu的工作量大大的降低，减轻了工作压力，使得器件运行时更可靠。
　　（4）易于维护检修
　　因为分散控制，使得控制组建可以在系统运行下分别进行检修和维护，而不必安排在高炉停产大修的时候。