现场总线仪表在八钢120t转炉炼钢系统的应用

杨堃

摘要：现场总线仪表由于其全数字性、精度高、抗干扰能力强、高速通信、内嵌控制功能、系统综合成本低等特点被大量应用于现代工业中，但在不同的工业流程及现场环境下如何可靠运行是众多使用者关注的重要问题。介绍八钢公司第二炼钢厂转炉现场总线仪表的应用情况，对该系统在运行维护中发现存在的异构网络结构、接地、总线短路等问题进行了分析并提出相应的解决措施。

关键词：现场总线;异构;接地

1系统结构及配置

第二炼钢厂控制系统依据炼钢转炉生产工艺分布的特点分别在转炉底吹、净汽化、转炉供氧、转炉烟道及给水泵、LF精炼炉、除尘风机等工艺系统敷设总线共31条，每条总线上挂接总线仪表设备8-12台profibus-PA。其控制系统网络结构如图1所示，网络架构为C/S（客户端/服务器）结构，服务器为主、备服务器，每台服务器上安装数据服务器与PLC采用工业以太网通讯协议。现场温度、流量、压力仪表均设计采用西门子公司的profibus-PA现场仪表总线协议，各条PA总线接入TURCK BL20总线模块后通过DPLink接入profibus-DP网络。由于主控制系统PLC采用AB公司的Controil-Logix1756系列产品，为了实现DP总线系统与PLC间的异构数据通讯，采用美国AB公司生产的支持profibus通讯协议的SST通讯卡。其他转炉电气设备如开关量、变频器等设备则采用AB公司CONTROLLNET网络与PLC实现通讯连接。

2总线仪表接地

在炼钢生产流程中，各类大型电机、变频器等电器设备的使用数量和种类繁多，其周边恶劣的电磁环境会影响到测控系统的正常运转，因此总线仪表的接地系统的设计、施工规范与否，对总线系统日后的运行至关重要。第二炼钢厂与电气系统合用接地系统如图2所示。第二炼钢厂总线仪表系统接地全部接入工作地汇流排，與保护接地、中性点接地及管道接地、电气PE、接闪器引下线、建构筑物接地等均联接入总接地板后接入多个并联的接地极，形成等电位联接。所有总线与直线电缆的屏蔽层全部联接在一起后集中一点接地，保证每条总线实现单端接地，这种接地联接方式符合HG/T20513-2000《仪表系统接地设计规定》的标准要求。

3运行维护及设备管理

通过几年的连续运行，总线仪表系统表现出其明显优于传统模拟量仪表的优点：（1）与传统的模拟量仪表系统相比，总线仪表系统设计在3座转炉炼钢节省了大量信号电缆敷设量，现场总线在实际应用中发挥了其能够采集大量信息数据的优势，仪表维护人员使用PDM软件可以通过DPLink上的profibus-DP总线端口监控到仪表自诊断信息及其运行维护状态，对总线仪表的量程、阻尼、零点迁移等参数进行修改，改变了以往仪表维护人员必须到现场恶劣环境下从事维护作业的方式，提高了维护效率。（2）根据生产工艺的实际需求，在总线上增加仪表测点也变得较为容易，只需要增加某条总线上的节点就能完成，节省了大量的电缆敷设及PCL系统模板的费用。（3）总线仪表的数字化信号传输方式减少了模拟仪表A/D、D/A间转换误差，其测量精度有所提高。

尽管总线仪表的优势明显，但在现场实际应用中也暴露出部分问题。

（1）总线架构设计不合理导致总线仪表实时状态监测功能未能充分发挥。从图1中可以看出，第二炼钢厂控制系统网络采用了异构通讯模式，其造成的直接结果是仪表维护人员无法直接在工程师站通过AB公司的CONTROLLOGIX监控到现场设备层内所有总线仪表的设备状态及自诊断信息，也无法进行远程参数修改，仪表维护人员对现场总线设备的实时检测管理失效，仅能通过笔记本电脑完成定期监控仪表状态和修改参数的工作，实质上造成了总线仪表设备功能的浪费。

（2）接地系统问题直接影响到仪表总线正常通讯。现场总线仪表抗干扰能力强是其特点之一，其信号的有效值只有“0”和“1”两个，一般的噪声很难扭曲它，其检错机制还可以检测到信号畸变。从图2可以看到，设计将电气保护地、管道接地、中性点接地全部接入汇流排后引入接地极，但由于八钢所处地理环境较为干燥，其接地极接地电阻难以达到国家标准中“≤4Ω”要求，且在总线敷设施工中，总线电缆与动力电缆未能实现分槽敷设，因此在生产中频繁出现干扰信号将总线数字信号淹没的问题，如图3中炼钢3号转炉氧枪系统总线仪表检测值趋势图可以看出，关键仪表检测信号频繁回零，导致转炉连锁停炉的故障时有发生。

（3）总线短路影响。现场总线每段挂有8～9台仪表，每个单台仪表的短路会影响整条总线内仪表的正常工作，维护人员很难判断故障点，必须对整条总线内所有仪表及三通接头逐一打开检查。由于第二炼钢厂-连铸-轧钢生产紧密衔接，一旦发生总线短路故障，其故障的查找时间较长就会造成全线停产事故，对转炉生产造成的损失高达上百万元。这一部分故障多数是由于总线设备电子元件损坏或设备防护未做好导致。

（4）现场总线仪表运算功能块未能发挥作用。现场总线仪表的一大功能就是实现了设备底层“互联”，如电磁流量计、气动调节阀的智能定位器均能通过与测量设备间的通讯互联，组建带有“PID”运算的自动控制系统，也可以对流量信号实现温度、压力补正等多参数运算，但目前碳钢炼钢系统中这些运算控制功能全部由PLC完成，总线仪表仅提供了单一测量或控制功能。一方面加重了PLC运算负荷，另一方面未能有效发挥总线仪表优势资源。在PLC自身故障状态下，底层总线设备仍可独立运行，但在此结构下可能扩大生产事故的损失。

针对近年来在第二炼钢厂现场总线仪表系统出现的问题，采取了以下的针对性措施：

①为防止改变现有异构网络结构可能对转炉生产带来的巨大影响，制定了如下改造方案。如图4所示，在AB公司的controllogixPLC与现场设备层间增加西门子公司S7-300型CPU，设置独立的现场总线工程师站通过PROFIBUS-DP与S7-300CPU通讯，由此仪表维护人员可以直接读取对总线仪表设备所有运行状态、总线网络的实时监控及参数修改。

②为杜绝干扰问题对总线系统的影响，重新选择总线电缆的敷设路由，远离电气电缆路由，同时所有总线电缆全部单独穿管或敷设封闭式线槽以减少磁耦合引入干扰。同时根据接地系统标准要求，重新制作接地极，将总线系统工作地、保护地与原有的电气保护接地、构筑物接地、中性点接地全部进行分离，接入独立的接地极。

③将原有的总线三通接头更换为AFD总线连接器，其带有防短路设计，不论支线任一节点发生短路不会影响到整条总线的通讯传输，故障查找也变得较为容易，有效避免了了三通式通讯接头所带来的故障隐患。

④对于如转炉底吹系统、氧气流量运算等简单自动控制系统和运算，下移至总线仪表内完成，降低PLC运算负荷和事故风险。

综上所述第二炼钢厂现场总线所出现的各类问题，在工业生产实际应用中应注意以下几点，即尽量避免建立异构网络架构，并极可能发挥现场总线仪表的功能特点;总线系统受到电磁场及接地系统引入干扰后问题更加严重，因此应将现场总线的接地系统与其他接地独立;对总线仪表设备并联通讯所可能导致的单一故障影响整条线问题的可能性进行预估并制定必要的防护措施。

结语

通过采取以上针对性的措施，炼钢总线仪表设备引发的生产事故开始大幅降低，再未发生因总线系统干扰导致信号回零发的问题出现。因此也反映出现场总线仪表明显优于传统仪表的优势和功能特点，但必须根据现场情况对其所处环境、工艺流程特点、电场、磁场分布及所需总线设备达到的功能进行综合考量，以提高其全系统运行可靠性、稳定性。

参考文献

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