TKT屬節(jié)能環(huán)保項(xiàng)目，為《高爐煤氣余壓能量回收透平發(fā)電的簡(jiǎn)稱。寶鋼集團(tuán)一鋼公司(以下簡(jiǎn)稱為一鋼公司)2500m3高爐TRT工程計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)由武漢鋼鐵設(shè)計(jì)研究總院設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)之初，用戶提出了與常規(guī)TRT控制系統(tǒng)有別的特殊要求：
(1)采用現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)FCS。
(2)在高爐主控制室設(shè)置TRT操作站，以使TRT車間正性產(chǎn)時(shí)無(wú)人值守。
經(jīng)過(guò)近半年的設(shè)計(jì)、編程與調(diào)試，該工程于2003年3月順利投產(chǎn)發(fā)電。
二、FCS系統(tǒng)配置
筆者在設(shè)計(jì)一鋼公司TRT工程中，根據(jù)煤氣差壓發(fā)電的特點(diǎn)，要求現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)不僅成熟、可靠，還應(yīng)盡可能為冗余結(jié)構(gòu)，以確保建TRT不影響主體高爐生產(chǎn)。因此通過(guò)對(duì)多家現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)進(jìn)行比較篩選，確定采用西門子公司的PROFIBUS、AS-I現(xiàn)場(chǎng)總線的組合以及相應(yīng)的儀表裝置，控制系統(tǒng)采用PCS7。FCS硬件主要由控制站、操作站和連接兩者及對(duì)外的通訊總絨構(gòu)成，具體配置如圖1所示。
2.1 控制站
控制站包括主CPU和7個(gè)擴(kuò)展的I/O站(DPll-DPl7)。根據(jù)需要，遠(yuǎn)程I/0站(DPl3-17)分散設(shè)置在現(xiàn)場(chǎng)和與TRTT控制室相距600m的高爐主控制室?？刂破骺蓪?shí)現(xiàn)順序控制、邏輯控制和回路控制，包括邏輯運(yùn)算、算術(shù)運(yùn)算以及用于與回路控制有關(guān)的PID調(diào)節(jié)、函數(shù)發(fā)生和斜坡生成等，共有200多個(gè)功能塊。為保證系統(tǒng)的高可靠性，控制器CPU(AS 417-4H)、通訊模塊及高速通訊總線為一對(duì)一的冗余方式，冗余CPU的快速響應(yīng)及相互切換時(shí)間滿足TRT正常生產(chǎn)及安全保護(hù)要求。
該工程部分開關(guān)量輸入/輸出設(shè)備隨工藝成套，無(wú)總線接口；特殊檢測(cè)儀表(如振動(dòng)測(cè)量裝置)輸出仍為4~20mADC模擬信號(hào)，故設(shè)計(jì)還采用了本地I/O站(DPll、DPl2)和遠(yuǎn)程I/O站(DPl3-DPl7)。DPll至DPl7通過(guò)PROFIBUS-DP總線連接。
控制器及遠(yuǎn)程I/0站的組態(tài)、編程與調(diào)試由操作站/工程師站完成，通過(guò)通訊總線進(jìn)行在線下裝。編程有多種方式，即功能塊、指令表、順控圖和梯形圖等。根據(jù)TRT控制系統(tǒng)特點(diǎn)，這幾種方式可靈活地組合使用。
2.2 操作站
操作站由兩套21"高分辨率純平彩色顯示器、工業(yè)控制機(jī)、打印機(jī)等組成。操作站可兼作工程師站用。 兩個(gè)操作站按要求分別設(shè)置在TRT控制室和高爐主控制室，除《啟動(dòng)畫面"內(nèi)容略有不同外，兩個(gè)操作站顯示的內(nèi)容和操作方式完全一致。TRT控制室操作站主要作調(diào)試用。 監(jiān)控軟件采用SIMATIC PCS7 OS V5.1，它工作在Windows NT平臺(tái)上，通過(guò)豐富、完善的仿真畫面，實(shí)時(shí)監(jiān)視從本地及遠(yuǎn)程I/0站、PROFIBUS PA與AS-I現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)采集的過(guò)程數(shù)據(jù)，同時(shí)進(jìn)行相關(guān)的工藝操作。另外操作站通過(guò)編程與組態(tài)，還實(shí)現(xiàn)以下主要功能:
·報(bào)警功能:監(jiān)控軟件提供的報(bào)警日志以毫秒級(jí)地記錄事件、信息和報(bào)警狀態(tài)，按照?qǐng)?bào)警等級(jí)作出相應(yīng)反應(yīng)，并根據(jù)要求進(jìn)行分類與歸檔或觸發(fā)相關(guān)的動(dòng)作(如打印）。
·安全功能:監(jiān)控軟件提供的用戶管理器允許設(shè)置用戶多種權(quán)限，針對(duì)不同的操作者設(shè)置相應(yīng)的加密等級(jí)，記錄操作者重要的操作過(guò)程。
·數(shù)據(jù)管理:監(jiān)控軟件提供的標(biāo)簽日志和報(bào)表編輯器可以記錄、顯示、打印及拷貝重要參數(shù)的歷史趨勢(shì)值，以便于數(shù)據(jù)查找與故障分析。
2.3 通訊總線
通訊總線共用了4種，即工業(yè)以太網(wǎng)、PROFIBUS-DP、PROFIBUS-PA和AS-I。
(1) 工業(yè)以太網(wǎng)
用于TRT操作站與控制站、TRT操作站與高爐主控制室操作站之間的通訊連接。Ethernet為開放、高速、冗余的結(jié)構(gòu)，通信速度為l0M/s。兩個(gè)操作站之間的通訊采用環(huán)形光纖，距離為600m左右。操作站與控制站之間的通訊采用同軸電纜及相應(yīng)的通訊卡(CP443-1等人環(huán)形光纖與同軸電纜之間采用連接器OLMITP62過(guò)渡。操作站和控制站是通過(guò)軟件設(shè)置不同的地址號(hào)進(jìn)行識(shí)別。
(2) PROFIBUS-DP
ROFIBUS-DP按作用分為兩種，分別與主CPU上DP通訊口和主機(jī)架通訊卡(CP443-5)連接。一種用于TKT控制站與本地I/0站(DPll、DPl2)、遠(yuǎn)程I/O站(DPl3~DPl7)之間的通訊連接，為冗余結(jié)構(gòu);另一種用于TRT控制站與Y-LINK之間的通訊連接，Y-LINK之前為冗余結(jié)構(gòu)，之后為非冗余PROFIBUS-PA耦合器。由于遠(yuǎn)程I/O站DPl3設(shè)置在有爆炸氣體的危險(xiǎn)場(chǎng)所，為防爆型，故與該I/O站相連的PROFIBUS-DP是通過(guò)Y-LINK轉(zhuǎn)換后的非冗余結(jié)構(gòu)。另外，與AS-I設(shè)備的連接也是通過(guò)Y-LlNK和耦合器實(shí)現(xiàn)的非冗余的通訊結(jié)構(gòu)。
控制站訪問(wèn)本地I/O站和遠(yuǎn)程I/O站是通過(guò)硬件設(shè)置不同的DP站號(hào)進(jìn)行識(shí)別。
(3)PROFlBUS-PA
PROFIBUS-趴為雙芯屏蔽結(jié)構(gòu)的特殊電纜，信號(hào)與電源共用，因此可為2線制PA儀表提供工作電源(對(duì)于帶PA總線接口的電磁流量計(jì)等大功率儀表設(shè)備，需另外設(shè)計(jì)工作電源)PA儀表通過(guò)DP/PA-耦合器及Y-LINK與PROFIBUS-DP相連，由于PA儀表的工作電源也由DP/PA-禍合器提供(每臺(tái)儀表24VDC供電，平均消耗電流為l0mA)，通訊速度為31.25Kbps，因此每個(gè)耦合器下掛PA儀表的數(shù)量受到很大限制，雖然理論上為32臺(tái)，但西門子公司建議為10臺(tái)左右。
根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)點(diǎn)的分布及遠(yuǎn)程I/0站的設(shè)置，設(shè)計(jì)采用6根PROFIBUS-PA總線和3對(duì)Y-LINK實(shí)現(xiàn)PA總線儀表與控制站的通訊。Y-LINK設(shè)置分別為DPl2:1對(duì)，DPl4:2對(duì)。Y-LINK的站號(hào)設(shè)置與PROFIBUS-DP平級(jí)，也是通過(guò)硬件撥碼完成。西門子公司生產(chǎn)的藕合器是透明的，即揭合器沒(méi)有地址號(hào)，也不需要對(duì)禍合器進(jìn)行任何組態(tài)。因此，不同的Y-LINK下的PA儀表地址號(hào)(在0-126內(nèi))是可重復(fù)的。
PROFIBUS-PA總線通過(guò)專用的T形接頭實(shí)現(xiàn)與PA儀表的物理連接。PA總線兩端必須連接專用的終端電阻，以最大限度的避免電纜上的信號(hào)反射，提高傳輸質(zhì)量。
PA總線儀表的測(cè)量與控制功能組態(tài)，參數(shù)設(shè)置和狀態(tài)診斷等是由安裝在工程師站的PDM軟件實(shí)現(xiàn)的;Y-LINK組態(tài)是由PCS7套裝軟件實(shí)現(xiàn)。
(4)AS-I
AS-I是執(zhí)行器一傳感器一接口(Actuator-sensor-Interface)的縮寫，它是一種用來(lái)在控制器(主站)和傳感器/執(zhí)行器(從站)之間雙向交換信息的總線網(wǎng)絡(luò)，它屬于現(xiàn)場(chǎng)總線(PROFIBUS等)下面的底層通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。一個(gè)AS-I總線系統(tǒng)通過(guò)主站中不同類型的網(wǎng)關(guān)，可以與多種現(xiàn)場(chǎng)總線(如FF、CAN-bus等)連接。AS-I總線可以作為:
① 現(xiàn)場(chǎng)總線的一個(gè)接點(diǎn)服務(wù)器，在總線下掛一批從站如AS-I模塊。
② 與具有AS-I接口的開關(guān)量傳感器(如接近開關(guān)、料位開關(guān)、壓力開關(guān)、流量開關(guān)等)和執(zhí)行器(如閥門和聲光報(bào)警等)通訊。
③ 與具有AS-I接口的模擬量?jī)x表通訊，并同時(shí)提供儀表工作電源。
考慮到工程規(guī)模及投資限制，設(shè)計(jì)采用①中AS-T現(xiàn)場(chǎng)總線結(jié)構(gòu)。
AS-I主機(jī)為DP/ASI LINK20，主機(jī)與電源均安裝在與入口水封閥區(qū)域共用的機(jī)柜(DPl6)內(nèi)，DP/AST TTNK2O采用非冗余的PROFIBUS-DP總線與透平發(fā)電機(jī)區(qū)域機(jī)柜遠(yuǎn)程I/O(DPl3)相連，再通過(guò)Y-LNK和通信模塊與TRT控制室主CPU連接。
DP/ASI LINK20與AS-I模塊(從站)采用特制黃色2芯扁平可反復(fù)穿刺的壓接電纜進(jìn)行信號(hào)雙向通訊;采用特制黑色扁平可反復(fù)穿刺的壓接電纜為模塊提供工作電源。主機(jī)與從站的信號(hào)電纜長(zhǎng)度不超過(guò)100m，一個(gè)主站下掛從站的數(shù)量不超過(guò)31個(gè)。
AS-I模塊有2通道、4通道、8通道等多種規(guī)格可選，從AS-I模塊至傳感器采用專用的帶M12接頭的電纜連接，電纜接頭防護(hù)等級(jí)為IP67，以保證模塊可露天安裝或放置，在惡劣的環(huán)境下工作。
本工程AS-I總線設(shè)備包括開關(guān)量輸入、輸出，模擬量輸入等17個(gè)點(diǎn)，設(shè)計(jì)采用l根AS-I信號(hào)線、l根AS-T電源線和1套LINK20主機(jī)實(shí)現(xiàn)AS-l與PROFIBUS-DP的通訊，LINK20下掛4個(gè)AS-I模塊，其中一個(gè)是可為2線制變送器提供電源的模擬量輸入模塊。
AS-I總線設(shè)備測(cè)量與控制功能組態(tài)，參數(shù)設(shè)置(包括通訊地址號(hào))和狀態(tài)診斷等是由手持編程終端實(shí)現(xiàn)的;LINK20的組態(tài)是由PCS7套裝軟件實(shí)現(xiàn)。
三、由FCS實(shí)現(xiàn)的主要控制功能介紹
TRT工程控制系統(tǒng)比較復(fù)雜。筆者在FCS中研究開發(fā)了新的"綜合控制功能軟件"，它在不改變高爐原有操作方式和操作習(xí)慣、確保高爐正常生產(chǎn)的前提下，實(shí)現(xiàn)了輔助系統(tǒng)的準(zhǔn)備控制，主機(jī)系統(tǒng)的啟動(dòng)、升速、并網(wǎng)、升功率、爐頂壓力控制與最大限度地發(fā)電，高爐減風(fēng)時(shí)TRT的電動(dòng)運(yùn)行控制，高爐異?；騎KT系統(tǒng)故障時(shí)的安全保護(hù)控制。除輔助系統(tǒng)在啟動(dòng)過(guò)程中需要操作工干預(yù)外，主機(jī)系統(tǒng)的啟停以及運(yùn)行控制均可由FCS自動(dòng)實(shí)現(xiàn)。
3.1 啟動(dòng)升速控制
啟動(dòng)升速控制是在取消了啟動(dòng)閥的基礎(chǔ)上由FCS控制可調(diào)靜葉實(shí)現(xiàn)。當(dāng)選擇自動(dòng)啟機(jī)時(shí)，TRT從升轉(zhuǎn)速、投勵(lì)磁、升電壓、并網(wǎng)到升功率、高爐爐頂壓力等各控制段都是自動(dòng)完成的，操作工只須監(jiān)視變化的自動(dòng)控制過(guò)程。
在自動(dòng)升速過(guò)程中，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)地根據(jù)預(yù)存升速曲線并結(jié)合高爐頂壓變化情況產(chǎn)生隨時(shí)間變化的轉(zhuǎn)速設(shè)定值，并結(jié)合轉(zhuǎn)速測(cè)量值不斷調(diào)節(jié)靜葉開度，直至TRT并網(wǎng)發(fā)電。
3.2 升功率控制
TRT并網(wǎng)后，《綜合控制功能軟件"的功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)地根據(jù)預(yù)存升功率曲線并結(jié)合高爐頂壓變化情況產(chǎn)生功率設(shè)定值去控制可調(diào)靜葉開度，而且在整個(gè)升功率過(guò)程中，F(xiàn)CS還進(jìn)行升功率和高爐爐頂壓力兩個(gè)調(diào)節(jié)過(guò)程的比較，即當(dāng)高爐頂壓波動(dòng)較大時(shí)，功率控制暫停而使頂壓控制系統(tǒng)起作用;一旦升功率達(dá)到預(yù)設(shè)定值，即自動(dòng)轉(zhuǎn)入高爐爐頂壓力控制。
3.3 爐頂壓力與正常發(fā)電控制
頂壓控制也是由可調(diào)靜葉實(shí)現(xiàn)的?？刂苹芈返膲毫y(cè)量值與高爐原有爐頂壓力減壓閥組控制回路的測(cè)量值是同一信號(hào);而控制回路的壓力設(shè)定值是將高爐原有爐頂壓力減壓閥組控制回路的設(shè)定值經(jīng) "綜合控制功能軟件"運(yùn)算后得到的。
一鋼公司TRT控制系統(tǒng)在自動(dòng)啟機(jī)和自動(dòng)停機(jī)過(guò)程中均參與爐頂壓力控制。TRT在啟機(jī)拉煤氣和停機(jī)趕煤氣過(guò)程中引起的頂壓變化不超過(guò)5kPa;在緊急停機(jī)瞬間和TRT正常生產(chǎn)時(shí)由"綜合控制功能軟件"實(shí)現(xiàn)的高爐頂壓控制優(yōu)于用戶的技術(shù)要求。
TRT正常發(fā)電控制包括高爐爐頂壓力控制。
3.4 TRT停機(jī)控制
由FCS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的停機(jī)控制包括手動(dòng)/自動(dòng)正常停機(jī)和緊 急停機(jī)，緊急停機(jī)貫穿于TRT的所有控制過(guò)程中。
(1)正常停機(jī)
手動(dòng)正常停機(jī)是靠FCS系統(tǒng)的虛擬操作臺(tái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)選擇自動(dòng)正常停機(jī)時(shí)，TRT側(cè)高爐爐頂壓力調(diào)節(jié)輸出控制可調(diào)靜葉緩慢關(guān)閉，由于高爐側(cè)爐頂壓力調(diào)節(jié)回路始終處于自動(dòng)控制等待狀態(tài)，可調(diào)靜葉的緩慢關(guān)閉同時(shí)使減壓閥組逐漸開大。
TRTT自動(dòng)正常停機(jī)控制既為爐頂壓力控制，又為減電量控制，隨著可調(diào)靜葉慢慢關(guān)小，減壓閥組慢慢打開，當(dāng)發(fā)電機(jī)功率達(dá)到工藝要求的解列值時(shí)，自動(dòng)發(fā)出解列信號(hào)，使發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)解列，同時(shí)自動(dòng)關(guān)閉緊急切斷閥等，直至系統(tǒng)正常停機(jī)結(jié)束。
(2)緊急停機(jī)
自動(dòng)緊急停機(jī)是指通過(guò)安裝在FCS中的"綜合控制功能軟件"實(shí)現(xiàn)的一種安全保護(hù)控制方式。TRT自動(dòng)緊急停機(jī)條件近30個(gè)，當(dāng)出現(xiàn)任一條件時(shí)，F(xiàn)CS發(fā)出信號(hào)使發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)解列，同時(shí)使緊急切斷閥、可調(diào)靜葉關(guān)閉，旁通快開閥進(jìn)入前饋調(diào)節(jié)狀態(tài)。前饋控制系統(tǒng)使旁通快開閥打開一定開度，然后進(jìn)入爐頂壓力調(diào)節(jié)，自動(dòng)使高爐煤氣從TRT流經(jīng)減壓閥組。如果減壓閥組卡住，完全由旁通快開閥進(jìn)行的爐頂壓力調(diào)節(jié)直至該閥組恢復(fù)正常;如果減壓閥組慢慢打開，旁通快開閥會(huì)在保證爐頂壓力穩(wěn)定的前提下緩慢關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)緊急停機(jī)情況下TRT爐頂壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)與高爐爐頂壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)之間的平穩(wěn)過(guò)渡。
緊急停機(jī)是在工秒鐘內(nèi)完成的重故障停機(jī)，因此除要求計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)快速響應(yīng)外，還應(yīng)有精確的事故后查找功能。該FCS以毫秒級(jí)的事件記錄及打印輸出，讓用戶很方便地查找分析出引起第一停機(jī)故障的原因。
四、結(jié)語(yǔ)
筆者就本工程的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試及運(yùn)用情況提出幾點(diǎn)看法:
(1) 投資 FCS雖然使控制系統(tǒng)一次投資有所增加，但電纜(該工程信號(hào)電纜的總長(zhǎng)度不到2400米，而常規(guī)的TRT控制系統(tǒng)信號(hào)電纜總長(zhǎng)度為16000米左右)等材料費(fèi)用以及施工安裝費(fèi)用大大降低。
(2) 組態(tài)與調(diào)試 就通過(guò)安裝在FCS工程師站上的PDM軟件，可非常方便地對(duì)現(xiàn)場(chǎng)PA總線儀表進(jìn)行在線組態(tài)、下載與調(diào)試。除現(xiàn)場(chǎng)溫度變送器外，PA總線儀表還可通過(guò)其本身配備的顯示窗口進(jìn)行地址號(hào)設(shè)置或初始化等，因此大大節(jié)省了工作量。
(3) 維護(hù) 通過(guò)PDM軟件，可方便地對(duì)現(xiàn)場(chǎng)PA總線儀表的過(guò)程參數(shù)和診斷狀態(tài)等所有信息進(jìn)行上載。因此，為采用新型的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)儀表和執(zhí)行裝置的室內(nèi)維護(hù)方式和管理模式提供了可能。
(4)設(shè)計(jì) 在設(shè)計(jì)PROFIBUS-PA總線、AS-T總線及其總線儀表時(shí)，應(yīng)首先清楚現(xiàn)場(chǎng)總線儀表設(shè)備的分布情況，這樣才能正確設(shè)計(jì)DP/PA偶合器、AS-T主機(jī)的數(shù)量及安裝位置，準(zhǔn)確計(jì)算出PROFIBUS-PA總線、AS-I總線的電纜長(zhǎng)度。在這方面，完全有別于常規(guī)設(shè)計(jì)。
在TRT生產(chǎn)時(shí)，由FCS代替高爐控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的爐頂壓力調(diào)節(jié)穩(wěn)定，而且發(fā)電功率在800OkW左右(預(yù)計(jì)兩年內(nèi)即可回收工程投資，不僅回收大量的能量，同時(shí)降低了噪聲帶來(lái)的環(huán)境污染，為用戶取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益。作為一鋼公司的樣板工程，還為當(dāng)時(shí)在建的大型不銹鋼工程采用現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)提供了很好的借鑒。
（轉(zhuǎn)載）
