仿現場總線控制&分布式I/O結構”的高爐自動化控制系統概述

　　在現在的高爐自動化控制中往往采用分布式I/O結構。這種方案存在著現場布線多，施工量大，調試周期長的特點，鑒于高爐自動化的設備特點，采用“仿現場總線控制&分布式I/O結構”組建系統控制方案，更適合高爐自動化的控制。這也是我公司“以工程綜合成本為中心”的設計理念的體現。

　　
　　一、仿現場總線控制概念

　　在系統中，對于高爐本體儀表和爐定設備采用傳統的布式I/O結構，對于熱風爐、煤氣凈化（布袋）系統、框槽配料系統采用仿現場總線方式。在這樣方式下把以上三個系統根據系統中的單體進行現場小型PLC控制和電氣控制，由現場的PLC完成單體功能控制和電氣操作，而由上一級PLC實現生產過程工藝協作控制。現場PLC子系統和上一級PLC通過通訊進行連接。
從實際意義上說，該系統不是的現場總線方式，而是借鑒了現場總線的現場智能控制的理念，因此稱為仿現場總線控制。

　　這一方式的提出示在現場設備得特點的基礎上提出來的。我們知道高爐自動化主要有高爐本體儀表、爐定設備、框槽配料、布袋、熱風爐等系統組成。在以上系統中，從設備功能和分布角度，可以分成兩大類：

　　1：適合分布式I/O結構的設備
　　類就是由眾多單一功能元件或裝置組成的系統。如高爐本體儀表系統和爐定設備系統都屬于類。這一類具有這設備分散功能單一且各不相同的特點。同時這些設備中都有著復雜的控制系統，不適合控制系統和現場設備就近安放的特點。
　對于這些上述設備，仍然采用分布式I/O結構。

　　2：適合仿現場總線結構的設備
　　第二類是由綜合功能設備組成的系統。這一系統都具有著有諸多功能相同的設備組成。他們統一在高爐生產的總體框架下，同時他們又相對獨立，每個分單元都是個完整的小系統。如框槽配料、煤氣凈化（布袋）、熱風爐。這些設備適合采用仿現場總線控制方式。下面是詳細地說明：

　　2．1熱風爐系統：
　　高爐熱風爐系統主要有若干（一般3~4）個熱風爐單體和助燃風設備、公共閥門組成，實現高爐的熱風供給。在熱風爐系統中，每個單體都有相同的設備構成，每個熱風爐都是完整獨立的功能單元，都能夠實現燒爐、送風的任務；同時他們又統一在熱風爐生產的工藝之下，共同配合完成高爐的熱風供給工作。另外從設備配置上各個熱風爐無論是儀表還是電氣設備配置相同；

　　2．2煤氣凈化（布袋）系統：
　　該系統有若干布袋和總管設備組成，完成高爐煤氣的凈化以及往熱風爐供應干凈的煤氣。其中組成中的各個布袋單體都是個完整獨立的功能單元，有相同的設備構成，都能夠實現凈化、反吹、出灰、送氣的任務；同時又都統一在布袋系統對高爐煤氣凈化、往熱風爐送干凈煤氣的生產工藝之下。

　　2．3框槽配料系統：
　　這一系統由輸料皮帶組、液壓站、供料設備組組成，實現高爐配料供料的功能。其中供料設備組由料倉、下料給料機、下料振篩、計量倉、下料液壓閘門除塵閥門構成，完成獨立的物料篩分、計量任務、供料功能、工程除塵。并統一在高爐配料制度之下協調工作，共同完成高爐供料的生產任務。
　　正是因為以上三個系統的這些特點，為三系統的仿現場總線的控制方式提供了應用前提。從而和高爐本體儀表、爐定設備的控制系統共同構成了“高爐仿現場總線控制加分布式I/O結構的自動化控制系統”。

　　3：系統的硬件實現
　　系統總的自動化配置結構仍然保留現有的結構，采用三個CPU，分被控制高爐本體、高爐供料、熱風布袋系統。同時對于每個系統針對實際情況，采用分布式I/O結構和現場總線加分布式I/O結構。其中高爐本體采用分布式I/O結構、高爐供料中的爐定設備控制部分（含液壓站）采用分布式I/O結構、高爐供料中的框槽配料部分采用現場總線方式、熱風爐和布袋采用仿現場總線方式。具體配置如下：

　　3．1框槽配料：
　　和爐定設備共用一個主站CUP，并按照倉組數量設置相應的S7200PLC子站。各個子站通過通訊和主站CPU進行通訊實現數據交換。

　　主站功能：
　　完成各個倉組的計量設置、配料指令發布

　　子站功能：
　　各子站中實現：振料、計量、下料、除塵的功能；同時接受主站的控制指令：計量相關設置值、協同配料指令，同時做出相應的應答。各子站分別設置獨立的控制箱，箱內集成PLC控制系統、低壓控制系統、儀表計量系統。各控制箱放置在現場。同時皮帶組單獨作個子站。
　　該系統共有如下S7200 子站：
　　振料子系統 11套（現場采用14個計量倉）
　　皮帶輸料系統： 1 套

　　3.2煤氣凈化（布袋）系統：
　　和熱風爐系統使用同一個主站CPU，并設布袋單體S7200PLC子站、公共閥門S7200系統、出灰系統S7200子站。子站間通過通訊和主站CPU進行數據交換。

　　主站功能：
　　僅完成根據生產工藝的指令發布工作如：完成工藝參數的設置發布、布袋協作指令發布（如箱體間的送氣切換）、各布袋分項功能指令發布（如反吹、卸灰）、公共閥門的送氣功能指令發布、出灰系統設備的工作指令。

　　子站功能：
　　各個單體PLC系統獨立的完成布袋箱體的凈化、送氣、反吹、出灰功能。各個子系統根據主站的指令做出應答，完成具體的控制。各子站分別設置獨立的控制箱，箱內集成PLC控制系統、低壓控制系統、儀表計量系統。各控制箱放置在現場。
　　該系統共有如下S7200 子站：
　　布袋箱體子系統 10套（現場采用10個布袋箱體）
　　公共閥門子系統 1套
　　出灰子系統 1套

　　3．3熱風系統：
　　和煤氣凈化系統使用同一個主站CPU，并設熱風爐單體PLC系統、公共閥門系統、助燃風、液壓系統子站。子站間通過通訊和主站CPU進行數據交換。

　　主站功能：
　　僅完成根據生產工藝的指令發布工作如：完成工藝參數的設置發布、熱風爐協作指令發布（如送風切換）、各熱風爐分項功能指令發布（如燒爐、悶爐、吹掃）、助燃風機啟動切換、液壓系統的起挺切換。

　　子站功能：
　　各個單體PLC系統獨立的完成布袋箱體的凈化、送氣、反吹、出灰功能。各個子系統根據主站的指令做出應答，完成具體的控制。各子站分別設置獨立的控制箱，箱內集成PLC控制系統、低壓控制系統、儀表計量系統。各控制箱放置在現場。
　　該系統共有如下S7200 子站：
　　熱風爐單體子站 4套（4個熱風爐）
　　助燃風子站 1套
　　液壓站子站 1套

　　3．4系統的網絡結構
　　系統的網絡結構如下圖所示。其中圖1為總的系統網絡結構，圖2為分系統網絡結構。

圖1：總的系統網絡

圖2：分系統網絡結構

4：系統的軟件實現
采用這種方式，不會給系統控制程序的編制帶來困難。因為在傳統的控制中，程序是有兩大部分組成：工藝流程控制程序和設備工作控制程序。其中設備工作程序為功能塊方式。在程序中，無論多少設備組（如振料組、布袋箱體、熱風爐），其實都是一個功能程序。所不同的是在執行的過程中根據具體控制的設備組（如振料組、布袋箱體、熱風爐）進行對應的功能塊賦值。因此這種編程方式也為仿現場總線方式的程序編程提供了便利。
　　 在具體應用中，實際上是把原來程序中的功能塊固化到現場的S7200中，而在上級PLC中保留工藝流程控制程序。
　　（關于更詳細地說明可參看西門子變成手冊功能塊一節）
　　因此，采用仿現場總線方式并不會造成編程的困難，依然可以沿用成熟的程序。
　　
　　

三、電氣系統配置和結構

　　在系統的低壓電氣控制中，對于爐定設備還是采用傳統的控制方式，即配電室配電及控制，現場操作。而對于熱風爐、布袋除塵、框槽配料采用配電室配電，現場控制及操作。在這種方法下，原來的控制室一般設兩個柜子：系統電源柜和現場分項配電柜。而原來放在控制室的電磁控制系統根據功能組進行區分放在現場，實現現場電磁控制。

　　1：現場控制柜的設計
　　 現場控制柜采用雙層密封門結構，設計成操作區、電磁控制區、PLC控制區。其中操作區設計在柜門上，并采用防塵原件或是進行防塵防水處理。控制區設計在柜內，其又分割成兩個區：電磁控制區和PLC控制區。兩個區隔離，以保證PLC系統的電磁兼容要求以及電氣安全要求。同時為了維護、維修、檢修方便，柜內設低壓照明燈和檢修插座。
　　操作區：用于設計控制柜安放出的設備的手動操作元件（其他的設備控制仍然采用就地箱就近控制）
　　電磁控制區：完成子系統中電磁設備的一次配電和二次電磁控制。
　　PLC控制區：完成PLC系統模塊及供電、輸入輸出隔離。為減少電磁干擾，PLC供電點采用直流方式，同時進行隔離變壓器進行電磁隔離；對于輸入輸出采用繼電器隔離，對于模擬量根據需要進行隔離（因為現場一次元件直接進入現場控制柜，干擾小，因此可以酌情處離）。

　　2：現場控制柜的安裝
　　現場控制柜的安裝應該考慮現場的空間要求因為現場空間以及設備的分布。在設計中首先考慮到現場設備的維修方便，而后才是電氣自身的要求。電氣控制首先在空間上應該讓位于機械操作的便捷，圍繞著機械操作便捷展開。因此在空間上應該選擇寬敞的地方。如果空間合適而不是和電氣的安全防護要求，則在電氣柜或其他方面采取措施。在空間的基礎上再考慮盡量接近設備最集中的地方。

　　2．1工程中電氣柜的安裝地點設計：

　　2．1．1布袋系統：該系統的控制柜包含10臺布袋箱體控制柜、1臺總管閥門控制柜、1臺出灰控制柜。
　　（1）布袋箱體控制柜：設計安裝在布袋系統的第二層平臺。也就是中間灰斗平臺。同時布袋箱體卸灰系統設備的就地操作設計在柜體上。而布袋箱體的其他設備（支氣管到閥門、方散閥門）單獨設計現場就地箱控制并引入布袋箱體控制柜。
　　（2）總管閥門控制柜：設計安裝在精煤氣管道的外網平臺上。外網平臺上的煤氣管閥門（總管閥門、往熱風爐閥門、往外網閥門）的操作器件設計在柜門上。凈煤氣和荒煤氣放散閥采用現場就地箱控制，并引入總管閥門控制柜
　　（3）出灰控制柜：設計安裝在出灰加濕器平臺。出灰的所有設備就地操作設在柜門上。

　　2．1．2熱風爐系統：該系統包括4臺熱風爐單體控制柜、1臺助燃風機閥門控制柜、1臺液壓站控制柜。
　　（1）熱風爐單體控制柜：設計安裝在熱風爐燃燒管道平臺。包括熱風爐的燃燒閥、煤氣切斷閥、助燃風切斷閥、氮氣清掃閥、熱風閥的控制和操作。以上設備就地操作設計在柜門上。熱風爐的冷風閥、充氣閥、煙道閥、廢氣閥統一設計一操作箱放在閥門附近，并引入熱風爐單體控制柜。
　　（2）助燃風機閥門控制柜：全部助燃風機供風管道閥門（助燃風機出口閥門、風機供風切換閥門、助燃風放散閥）的就地控制器件設計在柜體上。
　　（3）液壓站控制柜。主要完成液壓站的信號采集和自動啟停泵控制。根據情況可以設計在控制室或是在液壓站。同時該柜還包括公共閥門（倒流修風閥、混風閥）

　　2．1．3框槽配料系統：包括10臺礦倉振配料控制柜、1臺焦倉振配料控制柜、1臺輸料皮帶控制柜、1臺液壓站控制柜。
　　（1）礦倉振配料控制柜：該控制柜包括礦倉給料機、振動篩、倉斗計量、倉都下料閘門、振料除塵閥門設備的控制和操作。就地操作操作器件設計在柜門。
　　（2）焦倉振配料控制柜：該控制柜包括焦炭振動篩、焦炭倉斗閘門、中間礦倉閘門、焦倉和中間礦倉計量等設備的控制和操作。就地操作操作器件設計在柜門。
　　（3）：輸料皮帶控制柜：該控制柜包括返焦、返焦傾角、返礦、返礦傾角、運礦皮帶等設備的控制和操作。就地操作操作器件設計在柜門。
　　（4）液壓站控制柜：主要完成液壓站的信號采集和自動啟停泵控制。根據情況可以設計在控制室或是在液壓站。
　　以上三套系統中的控制柜電源引自各自的控制室配電盤，PLC通過通訊電纜串聯后和中控室CPU進行通訊。
　　

四、優點

　　因為該方案特點是每個功能裝置分別作為獨立的系統，并采用單獨的柜體，因此具有以下優點：
　　1：減少工程總投資：
　　此方案下，各控制柜之間和控制室只有兩根線：一根動力線、一根通訊線。因此可以節省大量的資金。
　　（1）節省安裝材料費：在此方案下，和常規設計相比，原來從控制室到現場元件的電線電纜變成了現場到現場，距離大大縮短，因此省去了大量的電線電纜。在線槽和電纜方面可以大大減少投資。
　　電纜：無論是動力電纜還是控制電纜，可以節約將近50%左右，甚至更多。
　　橋架：無論是從控制室和現場，不必再安裝大截面橋架或是線槽，可以統一為200小線槽，而且敷設米數也大大降低。同時減少相應的安裝附件和耗材，從而節省大量的資金。
　　（2）節省安裝費用：在此方案下，因為橋架和電纜用量的大幅減少，隨之帶來安裝、布線、校線的工作量大大的降低，因此施工工時短用人少，同項相比可減少60%左右的工時。可有效的提前投產時間，用時間創造更大的效益。
　　（3）節省控制室空間：因為控制的分散性，使得系統不再需要大空間的控制室。在控制室內的設備有大量的控制柜變成2個（總電源柜一臺、分項電源分配柜一臺）。從而在土建上大大降低基礎設施投資。

　　2：分散的控制方式同時帶來技術工作的便利
（1）調試方便
　　因為控制的分散性，使得系統中能夠劃分成更小的單元來進行調試。從而更加靈活機動。
　　（2）抗干擾性增強
　　因為避免了遠程布線、采用通訊方式，減少了信號電纜干擾。同時通訊方式的采用更進一步降低了干擾的影響。
　　（3）控制風險小，可靠性高
　　因為控制分散化，使得因單個設備或器件故障造成整個系統停機的幾率大大減小，提高了系統的可靠性，可充分的保證系統的連續運轉。同時因為主站cpu的工作量大大的降低，減輕了工作壓力，使得器件運行時更可靠。
　　（4）易于維護檢修
　　因為分散控制，使得控制組建可以在系統運行下分別進行檢修和維護，而不必安排在高爐停產大修的時候。