现场总线控制系统在TKT工程中的设计与应用

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TKT属节能环保项目，为《高炉煤气余压能量回收透平发电的简称。宝钢集团一钢公司（以下简称为一钢公司）2500m3高炉TRT工程计算机控制系统由武汉钢铁设计研究总院设计，在设计之初，用户提出了与常规TRT控制系统有别的特殊要求：

（1）采用现场总线控制系统FCS。

（2）在高炉主控制室设置TRT操作站，以使TRT车间正性产时无人值守。

经过近半年的设计、编程与调试，该工程于2003年3月顺利投产发电。

二、FCS系统配置

笔者在设计一钢公司TRT工程中，根据煤气差压发电的特点，要求现场总线技术不仅成熟、可靠，还应尽可能为冗余结构，以确保建TRT不影响主体高炉生产。因此通过对多家现场总线控制系统进行比较筛选，确定采用西门子公司的PROFIBUS、AS-I现场总线的组合以及相应的仪表装置，控制系统采用PCS7。FCS硬件主要由控制站、操作站和连接两者及对外的通讯总绒构成，具体配置如图1所示。

2.1 控制站

控制站包括主CPU和7个扩展的I/O站（DPll-DPl7）。根据需要，远程I/0站（DPl3-17）分散设置在现场和与TRTT控制室相距600m的高炉主控制室。控制器可实现顺序控制、逻辑控制和回路控制，包括逻辑运算、算术运算以及用于与回路控制有关的PID调节、函数发生和斜坡生成等，共有200多个功能块。为保证系统的高可靠性，控制器CPU（AS 417-4H）、通讯模块及高速通讯总线为一对一的冗余方式，冗余CPU的快速响应及相互切换时间满足TRT正常生产及安全保护要求。

该工程部分开关量输入/输出设备随工艺成套，无总线接口；特殊检测仪表（如振动测量装置）输出仍为4~20mADC模拟信号，故设计还采用了本地I/O站（DPll、DPl2）和远程I/O站（DPl3-DPl7）。DPll至DPl7通过PROFIBUS-DP总线连接。

控制器及远程I/0站的组态、编程与调试由操作站/工程师站完成，通过通讯总线进行在线下装。编程有多种方式，即功能块、指令表、顺控图和梯形图等。根据TRT控制系统特点，这几种方式可灵活地组合使用。

2.2 操作站

操作站由两套21＂高分辨率纯平彩色显示器、工业控制机、打印机等组成。操作站可兼作工程师站用。 两个操作站按要求分别设置在TRT控制室和高炉主控制室，除《启动画面＂内容略有不同外，两个操作站显示的内容和操作方式完全一致。TRT控制室操作站主要作调试用。 监控软件采用SIMATIC PCS7 OS V5.1，它工作在Windows NT平台上，通过丰富、完善的仿真画面，实时监视从本地及远程I/0站、PROFIBUS PA与AS-I现场总线系统采集的过程数据，同时进行相关的工艺操作。另外操作站通过编程与组态，还实现以下主要功能:

·报警功能:监控软件提供的报警日志以毫秒级地记录事件、信息和报警状态，按照报警等级作出相应反应，并根据要求进行分类与归档或触发相关的动作（如打印）。

·安全功能:监控软件提供的用户管理器允许设置用户多种权限，针对不同的操作者设置相应的加密等级，记录操作者重要的操作过程。

·数据管理:监控软件提供的标签日志和报表编辑器可以记录、显示、打印及拷贝重要参数的历史趋势值，以便于数据查找与故障分析。

2.3 通讯总线

通讯总线共用了4种，即工业以太网、PROFIBUS-DP、PROFIBUS-PA和AS-I。

（1） 工业以太网

用于TRT操作站与控制站、TRT操作站与高炉主控制室操作站之间的通讯连接。Ethernet为开放、高速、冗余的结构，通信速度为l0M/s。两个操作站之间的通讯采用环形光纤，距离为600m左右。操作站与控制站之间的通讯采用同轴电缆及相应的通讯卡（CP443-1等人环形光纤与同轴电缆之间采用连接器OLMITP62过渡。操作站和控制站是通过软件设置不同的地址号进行识别。

（2） PROFIBUS-DP

ROFIBUS-DP按作用分为两种，分别与主CPU上DP通讯口和主机架通讯卡（CP443-5）连接。一种用于TKT控制站与本地I/0站（DPll、DPl2）、远程I/O站（DPl3~DPl7）之间的通讯连接，为冗余结构；另一种用于TRT控制站与Y-LINK之间的通讯连接，Y-LINK之前为冗余结构，之后为非冗余PROFIBUS-PA耦合器。由于远程I/O站DPl3设置在有爆炸气体的危险场所，为防爆型，故与该I/O站相连的PROFIBUS-DP是通过Y-LINK转换后的非冗余结构。另外，与AS-I设备的连接也是通过Y-LlNK和耦合器实现的非冗余的通讯结构。

控制站访问本地I/O站和远程I/O站是通过硬件设置不同的DP站号进行识别。

（3）PROFlBUS-PA

PROFIBUS-趴为双芯屏蔽结构的特殊电缆，信号与电源共用，因此可为2线制PA仪表提供工作电源（对于带PA总线接口的电磁流量计等大功率仪表设备，需另外设计工作电源）PA仪表通过DP/PA-耦合器及Y-LINK与PROFIBUS-DP相连，由于PA仪表的工作电源也由DP/PA-祸合器提供（每台仪表24VDC供电，平均消耗电流为l0mA），通讯速度为31.25Kbps，因此每个耦合器下挂PA仪表的数量受到很大限制，虽然理论上为32台，但西门子公司建议为10台左右。

根据现场检测点的分布及远程I/0站的设置，设计采用6根PROFIBUS-PA总线和3对Y-LINK实现PA总线仪表与控制站的通讯。Y-LINK设置分别为DPl2:1对，DPl4:2对。Y-LINK的站号设置与PROFIBUS-DP平级，也是通过硬件拨码完成。西门子公司生产的藕合器是透明的，即揭合器没有地址号，也不需要对祸合器进行任何组态。因此，不同的Y-LINK下的PA仪表地址号（在0-126内）是可重复的。

PROFIBUS-PA总线通过专用的T形接头实现与PA仪表的物理连接。PA总线两端必须连接专用的终端电阻，以zui大限度的避免电缆上的信号反射，提高传输质量。

PA总线仪表的测量与控制功能组态，参数设置和状态诊断等是由安装在工程师站的PDM软件实现的；Y-LINK组态是由PCS7套装软件实现。

（4）AS-I

AS-I是执行器一传感器一接口（Actuator-sensor-Interface）的缩写，它是一种用来在控制器（主站）和传感器/执行器（从站）之间双向交换信息的总线网络，它属于现场总线（PROFIBUS等）下面的底层通信网络系统。一个AS-I总线系统通过主站中不同类型的网关，可以与多种现场总线（如FF、CAN-bus等）连接。AS-I总线可以作为:

① 现场总线的一个接点服务器，在总线下挂一批从站如AS-I模块。

② 与具有AS-I接口的开关量传感器（如接近开关、料位开关、压力开关、流量开关等）和执行器（如阀门和声光报警等）通讯。

③ 与具有AS-I接口的模拟量仪表通讯，并同时提供仪表工作电源。

考虑到工程规模及投资限制，设计采用①中AS-T现场总线结构。

AS-I主机为DP/ASI LINK20，主机与电源均安装在与入口水封阀区域共用的机柜（DPl6）内，DP/AST TTNK2O采用非冗余的PROFIBUS-DP总线与透平发电机区域机柜远程I/O（DPl3）相连，再通过Y-LNK和通信模块与TRT控制室主CPU连接。

DP/ASI LINK20与AS-I模块（从站）采用特制黄色2芯扁平可反复穿刺的压接电缆进行信号双向通讯；采用特制黑色扁平可反复穿刺的压接电缆为模块提供工作电源。主机与从站的信号电缆长度不超过100m，一个主站下挂从站的数量不超过31个。

AS-I模块有2通道、4通道、8通道等多种规格可选，从AS-I模块至传感器采用专用的带M12接头的电缆连接，电缆接头防护等级为IP67，以保证模块可露天安装或放置，在恶劣的环境下工作。

本工程AS-I总线设备包括开关量输入、输出，模拟量输入等17个点，设计采用l根AS-I信号线、l根AS-T电源线和1套LINK20主机实现AS-l与PROFIBUS-DP的通讯，LINK20下挂4个AS-I模块，其中一个是可为2线制变送器提供电源的模拟量输入模块。

AS-I总线设备测量与控制功能组态，参数设置（包括通讯地址号）和状态诊断等是由手持编程终端实现的；LINK20的组态是由PCS7套装软件实现。

三、由FCS实现的主要控制功能介绍

TRT工程控制系统比较复杂。笔者在FCS中研究开发了新的＂综合控制功能软件＂，它在不改变高炉原有操作方式和操作习惯、确保高炉正常生产的前提下，实现了辅助系统的准备控制，主机系统的启动、升速、并网、升功率、炉顶压力控制与zui大限度地发电，高炉减风时TRT的电动运行控制，高炉异常或TKT系统故障时的安全保护控制。除辅助系统在启动过程中需要操作工干预外，主机系统的启停以及运行控制均可由FCS自动实现。

3.1 启动升速控制

启动升速控制是在取消了启动阀的基础上由FCS控制可调静叶实现。当选择自动启机时，TRT从升转速、投励磁、升电压、并网到升功率、高炉炉顶压力等各控制段都是自动完成的，操作工只须监视变化的自动控制过程。

在自动升速过程中，转速调节系统会自动地根据预存升速曲线并结合高炉顶压变化情况产生随时间变化的转速设定值，并结合转速测量值不断调节静叶开度，直至TRT并网发电。

3.2 升功率控制

TRT并网后，《综合控制功能软件＂的功率调节系统会自动地根据预存升功率曲线并结合高炉顶压变化情况产生功率设定值去控制可调静叶开度，而且在整个升功率过程中，FCS还进行升功率和高炉炉顶压力两个调节过程的比较，即当高炉顶压波动较大时，功率控制暂停而使顶压控制系统起作用；一旦升功率达到预设定值，即自动转入高炉炉顶压力控制。

3.3 炉顶压力与正常发电控制

顶压控制也是由可调静叶实现的。控制回路的压力测量值与高炉原有炉顶压力减压阀组控制回路的测量值是同一信号；而控制回路的压力设定值是将高炉原有炉顶压力减压阀组控制回路的设定值经 ＂综合控制功能软件＂运算后得到的。

一钢公司TRT控制系统在自动启机和自动停机过程中均参与炉顶压力控制。TRT在启机拉煤气和停机赶煤气过程中引起的顶压变化不超过5kPa；在紧急停机瞬间和TRT正常生产时由＂综合控制功能软件＂实现的高炉顶压控制优于用户的技术要求。

TRT正常发电控制包括高炉炉顶压力控制。

3.4 TRT停机控制

由FCS系统实现的停机控制包括手动/自动正常停机和紧 急停机，紧急停机贯穿于TRT的所有控制过程中。

（1）正常停机

手动正常停机是靠FCS系统的虚拟操作台实现。当选择自动正常停机时，TRT侧高炉炉顶压力调节输出控制可调静叶缓慢关闭，由于高炉侧炉顶压力调节回路始终处于自动控制等待状态，可调静叶的缓慢关闭同时使减压阀组逐渐开大。

TRTT自动正常停机控制既为炉顶压力控制，又为减电量控制，随着可调静叶慢慢关小，减压阀组慢慢打开，当发电机功率达到工艺要求的解列值时，自动发出解列信号，使发电机与电网解列，同时自动关闭紧急切断阀等，直至系统正常停机结束。

（2）紧急停机

自动紧急停机是指通过安装在FCS中的＂综合控制功能软件＂实现的一种安全保护控制方式。TRT自动紧急停机条件近30个，当出现任一条件时，FCS发出信号使发电机与电网解列，同时使紧急切断阀、可调静叶关闭，旁通快开阀进入前馈调节状态。前馈控制系统使旁通快开阀打开一定开度，然后进入炉顶压力调节，自动使高炉煤气从TRT流经减压阀组。如果减压阀组卡住，完全由旁通快开阀进行的炉顶压力调节直至该阀组恢复正常；如果减压阀组慢慢打开，旁通快开阀会在保证炉顶压力稳定的前提下缓慢关闭，实现紧急停机情况下TRT炉顶压力调节系统与高炉炉顶压力调节系统之间的平稳过渡。

紧急停机是在工秒钟内完成的重故障停机，因此除要求计算机控制系统快速响应外，还应有精确的事故后查找功能。该FCS以毫秒级的事件记录及打印输出，让用户很方便地查找分析出引起*停机故障的原因。

四、结语

笔者就本工程的设计、安装、调试及运用情况提出几点看法:

（1） 投资 FCS虽然使控制系统一次投资有所增加，但电缆（该工程信号电缆的总长度不到2400米，而常规的TRT控制系统信号电缆总长度为16000米左右）等材料费用以及施工安装费用大大降低。

（2） 组态与调试 就通过安装在FCS工程师站上的PDM软件，可非常方便地对现场PA总线仪表进行在线组态、下载与调试。除现场温度变送器外，PA总线仪表还可通过其本身配备的显示窗口进行地址号设置或初始化等，因此大大节省了工作量。

（3） 维护 通过PDM软件，可方便地对现场PA总线仪表的过程参数和诊断状态等所有信息进行上载。因此，为采用新型的现场检测仪表和执行装置的室内维护方式和管理模式提供了可能。

（4）设计 在设计PROFIBUS-PA总线、AS-T总线及其总线仪表时，应首先清楚现场总线仪表设备的分布情况，这样才能正确设计DP/PA偶合器、AS-T主机的数量及安装位置，准确计算出PROFIBUS-PA总线、AS-I总线的电缆长度。在这方面，完全有别于常规设计。

在TRT生产时，由FCS代替高炉控制系统实现的炉顶压力调节稳定，而且发电功率在800OkW左右（预计两年内即可回收工程投资，不仅回收大量的能量，同时降低了噪声带来的环境污染，为用户取得了很好的经济效益。作为一钢公司的样板工程，还为当时在建的大型不锈钢工程采用现场总线控制系统提供了很好的借鉴。

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