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摘 要：介绍了TURCK现场总线控制技术在转炉煤气回收中的应用，对该自控系统的设计、硬件配置与结构作了主要描述，并对生产工艺及控制功能进行了说明。
关键词：TURCK；煤气回收、现场总线；Profibus-DP
1.引言
莱钢炼钢厂1#～3#转炉煤气回收自控系统承担着将三座转炉炼钢时产生的大量的转炉煤气净化、合理化分析后进而加以回收再利用的自动化控制任务。
原系统采用西门子S5-135U作为主控制器，采用以同轴电缆为介质的SINEC-H1网实现通讯，软件平台基于DOS。落后的控制方式以及陈旧的软/硬件系统越来越难以满足炼钢厂日益增长的生产需求。为此，有关技术人员经过认真研究、分析、论证，采用了目前十分流行的现场总线控制技术对其进行了改造。
2.现场总线综述
现场总线是连续控制系统中现场装置的双向数字通讯网络，它与传统的控制方法相比，具有十分明显的优势：
⑴具有很好的性价比，可大幅度降低系统的综合成本；
⑵采用了数字通讯技术，有效的提高了系统的测量及控制精度；
⑶数据传输更为可靠，系统响应更为快速，同时还具有强大的抗干扰能力；
⑷具有故障自诊断，短路保护等功能，极大的方便了系统的维护，提高了系统的安全可靠性。
3.系统设计
3．1控制网络
该系统用于实现3台转炉煤气回收的自动化控制，控制设备更为分散，同时由于现场总线技术具有传统控制所无法比拟的优势，采用现场总线控制技术十分适合。
结合转炉煤气回收特点，为了获得更好的响应、可靠性和更高的工作效率，现场总线采用了具有世界标准的Profibus-DP通讯方式。
Profibus-DP是目前最快的开放式标准总线，使用基于RS485标准的物理层，并采用主-从工作方式；其网络通讯距离长（最长可达10公里），通讯速率高（最高达12Mbps），具有极好的抗干扰性能，快速的I/O采集特性（1000点的扫描时间＜=1ms、超大容纳量（最多126个节点，几千个I/O点）。
Profibus-DP网络特性见下表。
PLC与HMI采用了基于TCP/IP通讯协议的冗余光纤环网通讯方式，其传输速率可达100Mbps，同时具有高可靠性、低误码率、很强的抗干扰能力以及超长传输距离等特点。
3．2控制硬件
根据控制系统的规模，选用了具有很好性价比的西门子S7-300 PLC进行控制。SIEMENS S7系列PLC价位适中，具有更为强大的功能，更快的扫描速度，可以完成更为复杂的控制，同时还支持多种通讯协议，兼容性好，具有更为出色的电磁兼容性，可以满足各种工业标准。
经过分析对比，选用了德国TURCK公司busstop工业现场总线产品实现远程控制。
TURCK公司是世界上生产工业现场总线产品的最大专业化公司，其总线产品以其优异的性能、强大的诊断/防护能力、合理的价格以及良好的售后服务深受用户信赖。
为了能够适应转炉极其恶劣的现场环境，我们选用了功能最为强大、防护等级最高的PDP、SDPB系列I/O模块作为远程站进行现场设备的信号采集及控制。TURCK输入/输出模块防护等级远远高于普通的PLCI/O模板（IP20），可达IP67，非常适合安装于极其恶劣的现场中，同时还具有强大的自诊断功能，能够迅速准确的发现节点、电源、现场信号等故障，并具有短路诊断/保护功能以及组、点诊断及保护功能，便于系统维护，另外，采用了3套TURCK公司的BL20产品放置于电磁站内，分别用于3座转炉的炉前控制。BL20产品支持多种总线协议，具有非常好的开放性，同时I/O点数配备灵活（每块模板从1点至32点不等，提供多种选择），安装体积小，特别适合于小型精确项目（每座转炉炉前控制信号DI只有9点，DO为6点）的开发，降低投资费用。
此外，由于该系统的控制节点较多（共42个），已经超过了Profibus-DP往来每段所能容纳的最大节点数32。为此，配置了中继器将系统的容量提高了1倍，同时更为有效的提高了网络的通讯速率，使网络的负载量分配更为合理。
3．3控制软件
PLC编程软件/监控软件分别采用基于WINDOWS2000平台的STEP7 5.1+SP2及WINCC V5.1，用于编制控制程序和监控画面。原系统中采用STEP5开发的控制程序可以通过STEP7软件自动转换为S7PLC程序，再根据改造情况进行适当的修改后即可投运，从而大大缩短软件开发周期。
4.系统配置与结构
PLC I/O模板主要完成就近的4台风机变频器的相关信号控制；CPU采用现场总线通讯协议完成与现场远程站的数据传输；CP则负责与上位机的数据交换。
⑴PLC具体配置为：
支持Profibus-DP总线协议的CPU315-2DP1块，支持TCP/IP通讯协议的CP343-11块、PS307（考虑到主机架模块的背板电流消耗较小，电源模块容量选择为5A）1块、32点24VDI模板3块、32点24VDO模板2块。
⑵炉前控制采用BL20，PDP，SDPB系列I/O模块则用于现场控制。
硬件具体配置：
现场控制
4路AI模块（SDPB-40A-0007）21块、4路RTD模块（SDPB-40A-0009）11块、16点DI（PDP-IM16-0002）3块、8点DO（PDP-OM8-0004，2A）4块。
炉前控制
3座转炉炉前控制系统的硬件配置相同，均为Profibus-DP耦合器（BL20-BR-24VDC-D）1块，32点DI模板（BL20-32DI-24VDC-P）1块、输出模板供电模块（BL20-PF-24VDC-0.5A-P，0.5A）1块。
上位机则全部采用高性能的台湾研华工控机IPC-610H（PIV 2.0/256M/40G）。
系统配置图如图2所示。
5.生产工艺简介
转炉吹炼生产过程开始后，风机由低速变为高速运转，氧枪下降开始吹氧，分析仪投入运行，经过一段时间后，烟罩降下，经过短暂延时后，炉口微差压开始自动调节。当煤气回收的条件满足后，水封逆止阀自动打开，三通切换阀则由放散侧转换至回收侧开始回收煤气。停止吹炼前烟罩首先被升起，炉口微差压调节系统停止调节，二文喉口RD阀置于固定位置。在吹炼结束时，风机降为低速运转，二文喉口捅针开始动作，动作数次后，一次回收过程结束。若回收煤气过程中条件不满足，三通切换阀将自动由回收状态切换至放散位，水封逆止阀也自动关闭。该回收自控系统在转炉的每次冶炼周期只进行一次回收。为了确保安全，如果一旦进行放散，即使回收条件再次满足，本冶炼周期内也不再进行回收。
6.系统控制功能
⑴安全可靠、灵活多样的生产过程控制
在回收和放散过程中的设备连锁控制和安全控制，可分为手动控制，半自动控制，全自动控制三种方式。
手动方式：回收和放散过程中的设备无连锁，机旁单机手动操作，主要用于调试、检修和事故紧急处理。
半自动方式：回收和放散过程中的设备连锁启动，根据吹氧冶炼时间进行回收过程控制，控制时间根据冶炼经验进行设定。
自动方式：根据冶炼过程中煤气含量和氧气含量的分析成分进行自动控制，这是效率最高、劳动强度最低的操作方式，自动控制流程图见图3所示。
⑵二文喉口开度自动控制
通过控制二文喉口电动阀门开度，来调节一文、二文的烟气压力差。由于烟气压力受喉口流入的烟气流量，烟气中的粉尘含量，烟气湿度，烟气浓度以及喉口水流上/下游流量等诸多因素影响，单纯采用PID控制已难以适应这种动态多变的现场条件；而且如果水流量过大，而烟气过小时，易容易引起设备发生喘振现象。基于以上原因，我们采用了变比例和人工阀位调节，根据一文、二文水流量和压差来设定阀门开度，二文喉口开度自动控制框图见图4。
⑶先进的系统故障自诊断功能
通过采用现场总线控制技术，可完成系统硬件故障及通讯故障的迅速识别、处理；通过采用WINCC监控技术实现了对生产过程的故障监控及自诊断，从而大大方便了故障的处理。
⑷丰富的生产过程管理
通过上位监控系统实时的对生产状况进行监控，监控画面丰富、直观、方便操作人员的操作以及对故障的处理，并对重要的历史数据进行存储备份，对日后的生产起到了很好的指导作用。
⑸强大的硬/软双重保护功能
通过配置山特castle在线式UPS系统，在PLC控制程序中编制断电紧急处理模块、水封阀、三通阀重点设备的软保护控制模块，大大提高了系统的安全运行系数。
7.结束语
现场总线控制技术已经在各种行业控制中得到了越来越广泛的应用，成为控制技术的主流。转炉煤气回收自控系统由于采用了先进的现场总线控制技术，从而大幅度降低了投资成本，缩短了施工周期，同时系统的控制精度、运行的安全、稳定、可靠性较原来有了显著提高，实践证明，该自控系统控制先进、投资小、见效快、收益高，具有很高的应用、推广价值。
参考文献：
[1] SIMATIC S7-300可编程控制器产品目录 [M] 西门子（中国）有限公司.
[2] AI472 SIMATIC S7Programming 1&2/ST-7PROG 1&2 北京西门子技术管理培训有限公司.
[3] SIMATIC WINCC通讯手册 西门子（中国）有限公司.
[4] SIMATIC WINCC组态手册 西门子（中国）有限公司.
关键词：TURCK；煤气回收、现场总线；Profibus-DP
1.引言
莱钢炼钢厂1#～3#转炉煤气回收自控系统承担着将三座转炉炼钢时产生的大量的转炉煤气净化、合理化分析后进而加以回收再利用的自动化控制任务。
原系统采用西门子S5-135U作为主控制器，采用以同轴电缆为介质的SINEC-H1网实现通讯，软件平台基于DOS。落后的控制方式以及陈旧的软/硬件系统越来越难以满足炼钢厂日益增长的生产需求。为此，有关技术人员经过认真研究、分析、论证，采用了目前十分流行的现场总线控制技术对其进行了改造。
2.现场总线综述
现场总线是连续控制系统中现场装置的双向数字通讯网络，它与传统的控制方法相比，具有十分明显的优势：
⑴具有很好的性价比，可大幅度降低系统的综合成本；
⑵采用了数字通讯技术，有效的提高了系统的测量及控制精度；
⑶数据传输更为可靠，系统响应更为快速，同时还具有强大的抗干扰能力；
⑷具有故障自诊断，短路保护等功能，极大的方便了系统的维护，提高了系统的安全可靠性。
3.系统设计
3．1控制网络
该系统用于实现3台转炉煤气回收的自动化控制，控制设备更为分散，同时由于现场总线技术具有传统控制所无法比拟的优势，采用现场总线控制技术十分适合。
结合转炉煤气回收特点，为了获得更好的响应、可靠性和更高的工作效率，现场总线采用了具有世界标准的Profibus-DP通讯方式。
Profibus-DP是目前最快的开放式标准总线，使用基于RS485标准的物理层，并采用主-从工作方式；其网络通讯距离长（最长可达10公里），通讯速率高（最高达12Mbps），具有极好的抗干扰性能，快速的I/O采集特性（1000点的扫描时间＜=1ms、超大容纳量（最多126个节点，几千个I/O点）。
Profibus-DP网络特性见下表。
PLC与HMI采用了基于TCP/IP通讯协议的冗余光纤环网通讯方式，其传输速率可达100Mbps，同时具有高可靠性、低误码率、很强的抗干扰能力以及超长传输距离等特点。
3．2控制硬件
根据控制系统的规模，选用了具有很好性价比的西门子S7-300 PLC进行控制。SIEMENS S7系列PLC价位适中，具有更为强大的功能，更快的扫描速度，可以完成更为复杂的控制，同时还支持多种通讯协议，兼容性好，具有更为出色的电磁兼容性，可以满足各种工业标准。
经过分析对比，选用了德国TURCK公司busstop工业现场总线产品实现远程控制。
TURCK公司是世界上生产工业现场总线产品的最大专业化公司，其总线产品以其优异的性能、强大的诊断/防护能力、合理的价格以及良好的售后服务深受用户信赖。
为了能够适应转炉极其恶劣的现场环境，我们选用了功能最为强大、防护等级最高的PDP、SDPB系列I/O模块作为远程站进行现场设备的信号采集及控制。TURCK输入/输出模块防护等级远远高于普通的PLCI/O模板（IP20），可达IP67，非常适合安装于极其恶劣的现场中，同时还具有强大的自诊断功能，能够迅速准确的发现节点、电源、现场信号等故障，并具有短路诊断/保护功能以及组、点诊断及保护功能，便于系统维护，另外，采用了3套TURCK公司的BL20产品放置于电磁站内，分别用于3座转炉的炉前控制。BL20产品支持多种总线协议，具有非常好的开放性，同时I/O点数配备灵活（每块模板从1点至32点不等，提供多种选择），安装体积小，特别适合于小型精确项目（每座转炉炉前控制信号DI只有9点，DO为6点）的开发，降低投资费用。
此外，由于该系统的控制节点较多（共42个），已经超过了Profibus-DP往来每段所能容纳的最大节点数32。为此，配置了中继器将系统的容量提高了1倍，同时更为有效的提高了网络的通讯速率，使网络的负载量分配更为合理。
3．3控制软件
PLC编程软件/监控软件分别采用基于WINDOWS2000平台的STEP7 5.1+SP2及WINCC V5.1，用于编制控制程序和监控画面。原系统中采用STEP5开发的控制程序可以通过STEP7软件自动转换为S7PLC程序，再根据改造情况进行适当的修改后即可投运，从而大大缩短软件开发周期。
4.系统配置与结构
PLC I/O模板主要完成就近的4台风机变频器的相关信号控制；CPU采用现场总线通讯协议完成与现场远程站的数据传输；CP则负责与上位机的数据交换。
⑴PLC具体配置为：
支持Profibus-DP总线协议的CPU315-2DP1块，支持TCP/IP通讯协议的CP343-11块、PS307（考虑到主机架模块的背板电流消耗较小，电源模块容量选择为5A）1块、32点24VDI模板3块、32点24VDO模板2块。
⑵炉前控制采用BL20，PDP，SDPB系列I/O模块则用于现场控制。
硬件具体配置：
现场控制
4路AI模块（SDPB-40A-0007）21块、4路RTD模块（SDPB-40A-0009）11块、16点DI（PDP-IM16-0002）3块、8点DO（PDP-OM8-0004，2A）4块。
炉前控制
3座转炉炉前控制系统的硬件配置相同，均为Profibus-DP耦合器（BL20-BR-24VDC-D）1块，32点DI模板（BL20-32DI-24VDC-P）1块、输出模板供电模块（BL20-PF-24VDC-0.5A-P，0.5A）1块。
上位机则全部采用高性能的台湾研华工控机IPC-610H（PIV 2.0/256M/40G）。
系统配置图如图2所示。
5.生产工艺简介
转炉吹炼生产过程开始后，风机由低速变为高速运转，氧枪下降开始吹氧，分析仪投入运行，经过一段时间后，烟罩降下，经过短暂延时后，炉口微差压开始自动调节。当煤气回收的条件满足后，水封逆止阀自动打开，三通切换阀则由放散侧转换至回收侧开始回收煤气。停止吹炼前烟罩首先被升起，炉口微差压调节系统停止调节，二文喉口RD阀置于固定位置。在吹炼结束时，风机降为低速运转，二文喉口捅针开始动作，动作数次后，一次回收过程结束。若回收煤气过程中条件不满足，三通切换阀将自动由回收状态切换至放散位，水封逆止阀也自动关闭。该回收自控系统在转炉的每次冶炼周期只进行一次回收。为了确保安全，如果一旦进行放散，即使回收条件再次满足，本冶炼周期内也不再进行回收。
6.系统控制功能
⑴安全可靠、灵活多样的生产过程控制
在回收和放散过程中的设备连锁控制和安全控制，可分为手动控制，半自动控制，全自动控制三种方式。
手动方式：回收和放散过程中的设备无连锁，机旁单机手动操作，主要用于调试、检修和事故紧急处理。
半自动方式：回收和放散过程中的设备连锁启动，根据吹氧冶炼时间进行回收过程控制，控制时间根据冶炼经验进行设定。
自动方式：根据冶炼过程中煤气含量和氧气含量的分析成分进行自动控制，这是效率最高、劳动强度最低的操作方式，自动控制流程图见图3所示。
⑵二文喉口开度自动控制
通过控制二文喉口电动阀门开度，来调节一文、二文的烟气压力差。由于烟气压力受喉口流入的烟气流量，烟气中的粉尘含量，烟气湿度，烟气浓度以及喉口水流上/下游流量等诸多因素影响，单纯采用PID控制已难以适应这种动态多变的现场条件；而且如果水流量过大，而烟气过小时，易容易引起设备发生喘振现象。基于以上原因，我们采用了变比例和人工阀位调节，根据一文、二文水流量和压差来设定阀门开度，二文喉口开度自动控制框图见图4。
⑶先进的系统故障自诊断功能
通过采用现场总线控制技术，可完成系统硬件故障及通讯故障的迅速识别、处理；通过采用WINCC监控技术实现了对生产过程的故障监控及自诊断，从而大大方便了故障的处理。
⑷丰富的生产过程管理
通过上位监控系统实时的对生产状况进行监控，监控画面丰富、直观、方便操作人员的操作以及对故障的处理，并对重要的历史数据进行存储备份，对日后的生产起到了很好的指导作用。
⑸强大的硬/软双重保护功能
通过配置山特castle在线式UPS系统，在PLC控制程序中编制断电紧急处理模块、水封阀、三通阀重点设备的软保护控制模块，大大提高了系统的安全运行系数。
7.结束语
现场总线控制技术已经在各种行业控制中得到了越来越广泛的应用，成为控制技术的主流。转炉煤气回收自控系统由于采用了先进的现场总线控制技术，从而大幅度降低了投资成本，缩短了施工周期，同时系统的控制精度、运行的安全、稳定、可靠性较原来有了显著提高，实践证明，该自控系统控制先进、投资小、见效快、收益高，具有很高的应用、推广价值。
参考文献：
[1] SIMATIC S7-300可编程控制器产品目录 [M] 西门子（中国）有限公司.
[2] AI472 SIMATIC S7Programming 1&2/ST-7PROG 1&2 北京西门子技术管理培训有限公司.
[3] SIMATIC WINCC通讯手册 西门子（中国）有限公司.
[4] SIMATIC WINCC组态手册 西门子（中国）有限公司.