大型板加区自动化系统设计研究 本文关键词：自动化系统，研究，设计，板加区
大型板加区自动化系统设计研究 本文简介：摘要：可靠稳定的自动化系统是加热炉安全生产的必要保证。冗余ＰＬＣ系统作为安全可靠的ＰＬＣ系统在现代钢铁生产企业得到了广泛应用，针对某大型板加区高可靠性和高度自动化的要求，设计了基于冗余ＰＬＣ的多级冗余系统。该自动化系统经生产验证具有良好的稳定性和可靠性。关键词：冗余ＰＬＣ；加热炉；自动化系统信息化和
大型板加区自动化系统设计研究 本文内容：
摘要：可靠稳定的自动化系统是加热炉安全生产的必要保证。冗余ＰＬＣ系统作为安全可靠的ＰＬＣ系统在现代钢铁生产企业得到了广泛应用，针对某大型板加区高可靠性和高度自动化的要求，设计了基于冗余ＰＬＣ的多级冗余系统。该自动化系统经生产验证具有良好的稳定性和可靠性。
关键词：冗余ＰＬＣ；加热炉；自动化系统
信息化和自动化是现代钢铁企业生产的客观要求。随着国内钢铁技术由技术输入到技术输出转变的实现，对作为钢铁技术重要支撑的自动化技术水平的要求也越来越高。安全性和可靠性是自动化生产过程中的核心要求，作为轧钢生产线上游工艺段的加热炉单元，对其生产的安全性要求更高。冗余ＰＬＣ系统是ＰＬＣ控制技术发展的最新成果，具有更高的可靠性和安全性。在国外某热轧线板加区工程设计中，将冗余ＰＬＣ系统与过程控制系统集成，实现了完整的自动化生产过程。该控制系统具有较高的安全性和稳定性，结合了先进的基础自动化控制技术和过程控制技术，该系统代表了大型板加区自动化系统的最高水平。
１板加区工艺概况
国外某热轧线加热炉设计年产热板坯５４４×１０４ｔ，为满足加热要求，设４座环保型步进梁式加热炉，供热方式采用先进的脉冲燃烧控制技术，步进梁的水梁立柱采用汽化冷却系统。加热炉的控制范围从每座加热炉的装钢机开始，到每座加热炉的出钢机结束，包括４座步进梁式加热炉本体设备及其液压站、汽化冷却系统、风机系统及其他辅助生产设备。
２自动化系统构成
加热炉区自动化系统由两级控制构成：Ｌ１级：即基础自动化系统，主要的控制功能有装出钢机的ＡＰＣ控制、液压系统及步进梁控制、加热炉燃烧控制、汽化冷却系统控制以及其他介质的测量、控制和必要的数据传输等。Ｌ２级：即计算机过程控制系统，主要完成板坯的物流跟踪、板坯燃烧模型计算，优化板坯加热温度设定和数据处理及数据通信、班管理、报表打印等功能。其中Ｌ１级系统按照控制对象的不同，同时考虑到生产维护的区分，以及出于降低安全风险的考量，分为电气控制系统和仪表控制系统，分别采用独立的ＰＬＣ系统以提高安全系数。加热炉区自动化系统组成如图１所示。电控、仪控ＰＬＣ系统和计算机过程控制系统通过星型交换式快速工业以太网实现数据交换；电控和仪控系统与传动设备及现场仪表通过ＰｒｏｆｉｂｕｓＤＰ现场总线实现数据交换；采用标准的通信协议和分层网络，充分保证整个系统的通信畅通。
３基础级自动化系统设计
基础自动化控制系统的设计基于西门子冗余ＰＬＣ系统。西门子冗余ＰＬＣ（本项目仪控及电控分别采用Ｓ７－４１７Ｈ、Ｓ７－４１４Ｈ）系统具有以下特点：双机架或复合型机架；双ＣＰＵ卡件；双电源卡件；现场总线网络冗余。Ｓ７－４００Ｈ系列的冗余控制器典型配置见图２。采用冗余ＰＬＣ构成基础自动化系统，完成加热炉电气设备控制、燃烧仪表控制。中心控制单元（ＣＰＵ）与分布式Ｉ／Ｏ站之间、各个分布式ＩＯ站之间均通过ＰｒｏｆｉｂｕｓＤＰ总线进行通信；仪表和电气的ＣＰＵ控制器之间、各个控制器和ＨＭＩ之间、各个ＨＭＩ之间均通过以太网进行通信，从而构成仪表、电气一体化控制系统。
３．１基础自动化系统的配置
基础自动化系统由ＰＬＣ控制系统和ＨＭＩ人机交互系统组成。ＨＭＩ系统采用Ｉｎｔｏｕｃｈ１０．２监控软件。ＷｏｎｄｅｒｗａｒｅＩｎｔｏｕｃｈ为以现场设备和操作人员为中心的生产信息系统提供了可视化工具，这些生产信息系统集成了操作人员所需的各种信息，可以在工厂内部和各工厂之间共享。整个基础自动化系统设有９套控制系统装置，分别是１号～４号加热炉燃烧仪表控制系统（Ｓ７－４１７Ｈ），１号～４号加热炉电气设备系统（Ｓ７－４１４Ｈ），１套公用控制系统（汽化给水除氧站和８台助燃风机系统，Ｓ７－４１４Ｈ）。基础自动化ＰＬＣ控制系统配置如表１所示。ＨＭＩ操作终端采用服务器／客户机结构。在加热炉操作室内设置６台ＨＭＩ客户机，分别用于Ｌ１电控、Ｌ１仪控的操作；在加热炉控制室设置２台服务器、２个工程师站（电控、仪控各一台），用于Ｌ１系统组态、程序编制、系统维护等；另设４台网络打印机（加热炉出炉操作室２台、控制室２台网络打印机）。通过这些设备完成参数设定、状态监视报警和报表打印。ＨＭＩ及网络设备的配置见表２。
３．２冗余ＰＬＣ系统的安全机理
冗余ＰＬＣ的安全性主要体现在主站ＣＰＵ同步运行互为热备，以及通信网络的冗余结构。系统主站双ＣＰＵ互为热备，同步运行。主站双ＣＰＵ之间通过同步光纤链接，保持事件驱动的同步程序扫描。冗余ＰＬＣ在进入冗余模式之前，主机ＣＰＵ先运行起来，然后从机ＣＰＵ和主机ＣＰＵ进行同步。同步过程中，主机ＣＰＵ总处于运行状态，而从机ＣＰＵ将经历两个同步阶段：Ｌｉｎｋ－ｕｐ和Ｕｐｄａｔｅ。同步过程中主机ＣＰＵ检查并更新从机ＣＰＵ的存储器内容。Ｌｉｎｋ－ｕｐ阶段主要同步ＣＰＵ中的Ｌｏａｄｍｅｍｏｒｙ和Ｗｏｒｋｍｅｍｏｒｙ中的用户程序；Ｕｐｄａｔｅ阶段主要同步ＣＰＵ中的数据，包括定时器、计数器、Ｍ内存区、输入和输出、ＤＢ块和诊断缓冲区等。主机ＣＰＵ故障停机时，从机始终能保证在两个同步阶段下与主机保持一致，达到冗余、同步操作过程。冗余ＰＬＣ系统两个ＣＰＵ均带有以太网接口，保证了以太网通信的冗余；现场总线通信也是双ＰｒｏｆｉｂｕｓＤＰ总线配置以适应现场恶劣环境，避免因为物理损毁或其他原因而导致的通信中断，降低故障率。各远程Ｉ／Ｏ站选用带双ＤＰ接口的通信模块；对于编码器或变频装置等只带单个ＤＰ接口的通信对象，可选用Ｙ－ｌｉｎｋ链接器耦合双ＤＰ总线，以便接入冗余系统。
３．３冗余ＰＬＣ系统的通信处理
ＰＬＣ的控制功能不仅有逻辑运算，还有对外的通信功能。因为冗余系统的双以太网结构，其对外通信也采用双链路模式。在双链路模式下，因为通信对象是单一的，所以只能双路切换最终以单一链路发送或接收通信电文。在西门子ＳＴＥＰ７５．５环境下，可通过冗余系统状态诊断功能模块ＳＦＣ５１读取系统状态，即当前冗余ＣＰＵ的主机及从机的分配状态。识别系统的主机后，通信程序切换至主机链路读取或发送通信电文。
４计算机过程控制系统设计
加热炉过程系统将对４座板坯加热炉组成的炉群进行集中管理和统一控制，并协调保持与轧线生产的一致性。系统的主要任务是按生产工艺要求对加热炉内的板坯进行合理的加热，并对加热炉区内的板坯进行跟踪和控制。
４．１计算机过程控制系统的配置
采用ＰＣ服务器作为过程控制系统主机，服务器的磁盘采用数组盘。系统平台采用流行的Ｗｉｎｄｏｗｓ操作系统和通用的大型数据库。系统设置两台服务器互为备用，除有各自的系统磁盘空间外还共享一套磁盘阵列。服务器配置双机备用软件，当一台服务器发生故障时，在维护工程师作必要的切换操作后，另一台备用服务器可以投入在线控制。另外系统还设置６台操作终端用于监控操作和１台工程师站用于系统的维护。该系统还随附一套远程维护设备，以便远程离厂修改维护。
４．２计算机过程控制系统的主要功能
加热炉计算机过程控制主要完成如下功能：（１）生产计划数据的管理。生产计划数据管理的目的是对轧制计划数据和板坯数据进行管理，本系统从轧线计算机Ｌ２系统接收加热炉生产计划和板坯数据。（２）加热炉设定和板坯跟踪。加热炉设定的范围包括对装钢机、步进梁、出钢机设定和炉温等的设定，实现炉群协调控制，满足轧线的生产节奏要求。加热炉内板坯位置跟踪的范围从板坯装入加热炉开始，到板坯出炉及炉后辊道上为止，对炉内各板坯在加热炉的位置进行实时跟踪，同时跟踪的还有每块板坯的物料信息、在各加热炉的在炉时间等。（３）自动燃烧控制模型。加热炉燃烧模型是通过温度计算模型结合自动燃烧控制模型专家系统优化加热设定，对炉内的板坯进行合理的加热，准确控制板坯的出炉温度和加热均匀度，降低板坯的氧化烧损，在提高加热质量的前提下节约燃料，达到节能减排的目的。
５基于冗余系统的自动化系统结构可靠性分析
在本项目中，基于整体可靠性考虑，在自动化结构的多层面做出冗余设计：（１）基础自动化级控制系统（Ｌ１）：采用冗余型号的ＰＬＣ，以ＣＰＵ为核心的主机架采用双层结构，远程Ｉ／Ｏ站配双ＤＰ接口的冗余型接口模块，实现现场总线的双网冗余，大大提高了ＰＬＣ系统在恶劣的现场环境下通信网络的可靠性和稳定性，提高了加热炉的安全生产系数。（２）基础自动化级监控系统（ＨＭＩ）：采用互为热备的双服务器结构。大型板加区ＨＭＩ操作站通过服务器与ＰＬＣ系统通信，实现人、机、系统交互。采用互为热备的双服务器冗余架构，可增强该结构的稳定性和安全性。（３）过程自动化系统冗余服务器设计：两台服务器互为备用，并共享一套磁盘阵列。该系统结构增强了过程生产系统生产数据的安全性和系统运行的稳定性。（４）基于双网卡和独立交换机的网络分段结构设计：在服务期配置双网卡，并且基础自动化系统和过程控制系统各自设置独立的网络交换机，实现ＰＬＣ系统和ＨＭＩ监控系统之间、基础自动化和过程自动化系统之间网段的相互隔离，提高了网络系统的安全性。
６结语
该项目自投产以来，自动化系统投用率极高。板加区从自动上料到板坯自动定位、自动装钢、自动烧钢及自动出钢实现了全过程无人操作的高度自动化生产。加热炉生产运行稳定，保证了整个轧线生产的节奏和安全运行。可靠的自动化系统和先进的两级控制技术极大地提高了生产效率，代表了板加区当前自动化技术的先进水平。
参考文献：
［１］骆德欢．宝钢１５８０热轧自动化系统改造自主集成实践［Ｊ］．冶金自动化，２０１５，３９（６）：７－１３．
［２］王夏书，李洪波．双蓄热式板坯加热炉控制系统［Ｊ］．冶金自动化，２０１６，４０（１）：５０－５５．
［３］刘珍．板坯加热炉控制系统的研究与应用［Ｊ］．机械工程与自动化，２０１３（４）：１６６－１７０．
［４］肖鹏，马兵兵．热轧加热炉生产过程中的危险分析及控制探讨［Ｊ］．世界有色金属，２０１６（９上）：１１７－１１９．
［５］韩建科．冗余ＰＬＣ控制在氧气分配输送站的应用［Ｊ］．自动化与仪器仪表，２０１５，１９３（１１）：５２－５３．
［６］张维维，龙国煊．基于冗余ＰＬＣ的煤气储配站安全控制策略研究［Ｊ］．冶金自动化，２０１７，４１（６）：４５－４８．
［７］闫新宏．西门子Ｓ７－４００Ｈ冗余系统在高炉上料系统中的应用［Ｊ］．机械工程与自动化，２０１７（２）：１８５－１８８．
作者：王虎 卫恩泽 单位：重庆赛迪热工环保工程技术有限公司
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