現(xiàn)場總線儀表在八鋼120t轉(zhuǎn)爐煉鋼系統(tǒng)的應(yīng)用

楊堃

摘要：現(xiàn)場總線儀表由于其全數(shù)字性、精度高、抗干擾能力強(qiáng)、高速通信、內(nèi)嵌控制功能、系統(tǒng)綜合成本低等特點(diǎn)被大量應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)中，但在不同的工業(yè)流程及現(xiàn)場環(huán)境下如何可靠運(yùn)行是眾多使用者關(guān)注的重要問題。介紹八鋼公司第二煉鋼廠轉(zhuǎn)爐現(xiàn)場總線儀表的應(yīng)用情況，對該系統(tǒng)在運(yùn)行維護(hù)中發(fā)現(xiàn)存在的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、接地、總線短路等問題進(jìn)行了分析并提出相應(yīng)的解決措施。

關(guān)鍵詞：現(xiàn)場總線;異構(gòu);接地

1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及配置

第二煉鋼廠控制系統(tǒng)依據(jù)煉鋼轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)工藝分布的特點(diǎn)分別在轉(zhuǎn)爐底吹、凈汽化、轉(zhuǎn)爐供氧、轉(zhuǎn)爐煙道及給水泵、LF精煉爐、除塵風(fēng)機(jī)等工藝系統(tǒng)敷設(shè)總線共31條，每條總線上掛接總線儀表設(shè)備8-12臺profibus-PA。其控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)為C/S（客戶端/服務(wù)器）結(jié)構(gòu)，服務(wù)器為主、備服務(wù)器，每臺服務(wù)器上安裝數(shù)據(jù)服務(wù)器與PLC采用工業(yè)以太網(wǎng)通訊協(xié)議?，F(xiàn)場溫度、流量、壓力儀表均設(shè)計采用西門子公司的profibus-PA現(xiàn)場儀表總線協(xié)議，各條PA總線接入TURCK BL20總線模塊后通過DPLink接入profibus-DP網(wǎng)絡(luò)。由于主控制系統(tǒng)PLC采用AB公司的Controil-Logix1756系列產(chǎn)品，為了實現(xiàn)DP總線系統(tǒng)與PLC間的異構(gòu)數(shù)據(jù)通訊，采用美國AB公司生產(chǎn)的支持profibus通訊協(xié)議的SST通訊卡。其他轉(zhuǎn)爐電氣設(shè)備如開關(guān)量、變頻器等設(shè)備則采用AB公司CONTROLLNET網(wǎng)絡(luò)與PLC實現(xiàn)通訊連接。

2總線儀表接地

在煉鋼生產(chǎn)流程中，各類大型電機(jī)、變頻器等電器設(shè)備的使用數(shù)量和種類繁多，其周邊惡劣的電磁環(huán)境會影響到測控系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，因此總線儀表的接地系統(tǒng)的設(shè)計、施工規(guī)范與否，對總線系統(tǒng)日后的運(yùn)行至關(guān)重要。第二煉鋼廠與電氣系統(tǒng)合用接地系統(tǒng)如圖2所示。第二煉鋼廠總線儀表系統(tǒng)接地全部接入工作地匯流排，與保護(hù)接地、中性點(diǎn)接地及管道接地、電氣PE、接閃器引下線、建構(gòu)筑物接地等均聯(lián)接入總接地板后接入多個并聯(lián)的接地極，形成等電位聯(lián)接。所有總線與直線電纜的屏蔽層全部聯(lián)接在一起后集中一點(diǎn)接地，保證每條總線實現(xiàn)單端接地，這種接地聯(lián)接方式符合HG/T20513-2000《儀表系統(tǒng)接地設(shè)計規(guī)定》的標(biāo)準(zhǔn)要求。

3運(yùn)行維護(hù)及設(shè)備管理

通過幾年的連續(xù)運(yùn)行，總線儀表系統(tǒng)表現(xiàn)出其明顯優(yōu)于傳統(tǒng)模擬量儀表的優(yōu)點(diǎn)：（1）與傳統(tǒng)的模擬量儀表系統(tǒng)相比，總線儀表系統(tǒng)設(shè)計在3座轉(zhuǎn)爐煉鋼節(jié)省了大量信號電纜敷設(shè)量，現(xiàn)場總線在實際應(yīng)用中發(fā)揮了其能夠采集大量信息數(shù)據(jù)的優(yōu)勢，儀表維護(hù)人員使用PDM軟件可以通過DPLink上的profibus-DP總線端口監(jiān)控到儀表自診斷信息及其運(yùn)行維護(hù)狀態(tài)，對總線儀表的量程、阻尼、零點(diǎn)遷移等參數(shù)進(jìn)行修改，改變了以往儀表維護(hù)人員必須到現(xiàn)場惡劣環(huán)境下從事維護(hù)作業(yè)的方式，提高了維護(hù)效率。（2）根據(jù)生產(chǎn)工藝的實際需求，在總線上增加儀表測點(diǎn)也變得較為容易，只需要增加某條總線上的節(jié)點(diǎn)就能完成，節(jié)省了大量的電纜敷設(shè)及PCL系統(tǒng)模板的費(fèi)用。（3）總線儀表的數(shù)字化信號傳輸方式減少了模擬儀表A/D、D/A間轉(zhuǎn)換誤差，其測量精度有所提高。

盡管總線儀表的優(yōu)勢明顯，但在現(xiàn)場實際應(yīng)用中也暴露出部分問題。

（1）總線架構(gòu)設(shè)計不合理導(dǎo)致總線儀表實時狀態(tài)監(jiān)測功能未能充分發(fā)揮。從圖1中可以看出，第二煉鋼廠控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)采用了異構(gòu)通訊模式，其造成的直接結(jié)果是儀表維護(hù)人員無法直接在工程師站通過AB公司的CONTROLLOGIX監(jiān)控到現(xiàn)場設(shè)備層內(nèi)所有總線儀表的設(shè)備狀態(tài)及自診斷信息，也無法進(jìn)行遠(yuǎn)程參數(shù)修改，儀表維護(hù)人員對現(xiàn)場總線設(shè)備的實時檢測管理失效，僅能通過筆記本電腦完成定期監(jiān)控儀表狀態(tài)和修改參數(shù)的工作，實質(zhì)上造成了總線儀表設(shè)備功能的浪費(fèi)。

（2）接地系統(tǒng)問題直接影響到儀表總線正常通訊?，F(xiàn)場總線儀表抗干擾能力強(qiáng)是其特點(diǎn)之一，其信號的有效值只有“0”和“1”兩個，一般的噪聲很難扭曲它，其檢錯機(jī)制還可以檢測到信號畸變。從圖2可以看到，設(shè)計將電氣保護(hù)地、管道接地、中性點(diǎn)接地全部接入?yún)R流排后引入接地極，但由于八鋼所處地理環(huán)境較為干燥，其接地極接地電阻難以達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)中“≤4Ω”要求，且在總線敷設(shè)施工中，總線電纜與動力電纜未能實現(xiàn)分槽敷設(shè)，因此在生產(chǎn)中頻繁出現(xiàn)干擾信號將總線數(shù)字信號淹沒的問題，如圖3中煉鋼3號轉(zhuǎn)爐氧槍系統(tǒng)總線儀表檢測值趨勢圖可以看出，關(guān)鍵儀表檢測信號頻繁回零，導(dǎo)致轉(zhuǎn)爐連鎖停爐的故障時有發(fā)生。

（3）總線短路影響?，F(xiàn)場總線每段掛有8～9臺儀表，每個單臺儀表的短路會影響整條總線內(nèi)儀表的正常工作，維護(hù)人員很難判斷故障點(diǎn)，必須對整條總線內(nèi)所有儀表及三通接頭逐一打開檢查。由于第二煉鋼廠-連鑄-軋鋼生產(chǎn)緊密銜接，一旦發(fā)生總線短路故障，其故障的查找時間較長就會造成全線停產(chǎn)事故，對轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)造成的損失高達(dá)上百萬元。這一部分故障多數(shù)是由于總線設(shè)備電子元件損壞或設(shè)備防護(hù)未做好導(dǎo)致。

（4）現(xiàn)場總線儀表運(yùn)算功能塊未能發(fā)揮作用。現(xiàn)場總線儀表的一大功能就是實現(xiàn)了設(shè)備底層“互聯(lián)”，如電磁流量計、氣動調(diào)節(jié)閥的智能定位器均能通過與測量設(shè)備間的通訊互聯(lián)，組建帶有“PID”運(yùn)算的自動控制系統(tǒng)，也可以對流量信號實現(xiàn)溫度、壓力補(bǔ)正等多參數(shù)運(yùn)算，但目前碳鋼煉鋼系統(tǒng)中這些運(yùn)算控制功能全部由PLC完成，總線儀表僅提供了單一測量或控制功能。一方面加重了PLC運(yùn)算負(fù)荷，另一方面未能有效發(fā)揮總線儀表優(yōu)勢資源。在PLC自身故障狀態(tài)下，底層總線設(shè)備仍可獨(dú)立運(yùn)行，但在此結(jié)構(gòu)下可能擴(kuò)大生產(chǎn)事故的損失。

針對近年來在第二煉鋼廠現(xiàn)場總線儀表系統(tǒng)出現(xiàn)的問題，采取了以下的針對性措施：

①為防止改變現(xiàn)有異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可能對轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)帶來的巨大影響，制定了如下改造方案。如圖4所示，在AB公司的controllogixPLC與現(xiàn)場設(shè)備層間增加西門子公司S7-300型CPU，設(shè)置獨(dú)立的現(xiàn)場總線工程師站通過PROFIBUS-DP與S7-300CPU通訊，由此儀表維護(hù)人員可以直接讀取對總線儀表設(shè)備所有運(yùn)行狀態(tài)、總線網(wǎng)絡(luò)的實時監(jiān)控及參數(shù)修改。

②為杜絕干擾問題對總線系統(tǒng)的影響，重新選擇總線電纜的敷設(shè)路由，遠(yuǎn)離電氣電纜路由，同時所有總線電纜全部單獨(dú)穿管或敷設(shè)封閉式線槽以減少磁耦合引入干擾。同時根據(jù)接地系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)要求，重新制作接地極，將總線系統(tǒng)工作地、保護(hù)地與原有的電氣保護(hù)接地、構(gòu)筑物接地、中性點(diǎn)接地全部進(jìn)行分離，接入獨(dú)立的接地極。

③將原有的總線三通接頭更換為AFD總線連接器，其帶有防短路設(shè)計，不論支線任一節(jié)點(diǎn)發(fā)生短路不會影響到整條總線的通訊傳輸，故障查找也變得較為容易，有效避免了了三通式通訊接頭所帶來的故障隱患。

④對于如轉(zhuǎn)爐底吹系統(tǒng)、氧氣流量運(yùn)算等簡單自動控制系統(tǒng)和運(yùn)算，下移至總線儀表內(nèi)完成，降低PLC運(yùn)算負(fù)荷和事故風(fēng)險。

綜上所述第二煉鋼廠現(xiàn)場總線所出現(xiàn)的各類問題，在工業(yè)生產(chǎn)實際應(yīng)用中應(yīng)注意以下幾點(diǎn)，即盡量避免建立異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，并極可能發(fā)揮現(xiàn)場總線儀表的功能特點(diǎn);總線系統(tǒng)受到電磁場及接地系統(tǒng)引入干擾后問題更加嚴(yán)重，因此應(yīng)將現(xiàn)場總線的接地系統(tǒng)與其他接地獨(dú)立;對總線儀表設(shè)備并聯(lián)通訊所可能導(dǎo)致的單一故障影響整條線問題的可能性進(jìn)行預(yù)估并制定必要的防護(hù)措施。

結(jié)語

通過采取以上針對性的措施，煉鋼總線儀表設(shè)備引發(fā)的生產(chǎn)事故開始大幅降低，再未發(fā)生因總線系統(tǒng)干擾導(dǎo)致信號回零發(fā)的問題出現(xiàn)。因此也反映出現(xiàn)場總線儀表明顯優(yōu)于傳統(tǒng)儀表的優(yōu)勢和功能特點(diǎn)，但必須根據(jù)現(xiàn)場情況對其所處環(huán)境、工藝流程特點(diǎn)、電場、磁場分布及所需總線設(shè)備達(dá)到的功能進(jìn)行綜合考量，以提高其全系統(tǒng)運(yùn)行可靠性、穩(wěn)定性。

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