柔性光缆在干熄焦提升机系统中的应用

曹阳，来威，陈兵，乌孝天，关爽

（鞍钢集团朝阳钢铁有限公司，辽宁 朝阳 122000）

提升机是干熄焦生产的核心设备之一，该设备自动化程度高，其中PLC控制系统是提升机设备自动控制的核心。由于提升机生产现场环境恶劣、热辐射温度高、现场电磁干扰强，且提升机操作室为平移设备，通讯电缆需在与其配套的坦克链中同步移动，工作弯曲半径较小，因此所需抗拉能力较强。目前，国内绝大部分提升机PLC总站与操作室分站间通讯均为DP电缆通讯，具有抗干扰性差、不可远距离传输等缺点，易导致PLC通讯报警甚至故障停机。在技术高速发展的今天，光纤通讯已经取代了很多传统的通讯方式，为了解决DP电缆缺陷导致的PLC通讯报警甚至故障停机问题，同时考虑到普通光纤易折、不耐拉伸的情况，鞍钢集团朝阳钢铁有限公司 （以下简称 “朝阳钢铁”）决定采用柔性光缆代替DP电缆完成提升机PLC控制系统地面站与空中操作室站间的通讯工作，本文对此做一介绍。

1 提升机控制系统DP电缆存在问题

1.1 干熄焦提升机控制系统

干熄焦提升机控制系统主要由车架、运行机构、起升机构、焦罐吊具以及电控系统组成，是干熄焦系统的核心设备，用于将运送至提升井架下装满红焦（约1 050℃）的焦罐提升到干熄炉顶，并沿轨道横移走行至干熄炉装入料斗上方，然后下降并与装入装置相配合，将红焦装入干熄炉内，装焦完成后，再将空焦罐送回到焦罐台车上。该设备属于起重特种设备，提升高度约35 m，横向走行距离12.6 m。具有热辐射强、粉尘大、连续作业、移动作业的特点。其电控系统为西门子S7-400PLC，双头热备冗余工作模式，通讯方式为DP电缆通讯，下设4个分站，其中3个分站为地面分站，与主站通讯距离均不超过10 m，操作室分站与主站通讯距离约450 m，且通讯电缆需经过坦克链与操作室同步移动。干熄焦提升机PLC控制系统拓扑图如图1所示。

图1 干熄焦提升机PLC控制系统拓扑图Fig.1 Topological Diagram for PLC Control System of CDQ Hoist

1.2 DP电缆存在问题

影响干熄焦提升机PLC系统DP通讯网络稳定的因素有PROFIBUS-DP的传输距离和强磁干扰。

（1）PROFIBUS-DP的传输距离

表1 为PROFIBUS-DP的波特率与传输距离的对应表。

表1 PROFIBUS-DP的波特率与传输距离的对应表Table 1 Correspondence Table between Baud Rate and Transmission Distance of PROFIBUS-DP

根据现场试验可知，朝阳钢铁提升机S7-400PLC系统波特率设置≥1 500 bps时，通讯模块报警消失；波特率设置≤500 bps时，会不间断出现PLC通讯闪断状况。由于朝阳钢铁干熄焦提升机地面PLC地面站与空中操作室分站通信距离约450 m，波特率应设为 187.5 bps，但如此设置后频繁出现无故障停机现象，经专业软件检定后，发现通讯存在闪断现象。

（2）强磁干扰

对DP通讯网络产生的电磁干扰绝大部分来自变频器产生的电磁干扰和动力电缆与通讯电缆混铺产生的电磁干扰。朝阳钢铁提升机PLC总站PLC柜与变频器室在同一配电室内，受电磁干扰较强，且由于初期建设原因，部分通讯电缆与动力电缆存在混铺情况，对通讯产生电磁干扰。由于生产连续性的特点，以上问题均为短期内无法解决问题。

2 柔性光缆应用实践

由于干熄焦提升机控制系统应用DP电缆通讯易出现PLC通讯报警甚至故障停机问题，因此考虑使用光纤通讯代替DP电缆通讯完成干熄焦提升机PLC控制系统地面站与空中操作室分站间的通讯，并进行应用实践。

2.1 光纤通讯及柔性光缆性能对比

2.1.1 光纤通讯

色谱柱：XSelect® HSS T3-C18（150 mm×4.6 mm，5 μm）；流动相：乙腈（A）-0.5%醋酸溶液（B），梯度洗脱（洗脱程序见表2）；流速：1.0 mL/min；检测波长：360 nm；柱温：25 ℃；进样量：10 μL。

光纤通信技术的工作原理是：先将需要传输的信息经过发送端转变成电信号，利用激光器将调制好的电信号通过激光束发送出去。光的强度会根据电信号的频率而不断发生变化。将信息传送到接收端后，再通过检测器把光信号转变成电信号。最后利用解调的手段把电信号中的信息复原。

相比于传统DP电缆通讯，光纤通讯具有诸多优点，具体如下：

（1）容量大，距离远。一根光纤通信容量最高可达20 THz，商业使用的光纤通信系统可以达到400 Gbps，这个传输效率可以短时间内传输大量的资料，而且损耗极低。光纤的主要成分是石英，在波长达到1.55 μm的情况下可以达到0.22 dB/km的损耗率，这是任何一个传统传输介质都无法达到的数值。

（2）抗干扰。光纤传输不仅拥有良好的屏蔽信号干扰的能力，对电磁干扰也有不错的抗性，传统的电通信受电磁干扰困扰已久，但是光传输的光纤能够很好的避免这一问题，保证传输质量。

（3）体积小，重量轻。光纤设备因为材质原因，体积更小，重量更轻，有利于运输，架设条件要求低。

（4）环保节约。石英在自然界大量存在，采用光纤通信技术作为主要通信技术，可以大大节约以稀有金属为主要媒介的，例如电通信这一类通信技术的资源损耗。

（5）无辐射、保密强。光波无法跑出光纤之外，不会对人身体造成损害。而且以光传输的信息难以被截断窃听，增加了信息的保密性。

（6）铺设要求低。光缆能够适应多种环境，对铺设条件要求低，而且材质耐用，能够使用更长时间，节约成本。

但普通光纤也存在明显缺点，包括光纤内部全是玻璃纤维，性质较脆，易破损，以及弯曲半径过小时，易出现光路阻断现象。

2.1.2 柔性光缆

由于普通光纤存在明显缺点，因此考虑使用柔性光缆。柔性光缆剖面结构如图2所示。其在普通光纤的基础上具有如下特点：①适合反复拖拽运动。②保护层弹性等级高，保护韧性强，可更好的保护光纤免受损坏。③弯曲半径大，适合反复弯曲和弯折。

图2 柔性光缆剖面结构图Fig.2 Section Structure Diagram for Flexible Optical Cable

2.2 柔性光缆应用实践

改造分为软、硬件两部分工作。改造后干熄焦提升机PLC控制系统拓扑图如图3所示。

图3 改造后干熄焦提升机PLC控制系统拓扑图Fig.3 Topological Diagram for PLC Control System of CDQ Hoist after Upgrading

（1）硬件部分：分别在提升机PLC地面站末端分站和空中操作室分站增设交换机，末端分站出线端DP电缆连至交换机入口端，交换机出口端连接柔性光缆，该柔性光缆自地面经坦克链铺至提升机空中操作室并接入操作室端交换机入口端，操作室端交换机出口端连接DP电缆，至此硬件部分改造完毕。

（2）软件部分：将波特率改为187.5 bps，操作完成后做网络组态匹配连接工作，然后重启工控机即可完成该项工作。

3 应用效果及效益分析

3.1 应用效果

朝阳钢铁经过反复模拟试验及现场测试，确定柔性光缆可以用于提升机坦克链的多频次、大半径的运行方式，于2019年上线运行后至今未出现通讯报警故障，开创了国内柔性光缆在干熄焦提升机使用的先例。

此次改造大大改善了干熄焦提升机PLC控制系统通讯网络运行的稳定性，排除了由通讯网络带来的设备隐患，能够实现在200 ms以内将提升机顶部设备信号传输至系统CPU内，保证了PLC设备对现场设备运行状态的及时反映出，并能够第一时间将CPU指令发送至现场设备。在使用寿命方面，由于原DP电缆为普通型通讯电缆，耐磨抗拉扯能力较弱，为保障PLC系统的稳定性，朝阳钢铁通常将其更换周期定为2年，但改造后的柔性光缆耐磨度、抗拉扯能力均较DP电缆提升很多，更换周期可延至5年，在很大程度上节约了设备维护费用。改造前后设备情况对比见表2。

表2 改造前后设备情况对比Table 2 Comparison of Equipment Conditions before and after Upgrading

3.2 效益分析

（1）经济效益

干熄焦的直接经济效益即日产蒸汽创效=日产蒸汽总价值-除盐水成本-电耗成本=干熄焦日产蒸汽×蒸汽单价-干熄焦日产蒸汽量×除盐水折合比×除盐水单价-日消耗电量×电耗单价=1 331×3.3×28.27-1 331×1.2×7-42 000×0.52≈91 150 元。

由于干熄焦系统停产，朝阳钢铁为维持生产必定组织湿熄焦生产。统计可知，干熄焦较湿熄焦成本降低约100元/t，销售价格高50元/t，因此干熄焦较湿熄焦利润高150元/t。据生产事故统计，改造前因提升机通讯故障导致的干熄焦停机时间为29 h。已知焦化厂日产焦炭约3 000 t，改造后未发生通讯故障导致停机的情况，由此可计算得出经济效益=（29/24）×91 150 元+（29/24）×150×3 000=653 889元。

此次改造共投入85 320元，则改造的最终直接年收益为=653 889-85 320=568 569元≈57万元。

（2）运行效益

干熄焦为朝阳钢铁的重要生产工序，不仅关系焦炭的产出质量，且由于其锅炉产生的蒸汽为热电的3机组提供蒸汽，保证干熄焦提升机系统的稳定运行即保证了全公司的电力平衡。

（3）环保效益

改造后未发生通讯故障导致停机的情况，避免了朝阳钢铁为维持生产组织湿熄焦生产，污染物排放增多的情况，环保效益显著。

4 结语

鞍钢集团朝阳钢铁有限公司干熄焦提升机PLC控制系统原应用DP电缆通讯，常发生通讯报警甚至故障停机，为解决此问题，进行了以柔性光缆代替传统DP电缆完成干熄焦提升机PLC控制系统地面站与空中操作室分站间通讯的应用实践，开创了国内柔性光缆在干熄焦提升机使用的先例。运行至今未出现通讯报警故障，干熄焦系统稳定运行，改造当年直接经济效益约为57万元，不仅保证了全公司的电力平衡，同时环保效益显著，值得推广和借鉴。