第二炼钢厂LF炉自动化系统网络组成及常见故障判断.doc

第二炼钢厂LF炉自动化系统网络组成及常见故障的判断第二炼钢厂LF炉自动化系统网络组成及常见故障的判断蒋 学 军首钢计量自动化公司维护二车间一、 LF炉工艺概述炉外精炼处理技术在炼钢生产中，是提高产品质量、扩大品种、提高生产率和实现连铸直轧的重要手段，也是进一步提高钢的清洁度和降低钢中杂质含量的有效措施。LF钢水精炼炉是上个世纪九十年代国际先进的钢水精炼技术，通过对钢水的再次冶炼，调整钢水化学元素的含量，来提高钢水的品位，增加钢的品种。首钢第二炼钢厂210吨LF钢包炉是该厂精品线的重要组成设备，是为配合大板坯连铸机改造的配套工程，投产后，将满足首钢钢材产品的更新，以及生产高附加值产品对钢水的要求。这套设备的关键和核心技术是从奥钢联公司引进的，技术含量高，工艺先进。LF炉通过电弧加热、吹氩搅拌等深加工处理，对钢水进行精炼和调温，钢中硫含量可以降低到0.0015%以下，使连铸钢水达到洁净、均匀、稳定的生产工艺要求，可以显著提高铸坯质量、降低钢水返回率，进而提高生产效率、降低工序成本。它的投产可使中板厂、线材厂、型材厂“吃上”精品连铸坯，为开发新品种奠定了基础。首钢第二炼钢厂210吨LF钢包炉由电极加热、吹氩搅拌、合金加料、喂丝、冷却水及压缩空气系统、测温取样、液压站、干油润滑系统、除尘及烟气系统、中压电气系统、钢样分析等组成。生产工艺为炼钢转炉处理完的钢水使用钢包由天车吊运到LF炉，采用吹氩搅拌、电弧加热等进行深加工处理，对钢水进行精炼和调温，同时加入所需的合金原料和喂入所需的金属丝，对钢水的成分进行调整， 并对钢水进行进一步的脱硫，满足连铸机所需的洁净、均匀、稳定的钢水工艺要求。二、 网络化的自动化控制系统首钢第二炼钢厂210吨LF炉自动化控制系统由两级系统组成，即过程控制级和基础自动化级组成。一级基础自动化级以Siemens公司的S7-400 PLC为控制核心，现场分布式单元采用ET-200M作为I/O从站，现场总线为Profibus-DP。另外电极调整系统ArCOS、测温定氧仪Celox等设备与S7-400 PLC的数据通信采用串行口点对点通信方式。喂丝机控制系统选用Siemens公司的S7-300 PLC，采用MPI通信方式与S7-400 主PLC通信。LF炉的主要控制对象有：上料系统、电极升降、氩气底吹、喂丝、冷却水及压缩空气系统、液压站、干油润滑系统、除尘及烟气系统、中压电气系统等。一级操作员站采用工业控制计算机通过以太网TCP/IP协议与PLC进行通讯，监控软件可选用WINCC HMI监控软件，主要完成监控和数据采集（SCADA）功能，主要包括：流程图显示、控制过程组态、参数设定、数据记录、实时或历史趋势显示、报警及打印、操作方式切换等。二级过程控制系统由服务器、客户机、报表打印机等构成，采用OPC通过以太网TCP/IP协议与PLC进行数据交换，与光谱分析系统、渣样分析系统等采用串行通信及以太网进行数据传送。除实现操作功能外，主要根据钢种、钢水成分、钢水温度等参数进行模型计算，并将计算结果送入PLC中自动控制加热时间、电弧强度、搅拌时间及强度、合金加料量、喂丝量等冶炼生产过程。自动化控制系统的网络组成图如下所示：该自动化控制系统的主要设备包括：l 一级基础自动化部分： LF炉主体控制PLC：采用西门子S7-400 PLC，包括1个PLC I/O主站，14个现场分布式I/O从站，通信方式为Profibus-DP。主要完成LF炉主体设备（如电极升降、钢包行走、吹氩搅拌、合金加料、液压、冷却水、测温取样、润滑、高压开关柜、废气除尘等）的逻辑连锁控制功能； 喂丝机PLC（2套）：采用西门子S7-300 PLC，包括一个I/O站和一个操作面板TP170A，通信方式为Profibus-DP。该PLC与主体PLC之间的数据通信采用MPI方式，与一级HMI及二级服务器的数据传送由主体PLC间接完成。它主要完成喂丝功能； 电极调节系统ArCOS：电极调节系统是基于一台工业PC和CAN总线I/O模件及PCI I/O控制板的控制系统。通过RS232（RK512 3964R协议）与LF炉主体PLC通信，其中与一级HMI及二级服务器的数据传送由主体PLC间接完成。主要完成通过液压伺服阀控制电极升降，调节电极电流，控制电弧强度及过压过流短路保护控制； 测温定氧仪：采用Heraus(贺利士)的Muti Celox单元，实现冶炼过程中钢水温度、含氧量的快速测量等功能。通过RS232（RK512 3964R协议）接口与LF炉主体PLC进行数据通信； 操作员站：2套工业控制PC，采用西门子的WinCC监控软件作为HMI（人机交换接口），与主体PLC之间采用工业以太网TCP/IP协议进行数据通信。主要完成监控和数据采集（SCADA）功能，主要包括：流程图显示、过程控制、参数设定、数据记录、实时或历史趋势显示、报警及打印、操作方式切换等。l 二级过程自动化级：使用工业控制计算机为平台，操作系统为Windows NT 4.0，数据库为MS SQL 2000，采用服务器/客户机方式。 二级服务器：采用OPC方式通过以太网TCP/IP协议与主体PLC进行数据通信，通过以太网TCP/IP协议和串行通信（RS422/ Compac数据格式）与钢样分析系统进行数据通信。主要功能有：冶炼规程存储调用、冶炼数学模型计算，冶炼进程控制，生产数据保存等； 二级客户机：数据查询、报表打印、规程添加及修改等；l 钢样分析系统：包括光谱分析ARL4460和渣样分析ARL9800，分析钢水成分，向二级提供冶炼中及冶炼完成时钢水的成分。该自动化控制系统的主要特点： 全部生产设备运行均有自动化控制系统控制，冶炼过程可自动完成，自动化水平高； 所有控制设备的数据传送均采用各种通信方式实现，网络成为该系统的重要组成部分； 通信方式繁多，从低速的串行通信到中速的现场总线，乃至高速的快速以太网； 采用许多通信协议，如串行通信的3964R协议、Compac协议，现场总线的Profibus、MPI协议和CAN总线，以太网的TCP/IP协议等。三、 网络故障判断随着自动化技术的不断发展，通信网络在自动化控制系统中扮演了越来越重要的角色，网络就是信息高速公路，一旦发生故障，整个控制系统将处于瘫痪状态。目前，在可靠性、稳定性、连续性要求很高的控制系统中，网络冗余是系统的基本配置。因此，如何快速地判断、处理网络通信故障是自动化设备维护工作中的重要环节。首钢第二炼钢厂LF炉自动化控制系统是一个全网络集成的先进的控制系统，同时该系统采用了多种网络通信方式及多种通信协议。下面从HMI的系统状态图、通信设备状态指示、使用编程和组态软件进行诊断三个层次介绍网络通信故障的发现、判断及处理方法。1 根据HMI的系统状态图判断 该自动化控制系统一级HMI操作员站使用WinCC监控软件编制一监控画面用于监视整个控制系统各个部分的通信状态。使用它可以迅速发现、故障存在的部位，便于下一步进一步地处理故障。该监控画面如下所示：BAC在该监控画面中，整个自动化控制系统与LF炉主体PLC进行数据通信的设备的通信状态均能监视。图中A为ET200M现场分布I/O站与LF炉主体PLC之间的Profibus-DP通信状态，通信正常为绿色，故障为红色闪烁；B为喂丝机S7-300 PLC与LF炉主体PLC之间的MPI通信状态，通信正常为绿色，故障为红色闪烁；C处可分别显示LF炉主体PLC与HMI、二级自动化、喂丝机PLC、电极调整系统ArCOS之间的通信状态，通信正常为绿色，故障为红色。各种故障现象及可能发生的原因如下表所示：序号故障显示部位和现象故障发生的原因故障处理办法1A、B、C均显示故障1 WinCC出现问题、操作系统故障或通信故障；2 LF主体PLC CPU停机、故障或程序丢失；3 LF主体PLC CP443停机、故障或配置错误；4 以太网故障；5 所有设备未上电。1 检查WinCC配置、操作系统检查以太网电缆和通信网卡及参数设置；2 检查LF主体PLC CPU及程序；3 检查LF主体PLC CP443及配置参数和程序；4 检查以太网电缆和交换机；5 检查供电系统。2A中所有ET200M均显示故障1 LF主体PLC Profibus通信口故障或配置错误；2 Profibus电缆损坏或终端电阻设置错误；3 相关设备未上电。1 检查LF主体PLC程序和运行硬件诊断程序；2 检查Profibus电缆和终端电阻设置；3 检查供电系统。3A中某个区域ET200M均显示故障（ET200M电缆连接相邻）1 Profibus电缆损坏或终端电阻设置错误；1 检查Profibus电缆和终端电阻设置；4A中一个或几个ET200M均显示故障（ET200M电缆连接不相邻）1 ET200M站IM153模件故障；2 ET200M站IM153模件地址设置错误；3 相关设备未上电。1 更换IM153模件；2 检查IM153模件地址设置；3 检查供电系统。5B、C中两台喂丝机PLC均显示故障1 LF主体PLC和喂丝机PLC MPI通信口故障或配置错误；2 MPI电缆损坏或终端电阻设置错误；3 LF主体PLC Connection组态错误或未装载Connection组态；4相关设备未上电。1 检查LF主体PLC和喂丝机PLC程序和运行硬件诊断程序；2 检查MPI电缆和终端电阻设置；3 检查LF主体PLC Connection组态或重新装载Connection组态；4 检查供电系统。6B、C中单台喂丝机PLC均显示故障1 喂丝机PLC MPI通信口故障或配置错误；2 喂丝机CPU停机、故障或程序故障、丢失；3 LF主体PLC Connection组态错误或未装载Connection组态；4 相关设备未上电。1 检查喂丝机PLC程序和运行硬件诊断程序；2 检查喂丝机PLC CPU及程序；3 检查LF主体PLC Connection组态或重新装载Connection组态；4 检查供电系统。7C中LF PLC-HMI显示故障1 WinCC变量或该画面组态出错；2 LF主体PLC程序出错；1 检查WinCC程序；2检查LF主体PLC程序；8C中LF PLC-Level 2显示故障1 二级服务器PC-Refine程序未启动；2 二级服务器SimaticNet OPC未启动或配置组态不正确；3 以太网故障；4 二级服务器未上电、操作系统故障、通信故障1 检查PC-Refine程序；2 检查SimaticNet OPC及配置组态；3 检查以太网电缆和交换机；4 检查供电系统、操作系统、通信卡和参数设置；9C中LF PLC- ArCOS显示故障1. ArCOS PC未上电、PC故障或程序未运行；2. ArCOS PC串行口故障；3. 通信电缆故障；4. LF主体PLC CP441故障或配置错误；1 检查供电系统、PC和应用程序；2 检查该串行口；3 检查通信电缆；4 检查LF主体PLC CP441及配置参数和程序；2 根据通信设备状态指示判断目前，大部分自动化控制设备（如：CPU模件、通信接口模件、功能模件、智能I/O模件等）均有比较完整的自诊断功能，设备面板上的状态指示灯可以比较全面地反映设备本身及相关外围设备的一些信息，根据设备状态指示可以发现故障，找出问题并处理故障，它也是自动化设备维护工作中最常用和最有效的一种手段。该自动化控制系统中，与网络通信有关的设备如下：l Profibus总线： S7-400 PLC CPU模件 （型号：CPU416-2DP） S7-300 PLC CPU模件 （型号：CPU316-2DP） ET200M I/O站接口模件 （型号：IM153-1） 总线放大器 （型号：RS485 Repeater）l 快速工业以太网： 以太网交换机（型号：D-Link 16Port） S7-400 PLC 以太网模件（型号：CP443-1） 西门子以太网卡（型号：CP1613）l 点对点通信（串行通信）: 西门子点对点通信模件（型号：CP441-2） RS232/RS422转换卡（型号：OPTO 22 AC7B）下面针对各种通信设备的状态指示作详细的介绍：1） Profibus总线 S7-400 PLC CPU模件（型号：CPU416-2DP） 安装位置：LF主体PLC 主I/O站 功能：LF主体PLC核心模件，包括Profibus-DP、MPI通信接口。 状态指示灯如下：指示灯颜色含义s INTF 红色 内部故障s EXTF 红色 外部故障s FRCE 黄色 强制工作有效s CRST 黄色需要热启动s RUN绿色 运行状态s STOP 黄色停止状态s DP INTF 红色 Profibus-DP接口内部故障/错误s DP EXTF红色 Profibus-DP接口外部故障/错误s DPBUSF红色 Profibus-DP接口总线故障/错误其中DP INTF、DP EXTF、DP BUSF为Profibus-DP通信接口的状态指示灯，各状态指示灯显示的错误含义如下表所示：指示灯错误含义处理方法DP INTFDP EXTFDP BUSF检测到一个内部故障/错误运行诊断程序检测到一个外部故障/错误运行诊断程序l 总线故障（硬件故障）；l DP接口错误；l 多DP主站方式下传输速率不一致；l 检查总线电缆是否短路或断路；l 审查诊断数据，重新配置或正确配置参数；l DP站故障；l 至少一个从站无法连接；l 确保总线电缆与CPU连接正确并没有中断；l 检查所有DP从站，审查DP从站诊断数据，重新配置或正确配置参数； = 指示灯常亮; = 指示灯闪烁; = 指示灯状态不相关当Profibus-DP、MPI接口发生错误时，状态指示灯EXTF也相应变亮。 S7-300 PLC CPU模件（型号：CPU316-2DP） 安装位置：喂丝机PLC 主I/O站 功能：喂丝机PLC核心模件，包括Profibus-DP、MPI通信接口。 状态指示灯如下： 指示灯颜色含义s SF 红色硬件或软件错误s BF红色Profibus-DP接口总线错误s 5 VDC 绿色CPU and S7-300总线5VDC正常s FRCE 黄色强制工作有效s RUN 绿色运行状态s STOP 黄色停止或暂停状态，如需要重新启机，0.5Hz频率闪烁其中BF为Profibus-DP、MPI通信总线的状态指示灯，其显示的错误含义如下表所示：指示灯状态可能发生的错误处理方法BF 常亮l 总线故障（硬件故障）；l DP接口错误；l 多DP主站方式下传输速率不一致；总线发生短路；l 检查总线电缆是否短路或断路；l 审查诊断数据，重新配置或正确配置参数；BF 闪烁CPU为DP主站：l 一个相连接的DP站故障；l 至少一个从站无法连接；l 不正确的参数配置；l 确保总线电缆与CPU连接正确并没有中断；l 检查所有DP从站，审查DP从站诊断数据，重新配置或正确配置参数；CPU为DP从站：l CPU编程不正确可能导致监视应答时间超时；l Profibus-DP通信中断；l 错误的Profibus地址；l 不正确的参数配置。l 检查CPU;l 检查总线连接器是否正确插好；.l 检查与DP主站连接的电缆是否中断；l 检查配置数据和参数。 ET200M I/O站接口模件（型号：IM153-1） 安装位置：LF主体PLC 各现场分布式ET200M I/O站功能：ET200M I/O站通信接口模件，使这些I/O站作为Profibus-DP从站与主站PLC通信。 状态指示灯如下： 指示灯颜色含义s SF 红色硬件或软件错误s BF红色Profibus-DP接口总线错误s ON 绿色供电正常各状态指示灯显示的错误含义如下表所示：指示灯错误含义处理方法ONSFBF设备未上电或模件正在进行硬件检测。给设备提供24VDC电源。设备工作正常参数配置不正确，该从站与DP主站间没有数据传输；Profibus地址不正确。检查IM153模件；检查配置和参数；检查Profibus地址。传输速率检测错误或无效的Profibus地址；监视应答时间超时；该从站与DP主站通信中断；设置正确的Profibus地址，检查总线参数配置；检查总线电缆和电缆连接器；给设备下电再重新上电；程序中该ET200M站的配置和实际不一致；如该站中存在信号或功能模件的SF指示灯亮，信号或功能模件错误，没有则为IM153模件故障。检查模件是否存在错误或没有配置；使用Step7查看程序；运行诊断程序，更换故障的模件。 = 指示灯常亮; = 指示灯闪烁; = 指示灯灭 总线放大器（型号：RS485 Repeater） 安装位置：某个ET200M I/O站 功能：当Profibus-DP通信电缆长度大于200m(速率为1.5Mbuad)时，电气信号衰减太大，无法保证正常的数据通信，使用RS485总线放大器对信号进行放大。 状态指示灯如下： 指示灯颜色含义s DP1 绿色Profibus-DP总线第1段连接正常s DP2绿色Profibus-DP总线第2段连接正常s 24VDC绿色设备24VDC电源正常2） 工业以太网 以太网交换机（型号：D-Link 16Port） 安装位置：计算机控制柜 功能：以太网通信设备。 交换机系统指示灯：LED 颜色 状态说明s Power 绿灯 亮 交换机已正常加电绿灯 闪动 交换机正在启动s Console 绿灯 亮 正在进行设备配置管理 端口指示灯：每个端口都有两个指示灯。LED 颜色 状态 说明s Link/ACK 绿灯 亮 此端口已建立起正常的连接绿灯 闪动 此端口正在传输数据s 100 绿灯 亮 此端口正工作在100 MBuad速度如端口指示灯Link/ACK不亮或不闪烁，则连接该端口的以太网电缆有故障或损坏，或者电缆另一端的设备没有上电或网卡故障。 S7-400 PLC 以太网模件（型号：CP443-1） 安装位置：LF主体PLC主I/O站 功能：Siemens S7-400以太网通信模件，用于S7-400 PLC与其它设备进行以太网通信。 状态指示灯及代表的工作方式如下：STOP黄色RUN绿色INTF红色EXTF红色模件工作方式模件启动模件运行模件正在停止模件停止外部错误，模件停止外部错误，模件停止模件故障/系统错误 指示灯亮 指示灯灭 指示灯闪烁 西门子以太网卡（型号：CP1613） 安装位置：一级和二级工业控制计算机中 功能：用于PC计算机中的以太网通信卡，与LF主体PLC进行以太网通信及各工业计算机之间以太网通信。 3） 点对点通信 西门子点对点通信模件（型号：CP441-2） 安装位置：LF主体PLC主I/O站 功能：西门子点对点通信模件，内置两个RS232C接口子模件，支持3964R、RK512计算机连接协议。用于LF主体PLC与电极调节系统ArCOS、测温定氧仪Celox进行点对点通信。 状态指示灯如下：指示灯颜色含义s INTF红色模件内部故障s EXFT红色模件外部故障s FAULT 1红色第1接口通道故障s TXD 1绿色第1接口通道故障正在发送数据s RXD 1 绿色第1接口通道故障正在接受数据s FAULT 2 红色第2接口通道故障s TXD 2绿色第2接口通道故障正在发送数据s RXD 2 绿色第2接口通道故障正在接受数据各状态指示灯错误/故障时显示的含义及处理方法如下表所示：指示灯状态错误含义处理方法INFT 亮模件内部错误故障如：硬件故障或软件错误可参见程序SFB状态信息EXFT 亮模件外部错误故障如：通信电缆中断可参见程序SFB状态信息FAULT 灭通信接口准备就绪或接口子模件没有插入FAULT 慢闪通信接口已初始化，准备就绪，但无法与S7-400底板进行通信检查配置和连接参数（如插槽、ID号等）FAULT 快闪无效的参数或插入的子模件错误或故障（模件和接口参数不兼容）检查CP 441参数配置软件中用户接口参数设置及检查接口子模件FAULT 亮无接口参数或子模件硬件故障设置CP 441参数配置软件中用户接口参数设置及检查接口子模件RS232/RS422转换卡（型号：OPTO 22 AC7B） 安装位置：钢样分析室ARL4460光谱分析系统 功能：RS232/RS422通信转换卡，用于二级服务器与ARL4460光谱分析系统之间的数据传输。 状态指示灯及代表的含义如下：指示灯TX (发送)闪烁表示AC7A/B正在向它的RS-422端口发送数据。 TX = RS-232 AC7A/B RS-422指示灯RX (接收)闪烁表示AC7A/B正在从它的RS-422端口接收数据。RX = RS-232 AC7A/B RS-422/485指示灯CTS (允许发送)亮表示AC7A/B从其它RS422设备接收一CTS信号，其它RS422设备已准备好接收数据。CTS = AC7A/B Online 打开个项目的在线窗口，展开所用站以至所有编程模件都能显示；iii. 这时在CPU模件图标上可显示其工作模式及是否存在故障或错误；iv. 选择所需进行诊断的站；v. 使用菜单命令PLC Module Information可显示该站CPU模件的信息；vi. 使用菜单命令PLC Diagnose Hardware可显示该站CPU模件和存在故障的模件，选择故障模件，点击Module Information可获得该模件的信息；vii. 根据模件的信息可比较方便地了解模件的错误和故障情况，如下图所示：。另外，使用Step7的HW Config（硬件配置）可以全面地了解所有模件的情况，使用菜单命令Station Open Online，如下图所示：在HW Config的在线窗口中，可以了解机架的配置、所有模件的诊断符号、模件类型和地址等详细情况，在上图中，可以比较全面地看到整个Profibus-DP总线上所有设备的状况，选择故障的模件，点击Module Information可以获得该模件的诊断信息，如下图所示： 详细的情况可以参见手册Programming with STEP 7 V5.1 Manual的第21章Diagnostics和手册ET 200M Distributed I/O Device Manual的第7章第7节Diagnostic data of the ET 200M。2） 快速以太网对于TCP