Siemens PLC及其通訊技術(shù)在煉鋼電弧爐及精煉爐上應(yīng)用
１ 概述
電弧爐以及精煉爐在運行過程中其產(chǎn)生的高次諧波及強電磁場所形成的強大干擾，是嚴重威脅控制和通訊系統(tǒng)安全運行的主要原因。５０噸煉鋼電弧爐的電爐變壓器額定容量為３１５００ＫＶＡ，二次額定電流可達到４２ＫＡ以上，其沖擊和短路電流有時可達到和超過１００ＫＡ。強電磁場和電弧的弧光放電引起的寬帶噪聲干擾及高次諧波分量與閃變（電壓波動），成為計算機及通訊網(wǎng)絡(luò)，電子設(shè)備穩(wěn)定和安全運行的主要問題。在方案設(shè)計和系統(tǒng)設(shè)計及ＰＬＣ選型以及制造工藝設(shè)計時，都必須充分考慮和關(guān)注到系統(tǒng)所處的惡劣運行現(xiàn)場工業(yè)環(huán)境的抗擾問題。
在為太鋼集團公司第一煉鋼廠設(shè)計的５０噸煉鋼電弧爐及６０噸鋼包精煉爐控制系統(tǒng)中?穴５０噸電弧爐和６０噸鋼包精煉爐的系統(tǒng)總結(jié)構(gòu)圖略，可向作者索取?雪，兩臺電爐的控制系統(tǒng)全部采用ＳＩＥＭＥＮＳ公司的Ｓ７－３００系列ＰＬＣ及其通訊技術(shù)。經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)試和運行結(jié)果證明該系統(tǒng)運行狀態(tài)良好，性能可靠穩(wěn)定。
２ 系統(tǒng)的總體設(shè)計
２．１ 硬件結(jié)構(gòu)的設(shè)計
整個系統(tǒng)采用４臺ＳＩＥＭＥＮＳ Ｓ７－３１５－２ＤＰ ＰＬＣ主站分別完成對電弧爐爐體控制、電弧爐電極調(diào)節(jié)，鋼包精煉爐爐體控制和鋼包精煉爐電極調(diào)節(jié)。在四臺ＰＬＣ主站之間采用ＳＩＥＭＥＮＳ公司的ＣＰ－３４２通訊模塊構(gòu)成ＰＲＯＦＩＢＵＳ－Ｓ７通訊網(wǎng)完成各主站間的數(shù)據(jù)通訊。電弧爐爐體和鋼包精煉爐爐體控制ＰＬＣ主站共下設(shè)６個ＥＴ２００遠程從站，通過ＳＩＥＭＥＮＳ公司工業(yè)現(xiàn)場總線ＰＲＯＦＩＢＵＳ－ＤＰ完成主——從通訊。系統(tǒng)設(shè)計使用一臺工程師站，兩臺操作員站。三臺工業(yè)計算機中分別采用ＳＩＥＭＥＮＳ公司ＣＰ５４１２網(wǎng)卡通過ＰＲＯＦＩＢＵＳ－Ｓ７ 數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)絡(luò)完成計算機與各ＰＬＣ主站之間的數(shù)據(jù)通訊。操作員站的畫面組態(tài)軟件選用ＳＩＥＭＥＮＳ公司的ＷＩＮＣＣ完成用戶二次軟件的開發(fā)。
煉鋼電弧爐爐體控制ＰＬＣ主站主要完成對３５ＫＶ高壓系統(tǒng)的合分閘操作及高壓系統(tǒng)事故分閘的控制，對３１５００ＫＶＡ電爐變壓器及變壓器油水冷卻系統(tǒng)運行狀態(tài)的監(jiān)控和保護，并完成電爐水冷爐蓋、水冷爐壁等水冷系統(tǒng)２３個測溫點水溫變化情況的模擬量實時數(shù)據(jù)采集以及冷卻水系統(tǒng)壓力、流量等的實時數(shù)據(jù)采集監(jiān)視和越限及事故報警。同時通過ＰＲＯＦＩＢＵＳ－Ｓ７網(wǎng)向操作員站進行實時數(shù)據(jù)的傳輸，由人機界面完成監(jiān)控數(shù)據(jù)的記錄、顯示和故障報警。
煉鋼電弧爐的各ＥＴ２００遠程從站分別設(shè)置在爐前操作室、爐后操作室、液壓泵站和液壓閥站以及爐門碳氧噴槍的操作站內(nèi)。分別構(gòu)成爐前的爐蓋和爐體動作操作和控制爐前傾爐操作，三相立柱鎖定和爐前電極升降操作及爐門鋼水測溫Ｉ／Ｏ。爐后傾爐及ＥＢＴ出鋼操作、出鋼鋼包車操作和修理平臺的旋轉(zhuǎn)操作Ｉ／Ｏ。液壓泵站主、輔液壓泵的切換和運行控制，對高壓液罐和氣罐的液位和壓力控制、空氣壓縮機的控制、主液箱和回液箱的液位自動控制及液壓介質(zhì)自動溫度控制的Ｉ／Ｏ ，液壓閥臺的Ｉ／Ｏ 及爐門碳氧噴槍三維動作的操作及控制Ｉ／Ｏ。
鋼包精煉爐爐體控制ＰＬＣ主站的作用同煉鋼電弧爐相似，ＥＴ２００遠程從站僅設(shè)置在鋼包精煉爐的液壓站內(nèi)。
用于控制爐內(nèi)電弧功率的煉鋼電弧爐和鋼包精煉爐電極調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計各采用一臺ＳＩＥＭＥＮＳ Ｓ７－３１５－２ＤＰ ＰＬＣ主站。主要承擔(dān)輸入爐內(nèi)的三相電弧功率的實時自動控制，根據(jù)不同冶煉工藝和冶煉期自動修正功率配電曲線和控制參數(shù)，以滿足冶煉工藝要求。設(shè)計采用獨立設(shè)置的兩套ＰＬＣ主站作為電爐和精煉爐電極調(diào)節(jié)系統(tǒng)可以減輕電爐和精煉爐爐體控制ＰＬＣ主站ＣＰＵ的負擔(dān)，縮短程序掃描周期，有利于提高實時系統(tǒng)相應(yīng)的響應(yīng)速度和調(diào)節(jié)精度。
２．２ 控制軟件的設(shè)計
四臺ＰＬＣ主站的用戶程序是在基于ＳＩＥＭＥＮＳ公司的ＳＩＭＡＴＩＣ ＳＴＥＰ７ Ｂａｓｉｓ Ｖ５．０ 軟件平臺上完成硬件組態(tài)、地址和站址的分配以及電弧爐和鋼包精煉爐用戶程序的設(shè)計開發(fā)的，在主程序（ＯＢ１）中將各種控制功能和各ＰＬＣ站點間的通訊數(shù)據(jù)分別編寫在不同的子程序（功能塊ＦＢ、ＤＢ、ＦＣ）中，其中３５ＫＶ高壓合分閘、事故高壓分閘，模擬量信號的輸入均充分考慮了現(xiàn)場工業(yè)運行環(huán)境的強干擾問題，在軟件設(shè)計中采用了抗干擾措施。
人機界面的畫面組態(tài)采用ＳＩＥＭＥＮＳ公司的ＳＩＭＡＴＩＣ ＷＩＮＣＣ作為二次用戶程序開發(fā)的軟件平臺，在工程師站安裝ＷＩＮＣＣ－ＲＣ用于開發(fā)，操作員站安裝ＷＩＮＣＣ－ＲＴ用于運行，ＷＩＮＣＣ運行于Ｗｉｎｄｏｗｓ ＮＴ Ｖ４．０ 操作系統(tǒng)平臺之上，以增加系統(tǒng)運行安全和穩(wěn)定性，并給用戶將來建立工廠管理網(wǎng)帶來方便。
現(xiàn)場操作人員通過分別設(shè)置在電爐和精煉爐操作員站的人機界面監(jiān)視整個系統(tǒng)各個主要參數(shù)的運行情況；這些參數(shù)包括：
輸入爐內(nèi)的三相電弧電流，三相電弧電壓，三相電弧功率，電能耗的實時顯示和歷史趨勢顯示。冷卻水系統(tǒng)溫度監(jiān)測點的水溫監(jiān)測以及流量及壓力的監(jiān)測和超溫越限報警。３５ＫＶ高壓系統(tǒng)過流、欠壓監(jiān)測。電爐變壓器的各種故障報警信號監(jiān)測和報警，變壓器低壓側(cè)過電流和高壓跳閘信號的監(jiān)測。爐體狀態(tài)顯示及液壓系統(tǒng)的工作狀態(tài)監(jiān)測。同時，在不同冶煉階段爐內(nèi)三相電弧工作電流的給定值、冶煉時間、３５ＫＶ高壓通電時間，鋼水溫度的顯示以及各種報警參數(shù)的歷史記錄和打印報表的生成。
２．３ 通訊網(wǎng)絡(luò)的組態(tài)
網(wǎng)絡(luò)組態(tài)采用ＳＩＥＭＥＮＳ公司的ＳＩＭＡＴＩＣ ＮＥＴ，ＮＣＭ Ｓ７ ＰＲＯＦＩＢＵＳ組態(tài)軟件完成ＰＲＯＦＩＢＵＳ Ｓ７通訊網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)組態(tài)。
在工程師站、操作員站分別設(shè)計安裝ＣＰ５４１２網(wǎng)卡，在四臺ＰＬＣ主站安裝ＣＰ３４２－５通訊模塊，通過ＳＩＥＭＥＮＳ公司的ＰＲＯＦＩＢＵＳ Ｓ７通訊電纜完成工程師站、操作員站和分別分布在電弧爐及鋼包精煉爐主控制室的四臺ＰＬＣ主站之間的通訊網(wǎng)絡(luò)硬件組態(tài)。
３ 抗干擾措施的設(shè)計和實施
在電弧爐煉鋼的工業(yè)環(huán)境中，切實有效的硬件和軟件抗干擾措施的實施成為系統(tǒng)設(shè)計和工廠設(shè)計及設(shè)備制造和安裝過程中必須謹慎考慮的非常主要的環(huán)節(jié)。
根據(jù)現(xiàn)場運行實踐證明，電爐變壓器在高壓合閘瞬間所產(chǎn)生的浪涌，大電流運行時變壓器所產(chǎn)生的強磁場，爐內(nèi)電弧以及大電流線路在電弧短路時所產(chǎn)生的強電磁場，電網(wǎng)的諧波分量等諸因素綜合起來的干擾源可視為一個從低頻到甚高頻的寬帶噪聲源，其所產(chǎn)生的各種干擾都將嚴重威脅系統(tǒng)運行及通訊網(wǎng)絡(luò)的安全和穩(wěn)定。 故而在設(shè)計中針對各種干擾的存在考慮了以下的抗干擾措施：
３．１ 隔離電源
ＰＬＣ主站和遠程從站的工作電源均通過帶屏蔽的隔離變壓器完成對ＰＬＣ電源供電，使ＰＬＣ與大功率電氣設(shè)備的電位隔離開來，以避免供電線路帶來的噪擾。
３．２ 電源濾波器
隔離變壓器的二次側(cè)采用電源濾波器以濾除和衰減以共模和串模形態(tài)出現(xiàn)的工頻干擾。共模形態(tài)出現(xiàn)的干擾將沿地線被濾除，串模干擾則被旁路。
３．３ 有源隔離端子
現(xiàn)場引入的模擬量輸入信號和輸出信號采用有源隔離端子將由地環(huán)路引起的噪聲隔離，切斷通過現(xiàn)場引入的模擬量信號地環(huán)路中的噪聲通道。
３．４ 模擬量輸入通道的濾波
三相電弧電流、電弧電壓等主要電氣參數(shù)的模擬量采樣信號輸入通道在進入ＰＬＣ模擬量通道前在經(jīng)過有源隔離后再由有源濾波器抑制模擬量通道中的串模干擾，在保證有用信號不被衰減的情況下最大限度地將高頻噪聲衰減，提高通道的信噪比。有源濾波能確保通道信號的增益。
３．５ 模擬量通道的屏蔽
模擬量通道的輸入信號傳輸導(dǎo)線設(shè)計采用耐高溫的有屏蔽的雙絞線電纜以降低輻射干擾和電磁耦合性干擾。
３．６ 數(shù)字量輸入通道的隔離
ＰＬＣ的數(shù)字量輸入通道采用光電隔離模塊，從強電場現(xiàn)場環(huán)境（如高壓開關(guān)室的真空斷路器柜）引入的數(shù)字量信號在其觸點和模塊間加設(shè)中間繼電器對通道進行雙重隔離，防在真空斷路器合閘操作同時強干擾串入而引起真空斷路器誤分閘動作。
３．７ 數(shù)字量輸出通道的隔離
ＰＬＣ的數(shù)字量輸出通道主要驅(qū)動交流和直流感性負載，大電流負載采用中間繼電器過渡，所有通道均設(shè)計采用浪涌吸收和ＲＣ組件做為保護。
３．８ 電磁屏蔽
工程師站和操作員站采用鋼殼機箱的工控機，系統(tǒng)中的電子設(shè)備亦采用屏蔽外殼，再置入控制柜臺內(nèi)形成與柜臺外殼間絕緣的雙重電磁屏蔽。ＰＬＣ采用懸浮安置方式將金屬安裝底版與柜殼絕緣隔離。所有電子設(shè)備均采用獨立引出的專用地線接地，柜臺的外殼則接保護地。
３．９ 電子設(shè)備的浮地供電
電子設(shè)備的直流供電電源采用浮地供電，輸入和輸出通道直流供電電源各自獨立。計算機采用在線式ＵＰＳ電源供電，電子設(shè)備采用線性電源供電，其它直流負載采用開關(guān)電源供電。
３．１０ 通訊電纜的敷設(shè)
兩個物理層的通訊電纜采用ＳＩＥＭＥＮＳ公司的 ＰＲＯＦＩＢＵＳ通訊電纜（ｂｕｓ ｃａｂｌｅ ｓｏｌｉｄ）?熏在敷設(shè)時單獨金屬穿管。電纜的屏蔽層通過電纜插頭的金屬外殼經(jīng)ＰＬＣ的通訊模塊ＣＰ和ＤＰ的接口接入獨立引出的專用地線接地。同時在電纜走向上注意避免與動力電纜平行，并盡可能遠離電爐爐體和大電流線路。
３．１１ 地線
電弧爐爐體外殼采用相對獨立的接地線引出接地。
電氣設(shè)備的保護接地進入工廠接地網(wǎng)。
計算機、ＰＬＣ和通訊網(wǎng)絡(luò)及電子設(shè)備的接地則進入獨立的專用地線。浮地處理的電子設(shè)備的地線各自獨立。
３．１２ 電氣設(shè)備制造工藝的保證
電氣設(shè)備柜內(nèi)的布局，柜內(nèi)各種電纜和導(dǎo)線（動力、信號、通訊以及接地）的走向，屏蔽和接地的合理布置也是須在設(shè)計和設(shè)備制造過程中加以認真考慮的。
３．１３ 軟件設(shè)計中的抗干擾處理
合理設(shè)置ＰＬＣ的硬件看門狗時間及采樣中斷時間。在程序設(shè)計中對數(shù)字量輸入信號采用脈寬甄別、鎖存、指令復(fù)執(zhí)技術(shù)。在對緩變的模擬量信號進行運算處理之前采用滑動均值濾波等數(shù)字濾波技術(shù)措施。在ＰＩＤ調(diào)節(jié)過程中對干擾比較敏感的一是當偏差ｅ較小時，易受影響，二是微分項易引起較大變動。前者用一階及一階滯后濾波處理，后者則用不完全微分型ＰＩＤ算法。
設(shè)置合理的通訊波特率?熏包括ＰＲＯＦＩＢＵＳ－Ｓ７和ＰＲＯＦＩＢＵＳ－ＤＰ通訊物理層。
４ 結(jié)語
在系統(tǒng)的熱負荷調(diào)試和以后的運行情況表明，在設(shè)計中只要充分注意和采用正確合理的抗干擾措施，在惡劣的工業(yè)環(huán)境中ＳＩＥＭＥＮＳ Ｓ７－３００系列ＰＬＣ（四臺主站設(shè)計選型均為Ｓ７－３１５－２ＤＰ）及其ＰＲＯＦＩＢＵＳ的Ｓ７和ＤＰ通訊網(wǎng)絡(luò)的可靠穩(wěn)定及經(jīng)濟安全運行是可以得到保證的。
ＳＩＥＭＥＮＳ公司的ＳＩＭＡＴＩＣ ＳＴＥＰ７ Ｂａｓｉｓ Ｖ５．０ 編程平臺安裝在工程師站。基于Ｗｉｎｄｏｗｓ ＮＴ操作平臺的支持下在系統(tǒng)運行過程中對各ＰＬＣ主站程序的診斷、在線監(jiān)控、修改和下載都比較方便和快捷。而符號名尋址方式使用戶參照硬件原理圖閱讀理解程序變得簡明容易，ＮＣＭ、Ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ等組態(tài)工具以及ＰＩＤ、Ｆｕｚｚｙ Ｃｏｎｔｒｏｌ＋＋等軟件開發(fā)工具包給設(shè)計編程人員減少了二次開發(fā)的工作量。
ＰＲＯＦＩＢＵＳ Ｓ７通訊網(wǎng)和ＤＰ現(xiàn)場總線結(jié)構(gòu)的集散控制方式使得現(xiàn)場布線的大量簡化成為可能，工程造價的降低以及運行維護的經(jīng)濟性，系統(tǒng)設(shè)計的靈活性將受到用戶的認可和歡迎。
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