现场总线在钢铁冶金工厂的应用

第38卷第4期 2014年7月 冶金自动化 o．4 014 ·案例应用· 现场总线在钢铁冶金工厂的应用 杨 昱，刘 杰，王 丽 (鞍钢集团工程技术有限公司电气自动化室，辽宁鞍山114021) 摘要：通过现场总线在冶金工厂的应用，了解现场总线的技术功能，掌握现场总线设备应用的突出特点，结 合生产工艺的设备布局条件，实现对设备的自动控制和监控，提高工艺生产线的作业率，减少工程的投资和 生产运行成本。 关键词：现场总线；冶金；特点；应用 应用现场总线的关键是找出适合现场总线 应用的生产工艺场所，充分发挥现场总线分散 式网络结构、集中监控报警、适应恶劣环境的优 势，提高设备作业率，便于设备维护，节省大量 控制电缆，减少工程投资和生产运行成本。 场总线是由德国菲尼克斯公司在1979年 提出的构想，世界第1条现场总线(德 国菲尼克斯公司1986年在德国汉诺威国际博览 会上正式展出．同年德国政府开始启动现场总 线研发工作。菲尼克斯公司、图尔克公司、瓦可 公司相继研发推出自己的现场总线产品。 现场总线开始是以自己的独立控制结构应 用在生产线上的．经过20多年的应用和不断地 研发，现场总线被赋予了许多具有生命力的元 素，使控制结构变得更加灵活，针对不同的控制 对象来搭建不同的控制结构，以适应不同控制 对象的不同控制要求；具有开放性的总线接口， 适应多种通信形式。轻松地与多种主流。 现场总线控制结构的思路已经被各个工业 控制系统]造商广泛地采用；主流统结构+现场总线硬件的控制系统结构也被 控制系统集成商应用到生产控制中：现场总线 的应用范围逐步扩大到不同的行业和领域。 1．1 ，可以自成网络系统 协议，适用于不同厂家的态简 单，只需安装相应的配置文件，即可根据实际需 要进行组态。硬件通过耦合器与主工业控制机 (连，成为子网络系统，根据主工业控制 机(通信方式采用不同的耦合器。 ／0命名规则如图1所示。 ／布式 结构、开放性好、总线输入和输出独立供电、适 应恶劣环境、安装灵活、快速接线——术、电气隔离、全面诊断、温度范围为一25～ 60 。 1．2 式推出的，经过多年的应用和不断地完善，日 臻完美。在电气控制领域广泛采用。成为德国及 欧洲标准，中国也把主 要特点为：采用独特的集总帧方式通信协议：提 供强大故障功能，可减少故障停机时间30％：较 低协议速率(500 K／2Mb／s)和较高的协议效率 (52％)．满足大量数据的高速传输，从而增加传 收稿日期：2014—06—23 作者简介：杨昱(1955一)，男，辽宁大连人，高级工程师，主要从事冶金工厂供配电电气自动控制设计工作。 第4期 冶金自动化 85 B 1 16 体化模块 块化模块 (B：合器) ／B：合器) A：输出电流量大可达2 A 13N．13一： 。t，圭照全哭、 D。、， O：合器) 8：8通道8／8：8输入，输出通道 16：16通道 准功能 线接头为／4：4输入／4输出通道8：总线接头为I：开关量输入 拟量输入 关量输出 拟量输出 关量输入／输出准功能 图1 ／距离，提高抗干扰能力；无终端电阻，无需地 址设置。即插即用，可提高安装调试效率达30％； 双绞线、光缆、红外线三种传输媒介在从站问可 混合使用，可降低成本；采用总线分支和智能分 散技术；合理规划总线配置，满足复杂的现场控 制要求：4 096个I／  足系统苛刻的实时性要求；单个主站最多可连 接255个从站，满足大规模系统的控制要求； 两从站间传输距离最长可达400 m．满足特殊环 境控制要求。 世界上绝大 多数控制系统兼容，包括：5，7，C 所示 表1 现场总线设备在炼钢厂合金散料输送 系统应用实例 2．1 合金散料输送系统工艺状况 合金散料输送系统由低位料仓、振动给料 器、输送皮带机、分料机、高位料仓等组成，其中， 低位料仓由1别装有活 性石灰、白云石、铁矾土、萤石、菱镁石、铁矿石、 硅铁等，每个料仓的下部设振动给料器；输送皮 带机由2条主运输皮带机和多条分料皮带机组 成，主运输皮带机由4条皮带机搭接而成，每条 皮带机电气设备有电动机、皮带偏度检测装置、 事故拉线开关等组成；分料机由分料器、电动移 86 冶金自动化 第38卷 动车、接近开关组成；高位料仓由10个独立的料 仓组成，安装在炼钢转炉上方的高位平台上，每 个料仓内的材料与低位料仓相同。 2．2 采用现场总线控制的具体措施 依据合金散料输送系统的设备布局，采用 西门子公司00控制器，通过信网卡与现场总线连接，形成如图2所示的网 络拓扑结构。 西门子7—400 图2网络拓扑结构 2．3现场控制箱设置的基本思路 合金散料输送系统的电气拖动设备分布很 有规律，基本集中在低位料仓、高位料仓和皮带 运输机的转运站。在电气拖动设备位置附近设 置现场控制箱，按照生产工序将现场控制箱进 行编号，通信电缆按现场控制箱的编号顺序依 次连接，形成网络拓扑结构。 在现场控制箱面板上设置操作电气设备 (选择开关、按钮、信号灯等)，成为现场操作控 制箱。也可单独设置现场操作箱。将现场操作箱 的电气设备接点通过电缆连接到现场控制箱内 的I／0模块上，实现机旁操作功能 2．4现场控制箱的防护措施 合金散料输送系统所处场所环境粉尘较 大：北方的冶金工厂中，这样的构筑物在设计上 一般不做采暖措施，冬季的环境温度有时达到 零下25℃以下。由于电气设备内部的电子器件 有运行温度范围要求，超越温度范围。电子器件 可能工作不正常，所以，对现场控制箱采取防护 措施是很有必要的。另一方面，电气设备选用的 防护等级要高一些，以保证在粉尘比较大的环 境场所正常工作。 经过思考和研究，找到一种方法：在工艺段 上安装总线设备的电气箱内加装电加热设施， 采用温度控制器和电加热器构成温控系统．根 据电子器件工作的温度范围，通过设定温度控 制器的温度范围，可实现电气箱内的温度控制， 保证现场总线控制设备的正常运行。现场控制 箱内部布置如图3所示 厂 、 J - J ￡ 导轨 g 一 1 亡 01 l J - 巨 —— 暑 量 一 皇 …… f／／ ／控制器／ 一 0 ’ 暑 输监模块| 整刻 垫 鲁 吕 0 一 ， 口 口 、 ． 600 3现场控制箱内部布置 在两条炼钢合金散料输送工艺段所采用的 现场总线控制系统中尝试使用这种方法，顺利 通过环境的检验，保障了炼钢合金散料输送的 正常运行，电气控制、检测设备在要求的温度范 围内正常运行。 2．5动力电缆和通信电缆敷设方式 电缆敷设按照国家标准进行，在电缆桥架上 敷设时，动力电缆与控制电缆和通信电缆分开。 2．6显示、报警画面编制注意事项 现场总线系统一般不是独立的，常常与其他 第4期 冶金自动化 87 制指令和画面在 制指令的名称要与现场总线设备 名称保持一致，画面上显示的设备名称要与现 场总线设备名称保持一致。这样当设备投入生 产后，电气设备一旦出现故障，便于维护人员查 找和及时排除故障。 2．7应用结果 2004年某炼钢厂四：【区合金散料鞍钢输送 工艺段上采用现场总线控制设备，2006年鞍钢 鲅鱼圈炼钢合金散料输送工艺段上采用现场总 线控制设备，均实现了对合金散料输送的自动 控制。这两套现场总线控制设备经过多年的生 产运行检验，达到了预想的设计目标。设备运行 稳定，自动控制水平高，故障率低，经受住了现 场恶劣环境的考验，降低了现场维护的工作量， 确保了生产线的稳定运行。将现场总线的设备 安装在机械运行设备附近，通过通信方式进行 控制，可节省大量控制电缆，降低工程投资。 3现场总线应用的注意事项和经验教训 3．1注意事项 (1)找出适合现场总线应用的生产场所。冶 金工厂总线方式的理想场所，如炼钢合金散料输送 系统、焦化厂运焦输送系统、原料场原料输送系 统等。这些场所的共同特点是由多条运输皮带 组成，两侧设有料仓，工艺段之间的冶金材料输 送距离大致在几百米到几千米。比较适合采用 现场总线控制方式，实现冶金材料输送。 (2)在现场总线控制系统中采用协议方式。现场总线适用多种通信协议，与 成网络控制系统。经常采用的通信 协议为P。选择现场总线的场 所大多数是控制设备比较分散，距离相对比较 长，巡检相对困难的场所。采用式是正确的选择。其优势在于距离长、站点 多、速度快、扫描时间短，能够给出准确的故障 定位和详实的故障信息。在设备运行的状态，现场总线的设备一旦出现 故障，在计算机故障监控画面上显示出设备的 故障点，指导生产维护人员及时找到设备故障 并顺利排除，大大降低维护人员的巡检工作量． 保证生产设备的顺利运行。这是中专有的功能，其他通信协议可能无法实现。 采用果。无法提供准确的故障诊断功能，现场总线设备 出现故障，设备维护人员只能逐个设备查找，直 至把故障设备找到后，才能排除故障。想要 ，需增加控制系统软件功能，并对控制系统进 行软件编制。才可能实现控制设备的准确故障 定位和详实故障信息显示。从另一个角度来看， 这给现场总线的应用者增加了很多工作量，带 来了不必要的麻烦。 (3)选用适合生产现场环境的总线设备。为 了保证现场总线设备的运行，选用适合于生产 现场环境条件的现场总线设备也是很关键的， 需着重注意以下因素。1)温度。位于我国黄河以 北的冬季寒冷的地区，在没有保温设施的条件 下，冬季最低气温在一23℃的地区，现场总线须 选用一25～+55 的控制设备：冬季最低气温在 一35℃的地区．现场总线须选用一40～+70 设备，以适应温度环境要求。2)粉尘。在冶金 工厂．特别是在应用现场总线控制设备的生产 工艺段，自然环境都比较差，粉尘比较大，可带 电的金属微粒较多。现场总线须选用防护等级 为适应恶劣环境的要 求。 (4)采用合适的方法对现场总线设备进行 防护。现场总线设备有适应环境温度要求的设 备，但是相配套的控制设备并不是全都达到环 境温度要求。电气控制设备内部的控制部分基 本上由电子器件构成，电子器件对环境温度有 要求。环境温度越低，电子器件成本越高，价格 越贵。当环境温度低于电子器件的温度范围时， 电气控制设备不能正常工作，个别电气控制设 88 冶金自动化 第38卷 备的故障会影响控制网络正常运行。在现场控 制箱内加装温度控制器和电加热器，构成温控 系统来保证箱内温度。 3．2经验教训 2000年初．某焦化厂工程项目在焦炭运焦输 送系统部分采用现场总线控制系统。运焦输送 系统有多条运输皮带，前有低位料仓，后有高位 料仓，工艺段长度约为2 用7— 400系场总线与 成网络控制系统。该项目投产半年后，现场总线 控制设备经常发生故障，不能保证生产的顺利 进行。最终对生产线 中部增设电气控制室，拆除现场总线设备，变为 增加其他监控 设备软件。 对这个项目应用失败的原因进行分析研 究，找到了现场总线在应用时问题：这条现场总 线控制系统，在设计上考虑不周全，对现场总线 设备性能理解不深刻，忽略了环境条件，选用了 防护等级为应环境温度为0～+55℃的现 场总线控制设备。运焦输送系统在冬季环境温 度低、现场粉尘大，没有对现场总线控制设备进 行有效的防护；采用了 能进行准确的故障定位和详实的故障信息显 示，生产维护人员对现场总线控制设备维护不 到位。为此，该焦化厂运焦输送系统经常出现故 障，不能保证生产顺行。 4 结束语 现场总线在钢铁冶金工厂的成功应用，开辟 了现场总线的一片新的应用领域。通过不断地 研究和思索．在前人应用的失败中汲取经验和 教训，才能找出合适的设计方法，把总线技术应 用到实际中去，逐步扩大现场总线应用的覆盖 面，降低工程投资。 『编辑：白 -~1 征文通知 为适应科学技术日新月异的变化，促进冶金企业的信息化和自动化，满足读者和作者的需要，《冶金志 社与全周冶金自动化信息网合作于2015年4)1出版《冶金自动化》增刊(有正式出版期刊号，也作为全罔冶金自动化信 息网年会论文集)，希望广大作者、读者踊跃投稿。文稿一经录用，将收取论文发表费，每篇文章收取发表费1000元 (按作者投稿时计算，正文小四号字，通栏排，四边页边距2距1．5倍，图表六号字，7页内；不足一页按一 页算)。每增加一页多收200元，论文见刊后将向作者支付100元稿酬；如发表费由个人支付，则发表费收取900元，多出 页码的收费同上，见刊后无稿酬。款到后，编辑将按科技期刊标准和本刊要求与您联系文章修改事宜。《冶金自动化》 增刊刊出的论文可以在中国知网等数据库中检索到。增刊出版后向第一作者赠送一本样刊。若其他作者需要，可以和 杂志社联系订阅，每本收取工本费100元。 投稿网址：稿时请注明：增刊投稿 截稿日期：2014—12．31 咨询电话：010—63815269．63848128 欢迎关于自动化产品的厂商联系广告和参加会议等事宜(010—63807255，63841318)。 征文范围 计量和检0n,0技术，计控与节能技术，计算机应用及网络技术，企业信息化技术，电气传动自动化，自动控制理论在 国内外冶金过程(包括钢铁和有色金属)控制与科学管理中应用的新发展(如专家系统、模糊控制、神经网络等)、新成 果和新经验以及软件技术和软件产品的应用。特别欢迎有关最新技术的综述文章，也欢迎其他行业术论文。 非常欢迎有关单位批量论文投稿，以单位专栏形式集中宣传。 征文要求 论文内容应具有实用性和创新性，未公开发表过，以具体实例为对象。切勿一稿多投。作者文责自负。关于论文的 详细要求请登录我刊网站首页，参考“本社消息”中的“作者须知”。 《冶金自动化》杂志社 2014年5月