現場總線儀表在八鋼120t轉爐煉鋼系統的應用

楊堃

摘要：現場總線儀表由于其全數字性、精度高、抗干擾能力強、高速通信、內嵌控制功能、系統綜合成本低等特點被大量應用于現代工業中，但在不同的工業流程及現場環境下如何可靠運行是眾多使用者關注的重要問題。介紹八鋼公司第二煉鋼廠轉爐現場總線儀表的應用情況，對該系統在運行維護中發現存在的異構網絡結構、接地、總線短路等問題進行了分析并提出相應的解決措施。

關鍵詞：現場總線;異構;接地

1系統結構及配置

第二煉鋼廠控制系統依據煉鋼轉爐生產工藝分布的特點分別在轉爐底吹、凈汽化、轉爐供氧、轉爐煙道及給水泵、LF精煉爐、除塵風機等工藝系統敷設總線共31條，每條總線上掛接總線儀表設備8-12臺profibus-PA。其控制系統網絡結構如圖1所示，網絡架構為C/S（客戶端/服務器）結構，服務器為主、備服務器，每臺服務器上安裝數據服務器與PLC采用工業以太網通訊協議。現場溫度、流量、壓力儀表均設計采用西門子公司的profibus-PA現場儀表總線協議，各條PA總線接入TURCK BL20總線模塊后通過DPLink接入profibus-DP網絡。由于主控制系統PLC采用AB公司的Controil-Logix1756系列產品，為了實現DP總線系統與PLC間的異構數據通訊，采用美國AB公司生產的支持profibus通訊協議的SST通訊卡。其他轉爐電氣設備如開關量、變頻器等設備則采用AB公司CONTROLLNET網絡與PLC實現通訊連接。

2總線儀表接地

在煉鋼生產流程中，各類大型電機、變頻器等電器設備的使用數量和種類繁多，其周邊惡劣的電磁環境會影響到測控系統的正常運轉，因此總線儀表的接地系統的設計、施工規范與否，對總線系統日后的運行至關重要。第二煉鋼廠與電氣系統合用接地系統如圖2所示。第二煉鋼廠總線儀表系統接地全部接入工作地匯流排，與保護接地、中性點接地及管道接地、電氣PE、接閃器引下線、建構筑物接地等均聯接入總接地板后接入多個并聯的接地極，形成等電位聯接。所有總線與直線電纜的屏蔽層全部聯接在一起后集中一點接地，保證每條總線實現單端接地，這種接地聯接方式符合HG/T20513-2000《儀表系統接地設計規定》的標準要求。

3運行維護及設備管理

通過幾年的連續運行，總線儀表系統表現出其明顯優于傳統模擬量儀表的優點：（1）與傳統的模擬量儀表系統相比，總線儀表系統設計在3座轉爐煉鋼節省了大量信號電纜敷設量，現場總線在實際應用中發揮了其能夠采集大量信息數據的優勢，儀表維護人員使用PDM軟件可以通過DPLink上的profibus-DP總線端口監控到儀表自診斷信息及其運行維護狀態，對總線儀表的量程、阻尼、零點遷移等參數進行修改，改變了以往儀表維護人員必須到現場惡劣環境下從事維護作業的方式，提高了維護效率。（2）根據生產工藝的實際需求，在總線上增加儀表測點也變得較為容易，只需要增加某條總線上的節點就能完成，節省了大量的電纜敷設及PCL系統模板的費用。（3）總線儀表的數字化信號傳輸方式減少了模擬儀表A/D、D/A間轉換誤差，其測量精度有所提高。

盡管總線儀表的優勢明顯，但在現場實際應用中也暴露出部分問題。

（1）總線架構設計不合理導致總線儀表實時狀態監測功能未能充分發揮。從圖1中可以看出，第二煉鋼廠控制系統網絡采用了異構通訊模式，其造成的直接結果是儀表維護人員無法直接在工程師站通過AB公司的CONTROLLOGIX監控到現場設備層內所有總線儀表的設備狀態及自診斷信息，也無法進行遠程參數修改，儀表維護人員對現場總線設備的實時檢測管理失效，僅能通過筆記本電腦完成定期監控儀表狀態和修改參數的工作，實質上造成了總線儀表設備功能的浪費。

（2）接地系統問題直接影響到儀表總線正常通訊。現場總線儀表抗干擾能力強是其特點之一，其信號的有效值只有“0”和“1”兩個，一般的噪聲很難扭曲它，其檢錯機制還可以檢測到信號畸變。從圖2可以看到，設計將電氣保護地、管道接地、中性點接地全部接入匯流排后引入接地極，但由于八鋼所處地理環境較為干燥，其接地極接地電阻難以達到國家標準中“≤4Ω”要求，且在總線敷設施工中，總線電纜與動力電纜未能實現分槽敷設，因此在生產中頻繁出現干擾信號將總線數字信號淹沒的問題，如圖3中煉鋼3號轉爐氧槍系統總線儀表檢測值趨勢圖可以看出，關鍵儀表檢測信號頻繁回零，導致轉爐連鎖停爐的故障時有發生。

（3）總線短路影響。現場總線每段掛有8～9臺儀表，每個單臺儀表的短路會影響整條總線內儀表的正常工作，維護人員很難判斷故障點，必須對整條總線內所有儀表及三通接頭逐一打開檢查。由于第二煉鋼廠-連鑄-軋鋼生產緊密銜接，一旦發生總線短路故障，其故障的查找時間較長就會造成全線停產事故，對轉爐生產造成的損失高達上百萬元。這一部分故障多數是由于總線設備電子元件損壞或設備防護未做好導致。

（4）現場總線儀表運算功能塊未能發揮作用。現場總線儀表的一大功能就是實現了設備底層“互聯”，如電磁流量計、氣動調節閥的智能定位器均能通過與測量設備間的通訊互聯，組建帶有“PID”運算的自動控制系統，也可以對流量信號實現溫度、壓力補正等多參數運算，但目前碳鋼煉鋼系統中這些運算控制功能全部由PLC完成，總線儀表僅提供了單一測量或控制功能。一方面加重了PLC運算負荷，另一方面未能有效發揮總線儀表優勢資源。在PLC自身故障狀態下，底層總線設備仍可獨立運行，但在此結構下可能擴大生產事故的損失。

針對近年來在第二煉鋼廠現場總線儀表系統出現的問題，采取了以下的針對性措施：

①為防止改變現有異構網絡結構可能對轉爐生產帶來的巨大影響，制定了如下改造方案。如圖4所示，在AB公司的controllogixPLC與現場設備層間增加西門子公司S7-300型CPU，設置獨立的現場總線工程師站通過PROFIBUS-DP與S7-300CPU通訊，由此儀表維護人員可以直接讀取對總線儀表設備所有運行狀態、總線網絡的實時監控及參數修改。

②為杜絕干擾問題對總線系統的影響，重新選擇總線電纜的敷設路由，遠離電氣電纜路由，同時所有總線電纜全部單獨穿管或敷設封閉式線槽以減少磁耦合引入干擾。同時根據接地系統標準要求，重新制作接地極，將總線系統工作地、保護地與原有的電氣保護接地、構筑物接地、中性點接地全部進行分離，接入獨立的接地極。

③將原有的總線三通接頭更換為AFD總線連接器，其帶有防短路設計，不論支線任一節點發生短路不會影響到整條總線的通訊傳輸，故障查找也變得較為容易，有效避免了了三通式通訊接頭所帶來的故障隱患。

④對于如轉爐底吹系統、氧氣流量運算等簡單自動控制系統和運算，下移至總線儀表內完成，降低PLC運算負荷和事故風險。

綜上所述第二煉鋼廠現場總線所出現的各類問題，在工業生產實際應用中應注意以下幾點，即盡量避免建立異構網絡架構，并極可能發揮現場總線儀表的功能特點;總線系統受到電磁場及接地系統引入干擾后問題更加嚴重，因此應將現場總線的接地系統與其他接地獨立;對總線儀表設備并聯通訊所可能導致的單一故障影響整條線問題的可能性進行預估并制定必要的防護措施。

結語

通過采取以上針對性的措施，煉鋼總線儀表設備引發的生產事故開始大幅降低，再未發生因總線系統干擾導致信號回零發的問題出現。因此也反映出現場總線儀表明顯優于傳統儀表的優勢和功能特點，但必須根據現場情況對其所處環境、工藝流程特點、電場、磁場分布及所需總線設備達到的功能進行綜合考量，以提高其全系統運行可靠性、穩定性。

參考文獻

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