郝廣春 武衛(wèi)軍 閆建英

【摘  要】作為ABB公司的Industrial^IT AC800F與鋼鐵業(yè)的完美結(jié)合，AC800F在宣鋼2500m³高爐又一次成功應(yīng)用。本文從高爐生產(chǎn)工藝出發(fā)，介紹了AC800F系統(tǒng)在2500m³高爐的軟硬件設(shè)計(jì)應(yīng)用，并介紹一些新的設(shè)備及技術(shù)的應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】ABB Industrial^IT AC800F系統(tǒng)   Profibus DP現(xiàn)場總線  GUI（圖形用戶界面）

1.前言

ABB DCS系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、靈活性有口皆碑，為此宣鋼為滿足生產(chǎn)發(fā)展的需要，進(jìn)行的2500M³高爐改造工程項(xiàng)目，它的自控系統(tǒng)仍然采用先進(jìn)并且實(shí)用的ABB Industrial^ITAC800F系統(tǒng)，和以往不同的是，此項(xiàng)目中硬件采用了一些新的技術(shù)，軟件全部由我們自主研發(fā)。DCS系統(tǒng)與高爐同步投產(chǎn)，一次性試車成功，確保高爐投產(chǎn)僅4天達(dá)產(chǎn)而成為全國大型高爐達(dá)產(chǎn)最快的高爐之一。并且投產(chǎn)以來自控系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，高爐日日高產(chǎn)，下面就此自控系統(tǒng)及新的技術(shù)做以介紹。

2.2500m3高爐自控系統(tǒng)簡介

2500m³高爐從工藝方面包括以下部分：槽上原料供應(yīng)系統(tǒng)，槽下原料準(zhǔn)備系統(tǒng)，無鐘爐頂控制系統(tǒng)，高爐本體及水冷系統(tǒng)，熱風(fēng)爐控制系統(tǒng)，軟凈循環(huán)水處理系統(tǒng)，噴煤系統(tǒng)，粗煤氣凈化系統(tǒng)，1^#渣處理系統(tǒng)，2^#渣處理系統(tǒng)。

AC800F是ABB集團(tuán)推出的一種具世界領(lǐng)先水平的全能綜合型開放系統(tǒng)，該系統(tǒng)融傳統(tǒng)的DCS和PLC優(yōu)點(diǎn)于一體并支持多種國際現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)。它既具備DCS的復(fù)雜模擬回路調(diào)節(jié)能力、友好的人機(jī)界面（HMI）及方便的工程軟件。又同時(shí)具有與高檔PLC指標(biāo)相當(dāng)?shù)母咚龠壿嫼晚樞蚩刂菩阅�。系統(tǒng)既可以連接常規(guī)I/O，又可連接Profibus、FF、CAN、MODBUS等各種現(xiàn)場總線設(shè)備。系統(tǒng)具備高度的靈活性和極好的擴(kuò)展性，無論是小型生產(chǎn)裝置的控制，還是超大規(guī)模的全廠一體化控制，甚至對于現(xiàn)場設(shè)備維護(hù)管理和跨廠的生產(chǎn)管理控制應(yīng)用，AC800F都能應(yīng)付自如。

系統(tǒng)分為兩級：操作管理級（OS）和過程控制級（PS）。在操作管理級上不僅實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的監(jiān)控操作功能（操作和顯示，打印，趨勢顯示和報(bào)警），而且完成系統(tǒng)硬件診測及不同系統(tǒng)間數(shù)據(jù)交換等功能。過程控制級實(shí)現(xiàn)包括復(fù)雜控制在內(nèi)的各種回路調(diào)節(jié)（各種PID、比值、Smith）和高速邏輯控制、順序控制及批量間歇控制功能�？刂破髋cI/O等各種智能設(shè)備或現(xiàn)場儀表間的通訊采用國際標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場總線，有Profibus（分FMS、DP、PA三級）、CAN、Modbus，與智能現(xiàn)場儀表間的通訊則通過HART協(xié)議或現(xiàn)場總線（31.25kB的Profibus PA和FF總線）。操作管理級和過程控制級的系統(tǒng)通訊是通過系統(tǒng)總線DigiNetS(工業(yè)以太網(wǎng)/IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn))實(shí)現(xiàn)的。

3.2500m3高爐自控系統(tǒng)整體硬件

2500m³高爐的自控系統(tǒng)由過程控制單元、數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)和人機(jī)接口組成，如圖1。

3.1 過程控制站的設(shè)置：系統(tǒng)根據(jù)工藝要求，配置10對冗余AC800F現(xiàn)場控制器，分別對應(yīng)槽上系統(tǒng)、槽下系統(tǒng)、無鐘爐頂控制系統(tǒng)，高爐本體及水冷系統(tǒng)，熱風(fēng)爐控制系統(tǒng)，軟凈循環(huán)水處理系統(tǒng)，噴煤系統(tǒng)進(jìn)行控制。分散布置，集中管理，這就是DCS（DISTRIBUTE CORTROL SYSTEM,集散控制系統(tǒng)）,DCS系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在個(gè)層次環(huán)節(jié)采用冗余以實(shí)現(xiàn)高穩(wěn)定性

3.1.1 CPU采用一對PM802作為冗余控制器，之間用一對EI803反線連接，即DigiNetP，確保數(shù)據(jù)同步，無擾切換。

3.1.2 每一個(gè)控制器都有獨(dú)立的電源模塊SD802，雙路24伏供電分別來自兩個(gè)電源模塊SD823，每個(gè)SD823的220伏又來自于兩個(gè)工業(yè)級美國PCM 30KVA UPS(在線式不間斷電源) ，UPS又來自于分別兩段380伏，這樣就完全實(shí)現(xiàn)了電源的冗余備用。2.1.3現(xiàn)場控制器與S800 I/O站之間的通訊采用標(biāo)準(zhǔn)的，且容易擴(kuò)展的Profibus DP現(xiàn)場總線協(xié)議，該總線的通訊速率為1.5 Mb/s，通訊介質(zhì)采用標(biāo)準(zhǔn)的Profibus DP電纜，其最大通訊距離為1200米。從AC800F現(xiàn)場控制器的Profibus模件（FI830）出來的Profibus DP線經(jīng)過了冗余連接模件 (RLM01)，再連接到CI840 卡件，CI840是標(biāo)準(zhǔn)Profibus-DP/DPV1全冗余通信接口，CI840通過配套TU847底座實(shí)現(xiàn)冗余連接，包括電源接口，及2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)D型9針ProfiBus連接接口，同時(shí)還有2個(gè)服務(wù)接口,和2個(gè)地址設(shè)定旋轉(zhuǎn)開關(guān)。這樣使Profibus DP現(xiàn)場總線實(shí)現(xiàn)完全冗余方式，保證了數(shù)據(jù)通訊的可靠性。圖二是AC800F現(xiàn)場控制器與S800 I/O站之間的連接圖。

3.1.4 首次采用TURCK（圖爾克）的現(xiàn)場總線設(shè)備。TURCK的現(xiàn)場總線設(shè)備有采用CAN（Controller Area Network）協(xié)議的，耦合器的型號是BL67-GW-DN；有采用Profibus DP協(xié)議的，耦合器的型號是BL67-GW-DP。網(wǎng)絡(luò)中的每一段最多32個(gè)節(jié)點(diǎn)，兩個(gè)中繼器之間為一段，如果沒有使用中繼器，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)即為一段，在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)最多連接126（1--125，000、126、127被保留）個(gè)節(jié)點(diǎn)，在給定速率下，每段長度必須在要求的最大長度之內(nèi)，當(dāng)傳輸速率大于500KB/S時(shí)，最多連接 4個(gè)中繼器，當(dāng)傳輸速率小于500KB/S時(shí)，最多連接 7個(gè)中繼器，總線電纜采用低阻抗的雙絞屏蔽電纜。Profibus DP總線替代了來自現(xiàn)場傳感器與執(zhí)行器的昂貴的信號傳輸線。程序中直接在Profibus 總線下導(dǎo)入相應(yīng)GSD文件，GSD文件包括模塊的詳細(xì)信息，IO數(shù)據(jù)量，傳輸速率，模板信息等。

3.2 工程師站（ES）的設(shè)置：在主控室配置一臺工程師站，整個(gè)系統(tǒng)合成一個(gè)項(xiàng)目，全局統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫，這樣就可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)全局編程、調(diào)試。各系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交換只需要定義變量的“輸出”屬性，而不必使用OPC方式或是TCP/IP發(fā)送接收功能塊方式。但是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)不允許IP重名，為此我們按區(qū)域劃分，統(tǒng)一定義IP地址，過程控制站IP地址超過15的還必須使用串口連接，超級終端來修改。最后一定要選擇各節(jié)點(diǎn)“時(shí)鐘同步”。

3.3 操作員站的設(shè)置：本項(xiàng)目配置20臺操作員站，分別成對冗余放置在各工藝區(qū)域，操作員站之間采用1：1后備方式，裝有同樣組態(tài)，確保無論任何一臺操作員站的系統(tǒng)或電源故障，整個(gè)系統(tǒng)可切換到后備操作站。不影響監(jiān)控和實(shí)時(shí)操作。能夠根據(jù)屏幕分辨率顯示傳統(tǒng)的低分辨率GUI（操作員站的圖形用戶界面），也可以顯示新設(shè)計(jì)的高分辨率GUI。在高分辨率顯示屏上運(yùn)行DigiVis，可以同時(shí)打開五個(gè)操作面板。而在分辨率低的傳統(tǒng)顯示屏上，則只能同時(shí)打開三個(gè)面板。

4.2500m3高爐自控系統(tǒng)各部分特點(diǎn)：

4.1 槽上原料供應(yīng)系統(tǒng)：

槽上原料供應(yīng)系統(tǒng)有5個(gè)焦倉，7個(gè)燒結(jié)礦倉，7個(gè)雜礦、塊礦、球團(tuán)倉，槽上供料系統(tǒng)的任務(wù)是：將焦化廠、原料場、燒結(jié)廠運(yùn)來的焦炭、礦石、球團(tuán)礦、燒結(jié)礦等運(yùn)往高爐礦、焦槽。要實(shí)現(xiàn)隨車卸料和自動卸料兩種操作，隨車卸料可在礦、焦槽軸線方向任意位置卸料，自動卸料要求卸料小車在礦、焦槽軸線方向每2m設(shè)置的卸料點(diǎn)處自動卸料。該部分采用TRUCK Profibus DP現(xiàn)場總線加以實(shí)現(xiàn)，采用FLDP-IOM88數(shù)字輸入輸出卡件，該卡件具有8個(gè)數(shù)字輸入，8個(gè)數(shù)字輸出，自帶網(wǎng)關(guān)，安裝在總線箱內(nèi)，現(xiàn)場環(huán)境惡劣，總線箱防護(hù)等級為IP67，卸料小車各段位置就近直接接入，再由一根總線匯總接入槽上的CPU的FI830卡件。現(xiàn)場操作直觀簡便，并節(jié)省大量現(xiàn)場信號線。

4.2 槽下原料準(zhǔn)備系統(tǒng)：

槽下供料系統(tǒng)由礦槽、焦槽、給料篩分及稱量設(shè)備、膠帶運(yùn)輸機(jī)、燒結(jié)及球團(tuán)礦返礦倉、礦石焦炭除鐵器、碎焦分級及焦丁回收系統(tǒng)、通風(fēng)除塵設(shè)施、液壓站及潤滑系統(tǒng)等組成。高爐礦石和焦炭在槽下分散篩分，分散稱量，落入各自的運(yùn)礦皮帶和運(yùn)焦皮帶再經(jīng)主皮帶轉(zhuǎn)運(yùn)至爐頂。程序設(shè)計(jì)繁瑣龐大，為減輕CPU負(fù)荷，利用AC800F的用戶自定義功能塊編制了適合且簡便的功能塊，充分展現(xiàn)AC800F編程軟件的靈活性和實(shí)用性。并且隨時(shí)可以修改的運(yùn)行表單以方便崗位操作。利用ABB的模擬量監(jiān)控和語音報(bào)警功能對設(shè)備和工況實(shí)時(shí)監(jiān)控，并且不同設(shè)備歸類分層次采用不同音樂，真是“一耳了然”。

4.3 無鐘爐頂控制系統(tǒng)：

上料采用皮帶上料形式，爐頂采用雙罐無料鐘設(shè)備，兩料罐分別裝礦和焦。料罐內(nèi)壓力等于外部大氣壓時(shí)，裝料，裝料完畢后，對料罐進(jìn)行充壓，使之達(dá)到爐內(nèi)壓力后，將料罐的料布入爐內(nèi)。布料采用多環(huán)布料方式，現(xiàn)場利用德國ELCO絕對值編碼器反應(yīng)的傾動、回轉(zhuǎn)、料流角度再通過傾動、回轉(zhuǎn)設(shè)備將料以多個(gè)環(huán)位、每個(gè)環(huán)位布一定的圈數(shù)的方式布入爐內(nèi)，這樣就可以均勻地布料，使?fàn)t內(nèi)燃燒平衡。其中傾動的控制較復(fù)雜，既要找角準(zhǔn)確又要求速度，矛盾中找平衡，通過不斷調(diào)整程序中的高低速度和變頻速度確保傾動精度為±0.1度。爐頂過程站同時(shí)采集爐前30支噴槍的煤粉測堵信號和控制各噴槍的噴煤閥和反吹閥。用以減少到噴煤過程站長距離DP導(dǎo)線的成本和控制的不穩(wěn)定性。

4.4 高爐本體及水冷系統(tǒng)：

高爐本體采用全冷卻壁結(jié)構(gòu)，高爐冷卻壁的水冷系統(tǒng)是聯(lián)合軟水密閉循環(huán)系統(tǒng)的。整個(gè)系統(tǒng)包括高爐爐頂壓力調(diào)節(jié)，爐頂灑水控制，軟水密閉循環(huán)系統(tǒng)膨脹水箱壓力調(diào)節(jié)，高爐本體的透氣性指數(shù)計(jì)算、各冷卻壁的熱負(fù)荷計(jì)算。硬件采用TURCK現(xiàn)場總線，網(wǎng)關(guān)采用Profibus DP協(xié)議的BL67-GW-DP。爐身電偶采用BL67-2AI-TC（兩通道電偶）卡件，爐身靜壓監(jiān)測采用BL67-2AI-I（兩通道4—20毫安）卡件，各層電偶、靜壓值就近直接接入安裝在爐身各層的總線箱，防護(hù)等級為IP67，再由一根總線將各總線箱首尾相連，匯總接入主控室的一對FI830卡件，通訊速率設(shè)為500KB/S。同樣爐前除塵的16個(gè)電動閥的控制采用FLDP-IOM88數(shù)字輸入輸出卡件，通訊速率設(shè)為187.5KB/S。由另一根總線接入主控室的另一對FI830卡件。再加上本機(jī)柜內(nèi)的通訊速率為1.5MB/S 的CI840總線，高爐本體共設(shè)計(jì)3套不同通訊速率的Profibus DP總線。

高爐本體過程站控制高爐頂壓，保持高爐爐頂壓力的穩(wěn)定是保證高爐爐況長期穩(wěn)定的必要手段。正常生產(chǎn)時(shí)，頂壓隨著布料出現(xiàn)不可避免的波動，利用先進(jìn)的自控系統(tǒng)采集實(shí)際頂壓值與設(shè)定值比較，產(chǎn)生的差值再經(jīng)過PID運(yùn)算輸出4—20MA驅(qū)動電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過安裝在高爐煤氣除塵系統(tǒng)管道上的調(diào)壓閥組，從而調(diào)節(jié)調(diào)壓閥組開度，改變爐頂煤氣壓力�；蛘唠S著TRT（高爐余壓發(fā)電）技術(shù)的應(yīng)用，通過調(diào)整可調(diào)靜葉角度來調(diào)整煤氣流過透平機(jī)的流量從而調(diào)整高爐頂壓。使頂壓值盡量保持穩(wěn)定，減少波動。這里我們充分利用冗余概念，及關(guān)鍵點(diǎn)“熱備用”。硬件部分實(shí)際頂壓現(xiàn)場采用兩塊橫河川儀的EJA變送器一用一備，由DCS供電24伏，AI810（8通道4—20毫安模擬量模件）采集轉(zhuǎn)換，現(xiàn)場儀表、信號線路完全分離達(dá)到真正備用。將兩頂壓再經(jīng)過TURCK IM33-12(一進(jìn)兩出)隔離器分成四個(gè)信號分別由兩個(gè)過程站的四組不同CI840總線模件下的四個(gè)不同AI810模件，使之完全分離而冗余。控制程序設(shè)計(jì)自動切換部分，即把熱壓也引進(jìn)再與兩頂壓比較，三選二表決，偏差小的即為正常的�，F(xiàn)場發(fā)現(xiàn)取壓點(diǎn)在高爐的爐頂部位，而調(diào)節(jié)部位無論是TRT或調(diào)壓閥組在除塵系統(tǒng)之后，與被調(diào)量距離較遠(yuǎn)。無論是電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)、氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)或液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)客觀上存在滯后的情況。為此，必須建立針對不同原因下的控制模型去適應(yīng)現(xiàn)場工藝狀況。頂壓波動與高爐的裝料有密切關(guān)系時(shí)，由于高爐是間歇性投料,當(dāng)開下密準(zhǔn)備放料時(shí)，頂壓驟減，所以在原設(shè)定之基礎(chǔ)上加上一個(gè)定值；當(dāng)放料6圈后，頂壓又會逐漸增大，所以在原設(shè)定之基礎(chǔ)上減去一個(gè)定值，并且根據(jù)料種焦、礦的不同而兩個(gè)定值不同。我們稱之為“前饋理論”或“設(shè)定值可變式”控制。經(jīng)過以上軟硬件的摸索修改完善確保本高爐頂壓偏差±3KA，達(dá)到國內(nèi)先進(jìn)水平。

5.結(jié)束語

宣鋼煉鐵廠采用的高爐的控制系統(tǒng)有幾種，但運(yùn)用最多的還是ABB自動控制系統(tǒng)，而目前比較先進(jìn)的自控系統(tǒng)是Industrial ^ITAC800F系統(tǒng)，運(yùn)行可靠而且經(jīng)濟(jì)實(shí)用，它的新的設(shè)備及技術(shù)應(yīng)用，也給其他高爐的建設(shè)提供了參考。