基于工业以太网、PLC和总线技术实现转炉工业控制系统的设计

马钢第三炼钢厂4#转炉工程采用了当今世界上先进的现场总线控制系统，即西门子公司的PCS7控制系统。其中仪控系统在马钢公司内率先采用了在冶金行业还较少使用的Profibus-PA总线技术，彻底改变了传统的测控模式，使整个仪控系统的技术档次跻身于国际先进水平。

在其二级控制系统采用了西门子PCS7系列PLC，下挂Profibus-DP网，并通过DP/PA Link（链接器）将总线仪控设备接入工业控制网络，真正实现了“集中管理，分散控制”的目的。同时全数字化通信模式的抗干扰能力强、测量控制精确度高，借助数字双向传输的特点和先进的设备管理软件，可实现参数远程给定，采集丰富的仪表信息，有利设备故障诊断，改善管理状况。过程控制级由二级计算机构成，通过工业以太网与基础级PLC相连，并依靠控制模型和数据库对一级控制系统实施指导、管理和跟踪。该系统将仪控、电控合为一体，它是具有工厂集成化概念的开放型的工业控制系统。

一 系统组成

基础级采用一套PCS7 PLC作为铸机的控制器，其CPU类型是AS416-2DP，并带有通信功能，可与扩展单元的IM-153、IM-157通信卡以及变频器通过Profibus-DP控制网相联，其中扩展单元采用ET-200M和链接器作为子站。控制软件为STEP 7，并集成西门子过程设备管理软件PDM。控制级采用西门子工控机作为监控站，与PLC通过快速工业以太网（基于TCP/IP协议）连接，系统运行西门子公司基于Windows 2000的PCS7全集成软件。

1. 硬件构成

图1仅给出了系统与仪表相关的配置。

其中PC1为上位机监控站，ET200为电控系统的远程站。链接器为PCS7的从站之一，同时又是现场总线仪控设备的PA主站，由网络部件耦合器（Coupler）实现所有Profibus-PA总线现场仪表与DP总线的链接，在传输更多检测、控制信息的同时亦可获取总线设备自诊断信息。整个控制系统中，仪控系统除了和电控公用的操作站以及相应的一次检测元件外，仅有一个现场控制箱。

2. 软件配置

操作站软件为PCS7软件，网络平台为Windows 2000，PCS7自带数据库，并提供监控画面和PLC组态工具。PCS7内含组态软件为STEP7及西门子过程设备管理软件PDM。

操作站主要是在用户和所有系统功能之间提供一个人机界面，各类人员可通过操作站访问各自权限范围内的系统资源。例如：通过操作员可以调出过程显示画面，观察到过程回路的参数、状态、趋势和报警情况，实现对过程回路的操作和参数的调整。过程工程师可以组态过程和显示画面和过程控制数据库，进行其他各种组态工作。软件工程师可以进入软件开发环境，编写、调试和执行用户的应用程序。

系统维护人员可观察到系统各个设备的工作状况，并对这些设备进行诊断操作。

二 系统功能

4#转炉系统工程所有设备的电气传动和仪表控制全部采用集中控制、集中监视的方式，实现以PLC为中心的基础自动化控制。

1. 生产流程分布

（1）主原料系统

铁水倒罐站；废钢供应。

（2）副原料系统

熔剂上料（1#皮带机～5#皮带机）；熔剂加料（4#转炉本体）。

（3）铁合金系统

转炉铁合金供应、加料。

（4）4#转炉及辅助设施

转炉本体；底吹系统；顶吹氧气和溅渣护炉；转炉和氧枪冷却水；活动烟罩与炉口烟道之间的水封；活动烟罩、氧枪口、加料口的冷却水；氮封系统；炉下车辆。

（5）4#吹氩站

合金加料；顶吹氧气、氩气；底吹氩气。

2. 顶吹信号显示与自动调控

a. 信号显示与调控

氧气总管调压阀阀前（气源）压力指示、记录；氧气紧急切断阀开/关状态指示与联锁；氧气总管调压阀阀后压力指示、记录、调节；氧气总管压力调节阀阀位显示；氧气支管流量指示、记录、调节、补正计算；氧气支管流量调节阀阀位显示；氧气支管切断阀阀后（吹氧管入口）压力指示、记录；氧气支管切断阀阀位显示；累计一炉钢水用氧量：4000Nm3/炉；累计一炉吹氧时间。

b. 报警及联锁

氧气气源压力低限值报警；氧气气源压力低-低值（LL）报警及联锁控制（与氧枪升降装置联锁）；氧气支管入口压力低限报警；氧气支管入口压力低-低值报警及联锁（与氧枪升降装置联锁）；氧气支管流量低限报警；氧气支管流量低-低值报警及联锁；快速提枪并关闭支管切断阀。

3. 底吹信号显示与自动调控

底吹信号显示、自动调控、报警及联锁，与顶吹基本相同。

4. 过程现场总线配置

仪控系统全部通过Profibus-PA现场总线方式完成检测与控制。

虽然耦合器可直接挂在DP网上，但要占用一个DP地址，且无法扩充，而每个链接器可扩充5个耦合器，并且在非防爆区每个最多可挂接30台非防爆现场总线仪表，所以在平衡经济性和系统可扩充性的前提下，采用了一个链接器配几个耦合器的硬件配置模式。整个系统采用了Profibus-PA总线线型拓扑结构，在这种模式下，PA总线上的智能总线仪表的地址编号将不受DP地址编号的限制，可以在相应的耦合器下任意编址，有利于总线设备的扩充和维护。

三 系统特点

由于采用了Profibus-PA现场总线技术，所以全部检测与控制仪表均采用了全数字化通信的智能仪表，从而极大地提高了系统的稳定性和可靠性。

（1）可靠性高

在整个转炉上下平台之间，网络线取代了所有常规控制仪表使用的控制电缆，而且所有测控元件均以并联方式挂接在一根网络线上，并以数字通信方式与上位计算机交换检测与控制数据，同时测控元件内部的故障自诊断功能，可将设备隐患信息在发生故障前预报给上位机，提醒工程人员及时进行排除，确保生产安全顺畅。

（2）精确度高

由于采用数字通信方式，所以实际的采样精确度和控制精确度均非模拟信 号可比，技术水平完全进入了另一个全新领域，为生产工程师提供了准确的生产参数，有利于优化产品，控制生产成本和节能、降耗。

（3）系统扩展灵活

PA通信网络的节点就是测控元件，所以任意节点的增加或删除都不会影响网络的整体性能。通过在DP网线上增减若干链接器，就可增加或删除若干组PA网络，每组PA可扩展30个测控元件，便于系统扩容和工艺流程的优化。PA网络可分布在工厂的任何位置，这样，与分散在各地的各种设备连接更为简单。

（4）降低工程造价和工程量

在转炉上下平台之间测点分散且各自相对集中，若采用常规计算机控制方案，不但布线复杂、桥架林立，而且故障排除时间长，不利于自动控制过程的快速恢复。采用Profibus-PA现场总线技术，将极大地节省电缆、桥架的材料费和基建安装量，同时也取消了控制站上输入/输出组件，节省了机柜，减小了控制室的面积。

四 结束语

马钢第三炼钢厂4#转炉控制系统在实现“三电一体化”的基础上，成功地将Profibus总线技术应用于生产全过程，提高了系统的控制水平和可靠性，同时降低了运行成本。与常规系统相比，仅仪控系统就比原概算节省30%的投资。另外，内嵌的过程设备管理软件PDM，减少了所需其他软件的种类，也降低了相关软件费用。尤为重要的是，由于现场总线仪表具有自诊断功能，因此，可以预先诊断和维护在线设备，提前排除故障、减少停机时间，提高了生产的安全性，同时大大降低了系统运行、维护费用，为整个高效连铸机的安全顺产提供了重要的技术保障。

责任编辑：gt