FC200现场总线模块在转炉炼钢厂的应用

宜科(天津)电子有限公司 梁建辉

目前采用传统集中式I/O模块布置的方法已经难以满足用户要求，其在浪费大量有色金属电缆的同时还会使现场信号衰减，长电缆容易引入干扰，且如果断线或短路后查找故障位置困难。在通讯和电子技术飞速发展的今天，采用现场总线技术在信号采集点附近配置分布式I/O已经是大势所趋。本项目采用FC200分布式I/O模块产品，支持多种工业总线：Profibus、DeviceNet、CanOpen、Interbus、工业以太网等；有丰富的I/O模块，齐全的功能模块：通讯、驱动、高速计数等，紧凑设计，结构稳固，节约空间，背板总线设计，灵活扩展，可快速、简易安装在标准35mmC型导轨；卡簧接线排，方便接线；高运行稳定性；编程兼容SIEMENS STEP7等软件；支持STEP7的“CiR”（运行中配置硬件设备）功能，可在以后改造时不停机添加新的I/O配件；具有良好的性价比。本文结合河北某钢厂新建的45T氧气顶吹转炉炼钢自动化控制系统，详细介绍FC200现场总线模块在自动化领域的应用。

1 现场总线技术

现场总线是以单个分散的数字化智能化的测量和控制设备作为网络节点，用总线相连接实现相互交换信息，共同完成自动控制功能的网络系统与控制系统。

FC200系统支持市场上的Profibus、DeviceNet、CanOpen、Interbus、工业以太网等总线，可最大限度地方便行业及用户习惯选用。使用现场总线技术能节省硬件成本，设计组态安装调试简便，系统的安全可靠性好，减少故障停机时间，系统维护设备更换和系统扩充方便。曾有机构作过传统系统与使用Profibus系统的费用测算，在相同功能及点数情况下，Profibus总线系统比传统4～20mA系统节约工程费、安装费及硬件费共计约43%以上。

2 氧气顶吹转炉炼钢

氧气顶吹转炉炼钢是现在被广泛采用的炼钢法。按照配料要求，先把废钢等装入转炉内，然后倒入铁水，并加入适量的造渣材料（如生石灰等）。加料后，把氧气喷枪从炉顶插入炉内，吹入氧气（纯度大于99%的高压氧气流），使它直接跟高温的铁水发生氧化反应，除去杂质。在除去大部分硫、磷后，当钢水的成分和温度都达到要求时，即停止吹炼，提升喷枪，准备出钢。出钢时使炉体倾斜，钢水从出钢口注入钢水包里，同时加入脱氧剂进行脱氧和调节成分。钢水合格后，可以浇成钢的铸件或钢锭，钢锭可以再轧制成各种钢材。与炼钢转炉相配套的有一次除尘风机、烟气净化、烟气冷却、散料运输及铁合金称量系统等。转炉氧枪及倾动系统要求配有严格联锁要求，以保证各自能正常工作。

3 系统硬件配置

该转炉炼钢自动化控制系统项目主要由本体PLC、风机房PLC、汽化冷却PLC、散料上料PLC子系统组成。除本体采用S7-400的414-3PLC以外，其余子系统采用S7-300的315-2DP的PLC。本体PLC下带六个FC200的Profibus-DP分站，其余PLC各带两个FC200的Profibus-DP分站。整个系统共配置的I/O模块点数如表1所示。

表1

图1 本体的硬件组态配置图

本体I/O分站采取就近放置原则，最大限度地减少现场电缆长度，为用户节约电缆及桥架硬件投入和施工费用。FC200模块标准35mmDIN导轨安装，单槽模块宽度仅为25.4mm，高度和深度分别为76mm，占用柜体空间很少。前端接线端子为弹簧夹式，实现安全免维护接线。拔下前端接线端子即可更换模块，维护方便。现场仪表中压力变送器使用ELCO公司的PS604系列，具有醒目的可旋转红色LED显示，不锈钢外壳适合冶金现场恶劣的环境。PS604压力变送器通过ECP系列配电器接入附近的I/O分站。

PLC系统及I/O分站系统的接地与低压系统及变频器系统分开，消除由于共接地系统引起的干扰问题。

4 参数设置

在STEP7硬件组态中，FC200的AI-BD40模块可设置电流输入的类型，AI-BF00可设置热电阻或热电偶输入，打开或关闭断线监测功能，以及每秒的测量转换次数，使用户在精度和速度之间权衡。AO-BD40模块可设成4～20mA或0～20mA输出。一般把不用的模拟量通道取消激活，提高系统检测速度。

5 编程要点

5.1 氧枪下枪联锁与故障自动提枪联锁

氧枪下枪吹炼要具备很多条件才能进行，条件不具备轻则会损坏氧枪，重则造成炸炉事故。同理，当正在吹炼时出现故障要能自动提枪，以便保护系统。当条件不具备时PLC锁定输出后，为让操作人员迅速找出原因，并在必要时解除联锁，为此在上位机画面上用复选框做出选择画面并指示状态，如图2所示。

图2 上位机选择画面

5.2 散料下料振料设定及下料累计

用户要求给料振打能根据称量斗的值和设定值自动停振，且在称量斗放料后能累计放料的料种和放料量，为此在编程中设置两套比较系统，分别由振斗工作状态和放料阀工作状态来启动。

5.3 和其它子系统传递数据

本体PLC系统与其它配套系统如散料上料PLC、风机房PLC、汽化冷却PLC系统因距离较远，均用光纤和环网交换机联成100M以太网环网，故子系统间交换数据通过环网完成，速度快，抗干扰能力强，当环网中一点断开时不影响使用。

编程使用STEP7中的SFB14（读）和SFB15（写）块，在子系统中（如风机房PLC）设定用于通讯的DB块，这样可把风机房中一次转尘风机的转速传至本体PLC上做联锁使用。

5.4 和钢水测温枪数据连接

每炉钢吹炼后都要测量钢水温度，以确定是否到达吹炼终点。测温枪每炉的测温数据传入PLC并记录在上位机的数据系统，方便检索。传统的4～20mA传输会因零点及其它干扰原因存在偏差，用户不允许这样。因此这个项目中直接把测温枪的BCD码数据接入FC200的NPN型的DI输入模块，在编程时再把BCD码转为二进制归档。

5.5 吹氧吹氮时间计时

转炉氧枪下枪吹炼后需要计算吹氧时间，溅渣时计算吹氮时间；如果用系统时间来实现比较复杂，本项目采用两个计数器，分别定义为秒计数器和分计数器，当下枪吹炼的标志出现时，使用PLC属性自定义的秒脉冲来驱动秒计数器，满60秒后产生脉冲驱动分计数器，简单可靠。吹炼的标志采用氧气或氮气快速切断阀开到位信号及气体流量达到一定值时同时驱动，避免由于阀开位信号或流量信号出现问题时使计时停止的问题。

6 使用效果

当需要实现新的工艺而增加新的受控设备时，就要对原控制系统的硬件组态进行更改。本转炉控制系统利用ELCO公司FC200分布式I/O模块产品结合西门子的控制系统的CiR功能实现了在转炉正常生产过程中，进行硬件组态更改，如FC200分布式I/O模块的添加、删除和重新参数化，甚至增加或减少若干FC200控制分站时无需停机和设备重启，不会造成控制系统的死机，缩短了调试时间，无需中断当前的转炉吹炼生产过程，减少了停机损失。这样，新工艺新技术就得以最快速度的实现，提高了钢厂快速适应市场变化的能力。

经过半年的运行使用，FC200现场总线模块工作稳定，没有出现自身原因的质量问题，整个自动化系统运行可靠，保证炼钢生产的进行，同时为用户节约了大量的电缆投资和安装费用。FC200与其它IP20分布I/O相比，具有体积小巧、安装密度大、节约柜体空间、性价比高的特点，得到了用户的广范认可。