仿現(xiàn)場總線控制&分布式I/O結構”的高爐自動化控制系統(tǒng)概述

　　在現(xiàn)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(xiàn)場布線多，施工量大，調(diào)試周期長的特點，鑒于高爐自動化的設備特點，采用“仿現(xiàn)場總線控制&分布式I/O結構"組建系統(tǒng)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(xiàn)。

　　
　　一、仿現(xiàn)場總線控制概念

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

　　這一方式的提出示在現(xiàn)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(tǒng)組成。在以上系統(tǒng)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(tǒng)。如高爐本體儀表系統(tǒng)和爐定設備系統(tǒng)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(tǒng)，不適合控制系統(tǒng)和現(xiàn)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(xiàn)場總線結構的設備
　　第二類是由綜合功能設備組成的系統(tǒng)。這一系統(tǒng)都具有著有諸多功能相同的設備組成。他們統(tǒng)一在高爐生產(chǎn)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(tǒng)。如框槽配料、煤氣凈化（布袋）、熱風爐。這些設備適合采用仿現(xiàn)場總線控制方式。下面是詳細地說明：

　　2．1熱風爐系統(tǒng)：
　　高爐熱風爐系統(tǒng)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(xiàn)高爐的熱風供給。在熱風爐系統(tǒng)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(xiàn)燒爐、送風的任務；同時他們又統(tǒng)一在熱風爐生產(chǎn)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(tǒng)：
　　該系統(tǒng)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(xiàn)凈化、反吹、出灰、送氣的任務；同時又都統(tǒng)一在布袋系統(tǒng)對高爐煤氣凈化、往熱風爐送干凈煤氣的生產(chǎn)工藝之下。

　　2．3框槽配料系統(tǒng)：
　　這一系統(tǒng)由輸料皮帶組、液壓站、供料設備組組成，實現(xiàn)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(tǒng)一在高爐配料制度之下協(xié)調(diào)工作，共同完成高爐供料的生產(chǎn)任務。
　　正是因為以上三個系統(tǒng)的這些特點，為三系統(tǒng)的仿現(xiàn)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(tǒng)共同構成了“高爐仿現(xiàn)場總線控制加分布式I/O結構的自動化控制系統(tǒng)"。

　　3：系統(tǒng)的硬件實現(xiàn)
　　系統(tǒng)總的自動化配置結構仍然保留現(xiàn)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(tǒng)。同時對于每個系統(tǒng)針對實際情況，采用分布式I/O結構和現(xiàn)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(xiàn)場總線方式、熱風爐和布袋采用仿現(xiàn)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(shù)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(xiàn)數(shù)據(jù)交換。

　　主站功能：
　　完成各個倉組的計量設置、配料指令發(fā)布

　　子站功能：
　　各子站中實現(xiàn)：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(xié)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(nèi)集成PLC控制系統(tǒng)、低壓控制系統(tǒng)、儀表計量系統(tǒng)。各控制箱放置在現(xiàn)場。同時皮帶組單獨作個子站。
　　該系統(tǒng)共有如下S7200 子站：
　　振料子系統(tǒng) 11套（現(xiàn)場采用14個計量倉）
　　皮帶輸料系統(tǒng)： 1 套

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

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

　　子站功能：
　　各個單體PLC系統(tǒng)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(tǒng)根據(jù)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(nèi)集成PLC控制系統(tǒng)、低壓控制系統(tǒng)、儀表計量系統(tǒng)。各控制箱放置在現(xiàn)場。
　　該系統(tǒng)共有如下S7200 子站：
　　布袋箱體子系統(tǒng) 10套（現(xiàn)場采用10個布袋箱體）
　　公共閥門子系統(tǒng) 1套
　　出灰子系統(tǒng) 1套

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

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

　　子站功能：
　　各個單體PLC系統(tǒng)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(tǒng)根據(jù)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(nèi)集成PLC控制系統(tǒng)、低壓控制系統(tǒng)、儀表計量系統(tǒng)。各控制箱放置在現(xiàn)場。
　　該系統(tǒng)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(tǒng)的網(wǎng)絡結構
　　系統(tǒng)的網(wǎng)絡結構如下圖所示。其中圖1為總的系統(tǒng)網(wǎng)絡結構，圖2為分系統(tǒng)網(wǎng)絡結構。

圖1：總的系統(tǒng)網(wǎng)絡

圖2：分系統(tǒng)網(wǎng)絡結構

4：系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)
采用這種方式，不會給系統(tǒng)控制程序的編制帶來困難。因為在傳統(tǒng)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(zhí)行的過程中根據(jù)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(xiàn)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(xiàn)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(jié)）
　　因此，采用仿現(xiàn)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(tǒng)配置和結構

　　在系統(tǒng)的低壓電氣控制中，對于爐定設備還是采用傳統(tǒng)的控制方式，即配電室配電及控制，現(xiàn)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(xiàn)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(tǒng)電源柜和現(xiàn)場分項配電柜。而原來放在控制室的電磁控制系統(tǒng)根據(jù)功能組進行區(qū)分放在現(xiàn)場，實現(xiàn)現(xiàn)場電磁控制。

　　1：現(xiàn)場控制柜的設計
　　 現(xiàn)場控制柜采用雙層密封門結構，設計成操作區(qū)、電磁控制區(qū)、PLC控制區(qū)。其中操作區(qū)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(qū)設計在柜內(nèi)，其又分割成兩個區(qū)：電磁控制區(qū)和PLC控制區(qū)。兩個區(qū)隔離，以保證PLC系統(tǒng)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(nèi)設低壓照明燈和檢修插座。
　　操作區(qū)：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(qū)：完成子系統(tǒng)中電磁設備的一次配電和二次電磁控制。
　　PLC控制區(qū)：完成PLC系統(tǒng)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(jù)需要進行隔離（因為現(xiàn)場一次元件直接進入現(xiàn)場控制柜，干擾小，因此可以酌情處離）。

　　2：現(xiàn)場控制柜的安裝
　　現(xiàn)場控制柜的安裝應該考慮現(xiàn)場的空間要求因為現(xiàn)場空間以及設備的分布。在設計中首先考慮到現(xiàn)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(tǒng)：該系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(xiàn)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(wǎng)平臺上。外網(wǎng)平臺上的煤氣管閥門（總管閥門、往熱風爐閥門、往外網(wǎng)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(xiàn)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(tǒng)：該系統(tǒng)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(tǒng)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(jù)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(tǒng)：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(jù)情況可以設計在控制室或是在液壓站。
　　以上三套系統(tǒng)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(lián)后和中控室CPU進行通訊。
　　

四、優(yōu)點

　　因為該方案特點是每個功能裝置分別作為獨立的系統(tǒng)，并采用單獨的柜體，因此具有以下優(yōu)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(jié)省大量的資金。
　　（1）節(jié)省安裝材料費：在此方案下，和常規(guī)設計相比，原來從控制室到現(xiàn)場元件的電線電纜變成了現(xiàn)場到現(xiàn)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(jié)約將近50%左右，甚至更多。
　　橋架：無論是從控制室和現(xiàn)場，不必再安裝大截面橋架或是線槽，可以統(tǒng)一為200小線槽，而且敷設米數(shù)也大大降低。同時減少相應的安裝附件和耗材，從而節(jié)省大量的資金。
　　（2）節(jié)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(chǎn)時間，用時間創(chuàng)造更大的效益。
　　（3）節(jié)省控制室空間：因為控制的分散性，使得系統(tǒng)不再需要大空間的控制室。在控制室內(nèi)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(diào)試方便
　　因為控制的分散性，使得系統(tǒng)中能夠劃分成更小的單元來進行調(diào)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(tǒng)停機的幾率大大減小，提高了系統(tǒng)的可靠性，可充分的保證系統(tǒng)的連續(xù)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(tǒng)運行下分別進行檢修和維護，而不必安排在高爐停產(chǎn)大修的時候。