泰鋼高爐爐頂自動化系統(tǒng)的改造實(shí)踐

畢泗坤，李傳永，郭立濤，李 舉，韓傳寶

（山東泰山鋼鐵集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南271100）

1 前 言

泰鋼煉鐵廠1 780 m3高爐爐頂自動化系統(tǒng)采用昆騰CPU67160 系列冗余架構(gòu)，傾動、旋轉(zhuǎn)、探尺電機(jī)均采用西門子6se70 系列變頻器控制，α、β、γ 角度測量及探尺位置檢測采用總線式多圈絕對值編碼器實(shí)現(xiàn)，變頻器與編碼器通過Profibus-DP 串行網(wǎng)絡(luò)接入PTQ模塊，CPU以通訊方式讀取各設(shè)備參數(shù)實(shí)現(xiàn)參數(shù)顯示及布料系統(tǒng)的全自動運(yùn)行。在日常維護(hù)中，發(fā)現(xiàn)原設(shè)計(jì)中存在諸多不合理之處，如爐頂串行DP 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、傾動及旋轉(zhuǎn)角度單編碼器檢測等，對設(shè)備維護(hù)及生產(chǎn)順行有較大的影響。為此，對爐頂自動化系統(tǒng)進(jìn)行了一系列改造。

2 爐頂DP網(wǎng)絡(luò)混合型改造

2.1 串行網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

高爐爐頂DP 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。串行DP網(wǎng)絡(luò)的缺點(diǎn)是當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中任意一點(diǎn)中斷后，將導(dǎo)致斷點(diǎn)后面的運(yùn)行數(shù)據(jù)丟失或設(shè)備失控，且串行網(wǎng)絡(luò)故障排查難度較大，故障處理時(shí)間長。從圖1中可以看出，泰鋼高爐爐頂DP 網(wǎng)絡(luò)中任何一個(gè)設(shè)備損壞或電纜中斷后，將導(dǎo)致爐頂網(wǎng)絡(luò)癱瘓，從而導(dǎo)致爐頂布料系統(tǒng)的失效，影響高爐的正常生產(chǎn)。為此，對網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行更改，提高其抗故障風(fēng)險(xiǎn)能力。

圖1 原DP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

2.2 PROFIBUS集線器主要功能

1）改變PROFIBUS 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：PB-Hub 可改變PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)樹形及混合型的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。2）增加站點(diǎn)個(gè)數(shù)容量、延長傳輸距離：PB-Hub每個(gè)接口相當(dāng)于1個(gè)中繼器接口，可以獨(dú)立驅(qū)動1 個(gè)PROFIBUS 段。3）隔離的功能（僅限于GL型號）：PB-Hub-XY每接口段之間是電氣隔離的，有一定的故障隔離作用，包括短路、斷路、反接和電磁干擾，對通信波形的衰減、畸變也有修復(fù)作用。4）監(jiān)示診斷功能：PB-Hub 通過LED 指示燈可以監(jiān)視PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)中各段的工作狀態(tài)，為網(wǎng)絡(luò)診斷提供參考。

2.3 改造后混合型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

改造后的DP 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2 所示（用PBHUB6隔離型實(shí)現(xiàn)）。

圖2 改造后DP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

由圖2 可看出，改造后的網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了各DP 設(shè)備間相互獨(dú)立，單元設(shè)備故障不會影響其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸，提高了網(wǎng)絡(luò)的抗風(fēng)險(xiǎn)能力及網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的穩(wěn)定性，同時(shí)利用設(shè)備自帶的診斷功能可以快速定位故障位置，減少故障處理時(shí)間，降低故障影響。

3 冗余傾動編碼器改造

原爐頂自動化系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，僅有1個(gè)傾動角度檢測總線式編碼器。如果編碼器出現(xiàn)故障，高爐將無法進(jìn)行自動布料，手動控制傾動無法保證布料矩陣設(shè)定的落點(diǎn)，影響高爐布料。利用多線制絕對值編碼器實(shí)施了冗余傾動編碼器改造，傾動減速機(jī)對稱方向留有兩個(gè)編碼器安裝點(diǎn)，總線式編碼器（編碼器1）位于減速機(jī)北側(cè)。為能夠在南側(cè)順利安裝編碼器，加工1 個(gè)編碼器安裝支架，固定多線制多圈絕對值編碼器（編碼器2），通過多芯屏蔽電纜將格雷碼信號接入PLC數(shù)字量輸入模塊，在程序中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后得到傾動的實(shí)際角度。由于對稱側(cè)編碼器傳動軸轉(zhuǎn)向相反，所以在程序中對數(shù)據(jù)變化的方向進(jìn)行了調(diào)整。編寫畫面編碼器切換程序：當(dāng)DP 網(wǎng)絡(luò)正常時(shí)，選擇編碼器1；DP 網(wǎng)絡(luò)故障時(shí)，選擇編碼器2。確保自動連鎖中的傾動角度反饋數(shù)值的準(zhǔn)確性和可靠性，實(shí)現(xiàn)了傾動角度檢測的冗余。

4 基于時(shí)間法多環(huán)布料程序設(shè)計(jì)

原程序設(shè)計(jì)中關(guān)于多環(huán)布料圈數(shù)計(jì)算流程如圖3所示。布料圈數(shù)的計(jì)算完全依賴于β角度的測量值。如上文所述，β角度檢測由單個(gè)總線式編碼器實(shí)現(xiàn)。當(dāng)編碼器不能正確反饋溜槽實(shí)際位置時(shí)，將導(dǎo)致布料過程中斷，布料矩陣失效，影響高爐布料的準(zhǔn)確性和連續(xù)性，為此設(shè)計(jì)了基于時(shí)間法的多環(huán)布料程序。

圖3 原圈數(shù)計(jì)算程序流程

4.1 時(shí)間法多環(huán)布料程序流程

修改后的圈數(shù)計(jì)算程序流程如圖4所示，修改后的程序流程增加了一種基于時(shí)間方式的圈數(shù)計(jì)算方式，同時(shí)在畫面上增加了一個(gè)實(shí)際圈數(shù)/時(shí)間模擬選擇開關(guān)。當(dāng)選擇實(shí)際圈數(shù)時(shí)，程序按流程進(jìn)行多環(huán)布料。當(dāng)選擇時(shí)間模擬時(shí)，程序按時(shí)間法進(jìn)行多環(huán)布料。

爐頂布料溜槽旋轉(zhuǎn)一圈的時(shí)間是固定的8.35 s，所以可以用延時(shí)來模擬計(jì)算圈數(shù)的整數(shù)部分。當(dāng)節(jié)流閥打開時(shí)，激活延時(shí)接通繼電器Ton。當(dāng)Ton=1時(shí)，圈數(shù)的整數(shù)部分N1加1，同時(shí)復(fù)位Ton，并用當(dāng)前延時(shí)時(shí)間TC除以8.35 s來模擬計(jì)算圈數(shù)的小數(shù)部分N2。通過模擬圈數(shù)與布料矩陣設(shè)置圈數(shù)的比較，可以控制溜槽的下傾與停止，從而實(shí)現(xiàn)布料矩陣的自動運(yùn)行，完成多環(huán)布料操作。

圖4 修改后圈數(shù)計(jì)算程序流程

4.2 旋轉(zhuǎn)角度顯示的無擾切換

為避免布料過程中切換到時(shí)間模擬方式后，畫面上無法顯示旋轉(zhuǎn)角度的問題，還需對當(dāng)前旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行模擬顯示。因?yàn)樾D(zhuǎn)分為左旋和右旋兩種方式，所以需對左右兩個(gè)方向分別計(jì)算。

右旋時(shí)，旋轉(zhuǎn)角度β 逐漸增大，顯示的旋轉(zhuǎn)角度應(yīng)為：

左旋時(shí)，旋轉(zhuǎn)角β 逐漸減小，顯示的旋轉(zhuǎn)角度應(yīng)為：

按照以上流程對程序進(jìn)行修改，就完成了時(shí)間法多環(huán)布料程序的設(shè)計(jì)。利用檢修時(shí)間對程序進(jìn)行了調(diào)試，調(diào)試結(jié)論如下：

1）當(dāng)在節(jié)流閥打開之前切入時(shí)間模擬圈數(shù)計(jì)算時(shí)，時(shí)間模擬法多環(huán)布料能夠按照布料矩陣進(jìn)行布料操作，布料位置及時(shí)間與實(shí)際趨于一致。

2）當(dāng)在節(jié)流閥打開之后切入模擬圈數(shù)計(jì)算時(shí)，時(shí)間模擬法對切入之前的圈數(shù)及程序狀態(tài)進(jìn)行了斷點(diǎn)續(xù)傳，不會造成圈數(shù)計(jì)算錯誤，對自動布料過程無任何影響，實(shí)現(xiàn)了實(shí)際圈數(shù)和時(shí)間模擬方式的無擾動切換。

5 結(jié) 語

通過改造，避免了DP 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備故障給高爐生產(chǎn)帶來的負(fù)面影響，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的冗余在線運(yùn)行和維護(hù)，保障了高爐布料系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和布料精準(zhǔn)，大幅提高了爐頂控制系統(tǒng)的實(shí)用性、可靠性和穩(wěn)定性，為高爐的穩(wěn)產(chǎn)、長壽、順行提供了設(shè)備保障和智力支撐。