现场总线在钢铁冶金工厂的应用.pdf

第 3 8卷第 4期 2 0 1 4年 7月 冶 金自 动 化 Me t a l l u r g i c a l I n du s t r y Au t o ma t i o n Vo l _ 3 8 No ． 4 J u 1 ． 2 01 4 案例 应用 现场总线在钢铁冶金工厂的应用 杨 昱 ， 刘 杰 ， 王 丽 鞍钢集 团工程 技术 有限公 司电气 自动化室 ， 辽宁鞍 山1 1 4 0 2 1 摘要 通过现场总线在冶金工厂的应用 ， 了解现场总线的技术功能 ， 掌握现场总线设备应用的突出特点 ， 结 合生产工艺的设备布局条件， 实现对设备的自动控制和监控， 提高工艺生产线的作业率 ， 减少工程的投资和 生产 运行成 本 。 关键 词 现场 总线 ； 冶 金 ； 特点 ； 应用 应用现场 总线 的关键 是找 出适合现 场总线 应用 的生产工艺场所 ，充分 发挥现场 总线分散 式网络结构 、 集中监控报警 、 适应恶劣环境的优 势 ， 提高设备 作业 率 ， 便 于设 备维 护 ， 节省 大量 控制 电缆 ， 减 少工程投资和生产运行成本 。 l 现 场 总线设 备 现场总线 是 由德 国菲 尼克斯公 司在 1 9 7 9 年 提 出的构想 ， 世界第 1 条 现场 总线 I n t e r b u s 由德 国菲尼克 斯公 司1 9 8 6 年在德 国汉诺威 国际博览 会上 正式展 出 ．同年德 国政府开始 启动现场 总 线研发工作 。菲尼克斯公司、 图尔克公司、 瓦可 公 司相继研发推 出 自己的现 场总线产 品。 现场总线开始是以 自己的独立控制结构应 用在生 产线上 的．经过2 0 多年 的应 用和不断地 研发 ，现场总线被赋予了许多具有生命力的元 素 ， 使控 制结 构变得更加灵 活 ， 针对不 同的控制 对象来 搭建不 同的控 制结构 ，以适 应不 同控 制 对象 的不同控制要求 ； 具有 开放性 的总线接 口， 适应多种通信形式。 轻松地与多种主流P L C 进行组 态 。 现 场总线控 制结构 的思路 已经被 各个工 业 控制系统P L C I] 造商广泛地采用；主流P L C 控制 系统结构 现场 总线硬 件 的控制 系统结 构也 被 控制系统集成商应用到生产控制中现场总线 的应用范 围逐步扩大到不 同的行业和领域。 1 ． 1 F i e l d l i n e 现 场 总线 F i e l d l i n e 现场总线是菲尼克斯公司 的典型 网 络 ， 可 以 自成 网络 系统 F i e l d l i n e 现场 总线 有多 种协议 ，适用 于不 同厂家 的P L C和D C S ，组态简 单 ， 只需安装相应 的配置文件 ， 即可根 据实 际需 要进行组态 。硬件 通过耦合 器与主工业 控制机 P L C 相连 ， 成 为子 网络 系统 ， 根据 主工业 控制 机 P L C 的通信方式采用不同 的耦合器 。 F i e l d l i n e I ／ 0 命名规则如图1 所示 。 F i e l d l i n e I P 6 7 I ／ O的几 大特 点如下 分布式 结构 、 开放性 好 、 总线输 入 和输 出独 立供 电 、 适 应恶 劣环 境 、 安装灵 活 、 快 速接 线S p e e d c 0 n 技术 、电气隔离 、全面诊 断 、温度范 围为一 2 5 ～ 6 0 。 1 ． 2 I n t e r b u s 现场总线 I n t e r b u s现场 总线是菲尼克斯公 司于 1 9 8 6 年 正式推 出的 ， 经过多年 的应用 和不断地完善 ， 日 臻完美 。在电气控制领域广泛采用 。 成为德国及 欧洲标 准 ， 中国也把I n t e r b u s 列入国家标准 。 其 主 要特点 为 采 用独特 的集 总帧方式通信协议 提 供强大故障功能 ，可减少故 障停机 时间3 0 ％ 较 低协议速率 5 0 0 K／ 2 M b ／ s 和较 高的协议效 率 5 2 ％ ． 满足大量数据的高速传输 ， 从而增加传 收稿 日期 2 0 1 4 0 6 2 3 作者 简介 杨昱 1 9 5 5 一 ， 男 ， 辽 宁大连 人 ， 高级工 程师 ， 主 要从事 冶金 工厂供 配 电电气 自动控 制设 计工 作 。 第 4 期 冶 金自 动 化 8 5 F L S I B M1 2 D1 1 6 M l 2 F L S 一体 化模 块 F L M 模块 化模 块 B K I B I n t e r b u s 耦 合器 M1 2 I ／ O接头 为 M1 2标准接 头 B K P B P r o f i b u s 耦合 器 M1 2 2 A 输 出电流 量大 可达 2 A r R 、 13 N ． 1 3 一 。 t ， 圭 照全 哭 、 D。 、 ， ul ucV J c l B K C O C A N O p e n 耦 合 器 8 8通道8 ／ 8 8输 入， 输出通 道 1 6 1 6通道 s F 标准 功能 M1 2 总线接 头 为 M1 2标 准接 头 4 ／ 4 4输入 ／ 4输 出通道N P N NP N型输 出 M8 总线接 头 为 M8标 准接 头 D I 开关 量输 入 AI 模 拟量输 入 D O 开关 量输 出 AO 模拟 量输 出 D I O 开 关量 输入／ 输 出s F 标 准 功能 图1 F i e l d l i n e I ／ O命 名规 则 输距离 ， 提高抗干扰能力 ； 无终端电阻 ， 无需地 址设置 。 即插 即用 ， 可提 高安装调试效率 达3 0 ％； 双绞线 、 光 缆 、 红外线 三种传输媒介 在从站 问可 混合使用 ， 可降低成本 ； 采用总线 分支和智 能分 散技术 ； 合 理规划 总线 配置 ， 满足 复杂 的现场控 制要 求 4 0 9 6 个I ／ O点扫 描 时 间小于 7 ． 8 ms ， 满 足 系统苛 刻 的实 时性要求 ；单 个 主站最多 可连 接 2 5 5 个从 站 ，满 足 大规 模 系统 的控 制要 求 ； 两从站间传输距离最长可达4 0 0 m． 满足特殊环 境控制要求 。 I n t e r b u s 采用环形 拓扑结构 ，与世界上 绝大 多数控制 系统兼 容 ，包 括 A l l e n B r a d l e y ， B o s c h ， GE Fa nu c， Ku k a， S c h ne i d e r ， S i e me ns S 5， S i e me n s S 7， P ho e n i x Co nt a n t ， PC s y s t e ms 。 I n t e r b u s 与P r o fi b u s D P 现 场总线 的比较 如表 1 所 示 表 1 I n t e r b u s 与P r o fi b u s ． D P的 比较 2现场总线设备在炼钢厂合金散料输送 系统应 用 实例 2 ． 1 合金散料输送 系统 工艺状况 合 金散料 输送 系统 由低位 料仓 、振 动给料 器 、 输送皮带机、 分料机 、 高位料仓等组成 ， 其中， 低 位料仓 由1 O 个独立 的料仓组 成 ，分别 装有活 性 石灰 、 白云石 、 铁矾 土 、 萤石 、 菱镁石 、 铁矿石 、 硅铁等 ， 每个料仓 的下部设振动 给料 器 ； 输送皮 带机 由2 条 主运输 皮 带机 和多条 分料 皮带 机 组 成 ， 主运输皮 带机 由4 条皮 带机搭 接而成 ， 每 条 皮带机 电气设 备有 电动机 、 皮 带偏度检测装 置 、 事故拉线开 关等组成 ； 分料 机 由分料器 、 电动移 8 6 冶 金自 动 化 第 3 8卷 动车 、 接近开关组成 ； 高位料仓 由1 0 个独 立 的料 仓组 成 ，安装 在炼钢转炉上方的高位平台上 ， 每 个料仓内的材料与低位料仓相同。 2 ． 2 采用现场总线控制的具体措施 依据合金散 料输送 系统 的设备 布局 ，采用 西 门子公司P L C系列s 7 ． 4 0 0 控制器 ， 通过I n t e r b u s 通信 网卡与现场总线连接 ， 形成如 图2 所 示 的网 络拓扑结构。 西 门子 P L C S 7 4 0 0 图2网络拓 扑结 构 2 ． 3现场控制箱设置的基本思路 合金 散料输送 系统 的电气 拖动设备 分布很 有规律 ， 基本集中在低位料仓 、 高位料仓和皮带 运输 机的转运站 。在 电气拖动设备 位置 附近设 置现场 控制箱 ，按 照生 产工序将 现场控制箱 进 行编号 ，通信 电缆按现 场控制箱 的编号顺序依 次连接 ， 形成网络拓 扑结构 。 在现场控制箱面板 上设 置操作 电气设备 选择开关 、 按钮 、 信号灯等 ， 成为现场操作控 制箱 。也可单独设置现场操作箱 。 将现场操作箱 的电气 设备接点通过 电缆连接 到现场控制箱 内 的I ／ 0 模块上， 实现机旁操作功能 2 ． 4 现场控制箱的防护措施 合 金 散 料 输送 系 统所 处 场所 环境 粉 尘 较 大 北方 的冶金工厂 中 ， 这样 的构筑物在设计 上 一 般 不做采暖措施 ，冬 季 的环境 温度有 时达到 零下2 5℃以下。由于电气设备内部的电子器件 有运行 温度范 围要求 ， 超越 温度范 围 。 电子 器件 可能工作不正常 ， 所以， 对现场控制箱采取防护 措施是很有必要 的。另一方面 ， 电气设备选用 的 防护等级要高一 些 ，以保证在 粉尘 比较 大 的环 境 场所正 常工作 。 经 过思考 和研 究 ， 找到一 种方法 在 工艺段 上安装 总线设 备 的 电气 箱 内加装 电加 热设施 ， 采用温度控制器和电加热器构成温控系统 ． 根 据 电子器件工作 的温度范 围 ，通过设定 温度控 制器 的温度 范围 ， 可实现 电气箱 内的温度控制 ， 保证现场 总线控 制设备 的正 常运行 。现场控制 箱 内部布置如图3 所示 厂 、 J - J ￡ 导轨 g 一 1 亡 D I1 D I2 D 0 1 l J - 巨 暑 量 一 皇 ⋯⋯ f ／ ／ ／控 制 器／ 一 0 ’ 暑 输 监模块| 整 刻 垫 鲁 吕 0 一 ， 口 口 、 ． 6 0 0 mm 图3 现场控制箱内部布置 在两条 炼钢合金 散料输送 工艺段 所采用 的 现场 总线控 制系统 中尝试 使用这种 方法 ，顺 利 通过环境 的检验 ，保 障了炼钢合金 散料输送 的 正常运行 ， 电气控制、 检测设备在要求的温度范 围内正常运行 。 2 ． 5动力电缆 和通信 电缆敷设方式 电缆敷设按照 国家标 准进行 ， 在 电缆桥架上 敷设时 ， 动力 电缆 与控制 电缆 和通信 电缆分开 。 2 ． 6 显示、 报警 画面编制注意事项 现场总线系统一般不是独立 的 ， 常常与其他 第 4 期 冶 金自 动 化 8 7 P L C 主机构成完整控制系统。 控制指令和画面在 P L C 上完成 ， 控制 指令 的名称要与现场 总线设备 名称保持一 致 ，画面上显 示 的设 备名称 要与现 场总线设备 名称保持一致 。这样 当设备 投入生 产后 ， 电气设备一旦出现故障， 便于维护人员查 找和及时排除故障 。 2 ． 7应 用 结 果 2 0 0 4 年某炼 钢厂 四 【区合 金散 料鞍 钢输送 工艺段上采用现场总线控制设备 ， 2 0 0 6 年鞍钢 鲅 鱼圈炼钢 合金散料输送 工艺段 上采用 现场总 线控制设备 ，均实现 了对 合金 散料输送 的 自动 控 制 。这两 套现场总线控 制设备 经过多 年 的生 产 运行检 验 ， 达 到了预想 的设计 目标 。设备运行 稳 定 ， 自动控 制水 平 高 ， 故 障率低 ， 经 受住 了现 场恶劣环境 的考验 ， 降低 了现场维护 的工 作量 ， 确保 了生产 线的稳定运行 。将 现场总线 的设备 安装在机械运行设备附近，通过通信方式进行 控制 ， 可节 省大量控制 电缆 ， 降低工程投 资。 3现 场总 线应 用 的注意 事项 和 经验教 训 3 ． 1注意事项 1 找出适合现场总线应用的生产场所。冶 金工厂T艺 段之 间的材料 运输 的部位是选 用现 场总线方式 的理想场所 ，如炼 钢合金散 料输送 系统 、 焦化厂 运焦输送 系统 、 原料场原料 输送 系 统等。这些场所的共同特点是由多条运输皮带 组 成 ， 两侧设有 料仓 ， 工艺段 之间 的冶金 材料输 送 距离大致 在几百米 到几 千米 。 比较适 合采用 现场总线 控制方式 ， 实现 冶金材料输送 。 2 在 现场总线控制 系统 中采 用I n t e r b u s 通 信协议方式 。现场总线适用多种通信协议 ， 与 P L C 搭接 ， 构成 网络控制系统 。经 常采 用的通信 协议为I n t e r b u s 和P r o fi b u s ． D P。 选择现 场总线 的场 所大多数是控制设备 比较分散 ，距离相对比较 长 ， 巡检相对 困难 的场所 。 采 用I n t e r b u s 通信协议 方式是正确 的选择 。其 优势在 于距离 长 、站点 多 、 速 度快 、 扫描 时 间短 ， 能够 给 出准确 的故 障 定位和详实的故障信息。 在P L C 画面上能够显示 出设备运行 的状态 ，现场总线 的设备 一旦 出现 故障 ，在计算机故障监控画面上显示出设备的 故障点 ，指导生产维护人 员及 时找到设备故 障 并顺利排 除 ， 大大降低维护 人员 的巡检工作 量 ． 保证生产设备的顺利运行。这是I n t e r b u s 通信协 议中专有的功能 ， 其他通信协议可能无法实现。 采用 P r o fi b u s ． D P 通 信协议 方式 就会 出现 相反 的 结果 。P r o f i b u s ． D P 通信协议扫 描时间无法 确定 。 无法提供 准确 的故 障诊 断功能 ，现场总线设 备 出现故障， 设备维护人员只能逐个设备查找 ， 直 至把 故 障设 备 找 到后 ，才 能 排 除故 障 。想 要 P r o f i b u s D P 通信 协议 实现I n t e r b u s 通 信协议 的功 能 ， 需增加控 制系统软件功 能 ， 并 对控制系统 进 行软件编制 。才可能实现 控制设备 的准确故 障 定位和详实故障信息显示。从另一个角度来看， 这给 现场 总线 的应用 者增 加 了很 多 工作 量 ， 带 来 了不 必要的麻烦 。 3 选用适合生产现场环境的总线设备。为 了保证现 场总线设备 的运 行 ，选 用适合于生 产 现场 环境 条件 的现 场总线 设备 也是 很关 键 的 ， 需着重注意以下因素。1 温度。 位于我 国黄河以 北 的冬季寒 冷 的地 区 ，在 没有保 温设 施 的条 件 下 ， 冬季 最低气 温在一 2 3℃的地 区 ， 现 场总线 须 选用一 2 5 ～ 5 5 的控制设备 冬季最低气 温在 一 3 5℃的地 区． 现场总线须选用一 4 0 ～ 7 0 o C 的控 制设备， 以适应温度环境要求。2 粉尘。在冶金 工厂 ．特别 是在应用现场 总线控 制设 备 的生 产 工艺段 ， 自然 环境 都 比较差 ， 粉尘 比较 大 ， 可 带 电的金属微 粒较多 。现场 总线须选 用防护等 级 为I P 6 5 以上 的控 制设备 。以适 应恶劣 环境 的要 求 。 4 采用合适 的方法对 现场总线设 备进 行 防护 。现 场总线设备有 适应环 境温度要求 的设 备 ，但是相配套的控制设备并不是全都达到环 境温度要 求 。电气控制设 备 内部 的控制部 分基 本上 由电子器件构成 ，电子器 件对环境温 度有 要求 。 环境 温度 越低 ， 电子 器件 成本越 高 ， 价 格 越贵 。当环境温度低于 电子器件的温度范 围时 ， 电气控制 设备不能正 常工作 ，个别 电气控 制设 8 8 冶 金自 动 化 第 3 8 卷 备 的故障会影响控制 网络正常运行 。在现 场控 制箱 内加装温度控 制器和 电加 热器 ，构 成温控 系统来保证箱 内温度 。 3 ． 2经 验 教 训 2 0 0 0 年初 ． 某焦化厂工程项 目在焦炭运焦输 送系统部分采用 现场总线控 制系统 。运 焦输送 系统有多条运输皮带， 前有低位料仓 ， 后有高位 料仓 ，工艺段 长度约为2 k m。选用S i e me n s S 7 4 0 0 系Y m] P L C，现场总线与P L C 通信模块搭 接 ， 构 成网络控制系统。 该项 目投产半年后， 现场总线 控制设 备经常发生故 障 ，不能保证 生产 的顺利 进行 。最终对P L C 控制 网络进行修改 ， 在生产线 中部增 设 电气控制室 ， 拆 除现场总线设备 ， 变 为 S i e me n s 典型 的控制 网络 系统 ，并增加其他监 控 设备软件。 对 这 个 项 目应 用 失 败 的原 因进 行 分 析 研 究 ， 找 到了现场总线在应 用时 问题 这条现 场总 线控制 系统 ， 在设计上考 虑不 周全 ， 对现场 总线 设备性 能理解不深刻 ， 忽略了环境条件 ， 选用 了 防护等级为I P 2 0 、 适应环境温度为0 ～ 5 5℃的现 场 总线控制设备 。运 焦输送 系统 在冬季环境 温 度低 、 现场粉尘大 ， 没有对 现场总线控制设 备进 行 有效 的防护 ；采用 了P r o fi b u s D P 通信 协议 ， 不 能进行准确的故 障定位和详实 的故障信息显 示 ，生产维护人 员对现场 总线 控制设 备维护不 到位 。为此 ， 该焦化厂运焦输送系统经 常出现故 障 ， 不能保证生产顺行 。 4 结束 语 现场总线在钢铁冶金工厂 的成功应用 ， 开辟 了现场 总线 的一片新 的应用 领域 。通 过不断地 研究 和思索 ．在前人应用 的失败 中汲取经验 和 教训 ， 才能找出合适的设计方法， 把总线技术应 用 到实际 中去 ，逐 步扩 大现场 总线 应用 的覆盖 面 ， 降低工程投 资。 『 编辑 白 -1 征文通知 为适应科学技术 日新月异的变化 ， 促进冶金企业的信息化和 自动化 ， 满足读者和作者的需要 ， 冶金 A动化 杂志 社与全周冶金 自动化信息网合作于2 0 1 5 年4 1出版 冶金 自动化 增刊 有正式 出版期刊号 ， 也作为全罔冶金 自动化信 息网年会论文集 ， 希望广大作者 、 读者踊跃投稿。文稿一经录用 ， 将收取论文发表费， 每篇文章收取发表费 1 0 0 0元 按作者投稿时w o r d 版计算 ， 正文小四号字， 通栏排， 四边页边距2 e ra， 行距1 ． 5 倍 ， 图表六号字， 7 页内； 不足一页按一 页算 。 每增加一页多收2 0 0 元， 论文见刊后将向作者支付1 0 0 元稿酬 ； 如发表费由个人支付 ， 则发表费收取9 0 0 元 ， 多出 页码的收费同上 ， 见刊后无稿酬。款到后 ， 编辑将按科技期刊标准和本刊要求与您联系文章修改事宜。 冶金 自动化 增刊刊出的论文可以在中国知网等数据库中检索到。 增刊出版后 向第一作者赠送一本样刊。 若其他作者需要 ， 可以和 杂志社联系订阅， 每本收取工本费1 0 0 元。 投稿 网址 w w w ． y j z d h ． c o m 投 稿时请 注 明 增 刊投 稿 截 稿 日期 2 0 1 4 1 2 ． 3 1 咨询 电话 0 1 0 6 3 8 1 5 2 6 9 ． 6 3 8 4 8 1 2 8 欢迎关于 自动化产品的厂商联系广告和参加会议等事宜 0 1 0 6 3 8 0 7 2 5 5， 6 3 8 4 1 3 1 8 。 征文 范围 计量和检0 n, 0 技术 ， 计控与节能技术， 计算机应用及网络技术 ， 企业信息化技术 ， 电气传动 自动化 ， 自动控制理论在 国内外冶金过程 包括钢铁和有色金属 控制与科学管理中应用 的新发展 如专家系统 、 模糊控制、 神经 网络等 、 新成 果和新经验以及软件技术和软件产品的应用。特别欢迎有关最新技术的综述文章 ， 也欢迎其他行业T业控制方面的 技术论 文 。 非常欢迎有关单位批量论文投稿 ， 以单位专栏形式集 中宣传。 征文 要求 论文内容应具有实用性和创新性 ， 未公开发表过 ， 以具体实例为对象。 切勿一稿多投。 作者文责 自负。 关于论文的 详细要求请登录我刊网站首页， 参考“ 本社消息” 中的“ 作者须知” 。 冶金 自动化 杂志社 2 0 1 4 年 5月