泰钢高炉炉顶自动化系统的改造实践

毕泗坤，李传永，郭立涛，李 举，韩传宝

（山东泰山钢铁集团有限公司，山东 济南271100）

1 前 言

泰钢炼铁厂1 780 m3高炉炉顶自动化系统采用昆腾CPU67160 系列冗余架构，倾动、旋转、探尺电机均采用西门子6se70 系列变频器控制，α、β、γ 角度测量及探尺位置检测采用总线式多圈绝对值编码器实现，变频器与编码器通过Profibus-DP 串行网络接入PTQ模块，CPU以通讯方式读取各设备参数实现参数显示及布料系统的全自动运行。在日常维护中，发现原设计中存在诸多不合理之处，如炉顶串行DP 网络结构、倾动及旋转角度单编码器检测等，对设备维护及生产顺行有较大的影响。为此，对炉顶自动化系统进行了一系列改造。

2 炉顶DP网络混合型改造

2.1 串行网络结构

高炉炉顶DP 网络结构如图1 所示。串行DP网络的缺点是当网络中任意一点中断后，将导致断点后面的运行数据丢失或设备失控，且串行网络故障排查难度较大，故障处理时间长。从图1中可以看出，泰钢高炉炉顶DP 网络中任何一个设备损坏或电缆中断后，将导致炉顶网络瘫痪，从而导致炉顶布料系统的失效，影响高炉的正常生产。为此，对网络结构进行更改，提高其抗故障风险能力。

图1 原DP网络结构

2.2 PROFIBUS集线器主要功能

1）改变PROFIBUS 网络拓扑结构：PB-Hub 可改变PROFIBUS网络总线型拓扑结构，实现树形及混合型的网络结构。2）增加站点个数容量、延长传输距离：PB-Hub每个接口相当于1个中继器接口，可以独立驱动1 个PROFIBUS 段。3）隔离的功能（仅限于GL型号）：PB-Hub-XY每接口段之间是电气隔离的，有一定的故障隔离作用，包括短路、断路、反接和电磁干扰，对通信波形的衰减、畸变也有修复作用。4）监示诊断功能：PB-Hub 通过LED 指示灯可以监视PROFIBUS网络中各段的工作状态，为网络诊断提供参考。

2.3 改造后混合型网络结构

改造后的DP 网络结构如图2 所示（用PBHUB6隔离型实现）。

图2 改造后DP网络结构

由图2 可看出，改造后的网络实现了各DP 设备间相互独立，单元设备故障不会影响其他网络设备的数据传输，提高了网络的抗风险能力及网络运行的稳定性，同时利用设备自带的诊断功能可以快速定位故障位置，减少故障处理时间，降低故障影响。

3 冗余倾动编码器改造

原炉顶自动化系统设计中，仅有1个倾动角度检测总线式编码器。如果编码器出现故障，高炉将无法进行自动布料，手动控制倾动无法保证布料矩阵设定的落点，影响高炉布料。利用多线制绝对值编码器实施了冗余倾动编码器改造，倾动减速机对称方向留有两个编码器安装点，总线式编码器（编码器1）位于减速机北侧。为能够在南侧顺利安装编码器，加工1 个编码器安装支架，固定多线制多圈绝对值编码器（编码器2），通过多芯屏蔽电缆将格雷码信号接入PLC数字量输入模块，在程序中进行数据处理后得到倾动的实际角度。由于对称侧编码器传动轴转向相反，所以在程序中对数据变化的方向进行了调整。编写画面编码器切换程序：当DP 网络正常时，选择编码器1；DP 网络故障时，选择编码器2。确保自动连锁中的倾动角度反馈数值的准确性和可靠性，实现了倾动角度检测的冗余。

4 基于时间法多环布料程序设计

原程序设计中关于多环布料圈数计算流程如图3所示。布料圈数的计算完全依赖于β角度的测量值。如上文所述，β角度检测由单个总线式编码器实现。当编码器不能正确反馈溜槽实际位置时，将导致布料过程中断，布料矩阵失效，影响高炉布料的准确性和连续性，为此设计了基于时间法的多环布料程序。

图3 原圈数计算程序流程

4.1 时间法多环布料程序流程

修改后的圈数计算程序流程如图4所示，修改后的程序流程增加了一种基于时间方式的圈数计算方式，同时在画面上增加了一个实际圈数/时间模拟选择开关。当选择实际圈数时，程序按流程进行多环布料。当选择时间模拟时，程序按时间法进行多环布料。

炉顶布料溜槽旋转一圈的时间是固定的8.35 s，所以可以用延时来模拟计算圈数的整数部分。当节流阀打开时，激活延时接通继电器Ton。当Ton=1时，圈数的整数部分N1加1，同时复位Ton，并用当前延时时间TC除以8.35 s来模拟计算圈数的小数部分N2。通过模拟圈数与布料矩阵设置圈数的比较，可以控制溜槽的下倾与停止，从而实现布料矩阵的自动运行，完成多环布料操作。

图4 修改后圈数计算程序流程

4.2 旋转角度显示的无扰切换

为避免布料过程中切换到时间模拟方式后，画面上无法显示旋转角度的问题，还需对当前旋转角度进行模拟显示。因为旋转分为左旋和右旋两种方式，所以需对左右两个方向分别计算。

右旋时，旋转角度β 逐渐增大，显示的旋转角度应为：

左旋时，旋转角β 逐渐减小，显示的旋转角度应为：

按照以上流程对程序进行修改，就完成了时间法多环布料程序的设计。利用检修时间对程序进行了调试，调试结论如下：

1）当在节流阀打开之前切入时间模拟圈数计算时，时间模拟法多环布料能够按照布料矩阵进行布料操作，布料位置及时间与实际趋于一致。

2）当在节流阀打开之后切入模拟圈数计算时，时间模拟法对切入之前的圈数及程序状态进行了断点续传，不会造成圈数计算错误，对自动布料过程无任何影响，实现了实际圈数和时间模拟方式的无扰动切换。

5 结 语

通过改造，避免了DP 网络设备故障给高炉生产带来的负面影响，实现了设备的冗余在线运行和维护，保障了高炉布料系统的稳定运行和布料精准，大幅提高了炉顶控制系统的实用性、可靠性和稳定性，为高炉的稳产、长寿、顺行提供了设备保障和智力支撑。