引言
2000年以來，我廠先后建成了三座2600M3高爐，在中大型高爐工程施工建設運行上,其中在高爐自動控制系統(tǒng)的硬件設計、軟件設計及軟件調試方面, 更是通過不斷的工程實踐, 積累了一定的經(jīng)驗。把這些經(jīng)驗加以總結, 有助于今后的高爐自動控制系統(tǒng)構建工作。
1 工藝概況及自動控制系統(tǒng)
高爐生產(chǎn)主體工藝系統(tǒng)包括: 高爐礦、焦槽,上料(料車上料或皮帶機上料) , 爐頂(無料鐘爐頂或鐘式爐頂) , 高爐本體, 出鐵場, 粗煤氣除塵煤氣清洗(文氏管或比肖夫法) , 爐頂煤氣余壓發(fā)電( TRT) , 熱風爐, 爐渣處理, 煤粉制備及噴吹等。高爐生產(chǎn)主要的輔助工藝系統(tǒng)包括: 高爐除塵系統(tǒng),鼓風站,空壓站,鍋爐房,水處理系統(tǒng),碾泥機,鑄鐵機,檢、化驗設施,生活福利設施等。
一般地, 高爐生產(chǎn)主體工藝系統(tǒng)與主要的輔助工藝系統(tǒng)分別由不同的控制系統(tǒng)進行控制。主體工藝系統(tǒng)采用三電(電氣, 儀表, 計算機) 控制一體化程度較高的分布式控制系統(tǒng)進行集中控制、監(jiān)視和操作; 主要的輔助工藝系統(tǒng)則視工藝過程控制的難易程度,選用獨立的PLC(DCS) 或繼電器(模擬儀表) 系統(tǒng)進行控制、監(jiān)視和操作。主體工藝自動控制系統(tǒng)與輔助工藝PLC(DCS)或繼電器(模擬儀表) 系統(tǒng)之間通過數(shù)據(jù)通信接口或I/ O 模件接線方式進行通信。本文僅對高爐生產(chǎn)主體工藝自動控制系統(tǒng)的各個設計階段、內容,進行總結和介紹。
2 自動控制系統(tǒng)的組成及應用功能層次
高爐自動控制系統(tǒng)通常由常規(guī)檢測儀表、電氣傳動系統(tǒng)及以計算機為主體設備的分布式控制系統(tǒng)共同組成。自動控制系統(tǒng)在系統(tǒng)應用功能上由4 級組成。第1 級為現(xiàn)場檢測和傳動級, 主要對工藝生產(chǎn)現(xiàn)場進行檢測和驅動; 第2 級為基礎自動化級, 主要完成生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)采集和初步處理, 數(shù)據(jù)顯示和記錄, 數(shù)據(jù)設定, 生產(chǎn)操作,執(zhí)行對生產(chǎn)過程的連續(xù)調節(jié)控制和邏輯順序控制; 第3 級為過程監(jiān)控級, 主要完成生產(chǎn)過程操作指導, 作業(yè)管理, 模型計算, 數(shù)據(jù)處理及存儲;系統(tǒng)與裝置第4 級為生產(chǎn)管理級, 主要進行全廠生產(chǎn)信息管理。控制系統(tǒng)采用高速數(shù)據(jù)總線通信, 并留有與其他生產(chǎn)及管理部門通信的接口。第1 級屬于常規(guī)檢測儀表及電氣傳動系統(tǒng);第2～4 級屬于分布式控制系統(tǒng)。
3 自動控制系統(tǒng)設計階段及主要內容
高爐自動控制系統(tǒng)的設計階段按設計順序可以分為:
(1) 控制系統(tǒng)裝備水平的確定階段;
(2) 分布式控制系統(tǒng)綜合評估階段;
(3) 控制系統(tǒng)初步設計階段;
(4) 控制系統(tǒng)基本設計階段;
(5) 控制系統(tǒng)詳細設計階段;
(6) 控制系統(tǒng)軟件調試階段。
3. 1 控制系統(tǒng)裝備水平的確定階段
主要包括:
3.1.1確定自動控制系統(tǒng)的設計原則
一般地, 設計應本著技術成熟, 裝備先進, 適用性強,可靠性高的原則進行。
3.1.2 確定分布式控制系統(tǒng)的基本組成
分布式控制系統(tǒng)主要由控制站單元、操作顯示站單元以及數(shù)據(jù)通信總線組成。各站點單元由數(shù)據(jù)通信總線聯(lián)結在一起組成控制系統(tǒng), 并通過數(shù)據(jù)通信總線進行相互間的通信,實現(xiàn)系統(tǒng)內部的數(shù)據(jù)共享。
3.1.3 確定自動控制系統(tǒng)的應用功能層次, 并提出各個應用功能層次上對系統(tǒng)硬件和軟件的基本要求
在進行應用功能層次劃分時,現(xiàn)場檢測、傳動級和基礎自動化級是必需的;至于過程監(jiān)控級和信息管理級,則應根據(jù)工程項目的資金情況及用戶的生產(chǎn)管理水平?jīng)Q定取舍。
3.1.4提出自動控制系統(tǒng)的合理控制范圍及主要控制和管理功能
一般地, 高爐生產(chǎn)主體工藝系統(tǒng)宜納入控制范圍。
3.1.5 推薦幾種典型的分布式控制系統(tǒng)構成方案
高爐自動控制上所應用的分布式控制系統(tǒng), 一般按對電氣邏輯順序控制功能與儀表連續(xù)調節(jié)控制功能的不同側重分為兩類: 一類是電氣邏輯順序控制功能與儀表連續(xù)調節(jié)控制功能均由同一類型控制器進行控制的全DCS 控制系統(tǒng),如美國西屋(Westinghouse) 公司的OVATION 控制系統(tǒng), 德國西門子公司的PCS7 控制系統(tǒng)等; 另一類是電氣邏輯順序控制功能與儀表連續(xù)調節(jié)控制功能分別由不同類型控制器進行控制的“PLC + DCS”控制系統(tǒng), 如由美國霍尼韋爾公司的儀表連續(xù)調節(jié)控制器HPM 與美國GE 公司的電氣邏輯順序控制PLC 共同組成的Total Plant 控制系統(tǒng),由日本橫河公司的儀表連續(xù)調節(jié)控制器FCS 與日本安川公司的電氣邏輯順序控制器CP23500H 共同組成的控制系統(tǒng)等。
3.1.6提出國內外設備分交意見。
3.1.7進行自動控制系統(tǒng)投資估算。
3. 2 分布式控制系統(tǒng)綜合評估階段
主要從以下幾個方面對用戶認可的幾種系統(tǒng)構成方案進行綜合評估和比較,選出在技術性能、使用性能、可靠性等方面均比較出色的控制系統(tǒng)。
(1) 對控制系統(tǒng)控制站單元的技術性能進行評估。包括現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集能力及信號隔離措施;輸入及輸出信號處理精度; 內存容量及存儲數(shù)據(jù)掉電保持時間;模件能否帶電插拔及容錯能力;應用軟件的組態(tài)方式。
(2) 對控制系統(tǒng)操作站單元的技術性能進行評估。包括內存容量及CRT 分辨率;實時多任務操作系統(tǒng)的可靠性; 是否具備多種應用支持軟件(如圖形組態(tài)軟件, 數(shù)據(jù)庫管理軟件, 報表生成軟件, 歷史趨勢軟件, 故障報警軟件, 以及系統(tǒng)維護軟件等) ;圖形軟件的組態(tài)方式。
(3) 對控制系統(tǒng)通信單元的技術性能進行評估。包括通信網(wǎng)絡結構及網(wǎng)絡控制方式; 通信網(wǎng)絡容量及數(shù)據(jù)傳輸速率;通信網(wǎng)絡容錯能力。
(4) 對控制系統(tǒng)綜合性能進行評估。包括控制系統(tǒng)的開放性和可擴展性; 是否兼容其它自動化軟、硬件產(chǎn)品;是否很容易地對系統(tǒng)硬件和軟件進行升級;控制系統(tǒng)的可靠性;系統(tǒng)的容錯能力和平均無故障時間是否滿足要求等; 控制系統(tǒng)的經(jīng)濟性,著重考察系統(tǒng)的性能價格比;控制系統(tǒng)在高爐控制上的的應用業(yè)績; 控制系統(tǒng)供應商的售后服務能力。
3. 3 控制系統(tǒng)初步設計階段
主要是以控制系統(tǒng)裝備水平階段確定的原則為依據(jù), 以對分布式控制系統(tǒng)綜合評估后得出的結論為基礎, 并結合工藝實際情況進行控制系統(tǒng)的初步配置。其主要工作內容包括:
(1) 結合工藝及用戶意見確定控制系統(tǒng)控制范圍,分布式控制系統(tǒng)基本構成方案和主要控制、管理功能。
(2) 明確三電專業(yè)分工,對三電專業(yè)各自應完成的控制及管理功能進行劃分。
(3) 確定系統(tǒng)操作方式。一般有自動、半自動、手動和機旁手動4 種操作方式。
(4) 初步確定常規(guī)檢測儀表及電氣傳動系統(tǒng)設備選型。系統(tǒng)與裝置
(5) 初步確定分布式控制系統(tǒng)硬件及支持軟件組成;估算控制系統(tǒng)輸入和輸出點數(shù),初步確定輸入和輸出控制點技術規(guī)格及控制點備用量; 確定數(shù)據(jù)通信總線介質;確定系統(tǒng)的冗余方式。
(6) 確定控制系統(tǒng)電源條件。其中,分布式控制系統(tǒng)一般應考慮不停電電源措施。
(7) 確定控制系統(tǒng)安裝場所。應使控制系統(tǒng)的輸入/ 輸出接口盡量接近控制對象。(8) 確定控制系統(tǒng)抗干擾措施,接地措施。
(9) 確定國內外設備分交范圍。
(10)進行控制系統(tǒng)投資概算
注意: 如果需要從國外引進自動控制系統(tǒng)設備, 在初步設計階段還應進行引進項目建議書及引進詢價書的編制工作,并著手準備對外技術交流和引進談判。
3. 4 控制系統(tǒng)基本設計階段
基本設計階段是自動控制系統(tǒng)設計中最為重要的設計階段。該設計階段主要以控制系統(tǒng)初步設計階段確定的內容為基礎, 對系統(tǒng)硬件和軟件進行總體方面的設計。功能規(guī)格書是基本設計階段主要的設計文件,它是系統(tǒng)詳細設計、軟件設計和軟件調試工作的指導性文件。功能規(guī)格書的主要內容包括設計依據(jù)和相關說明。
設計依據(jù)主要是指:
(1)用戶設計委托書;
(2)與用戶簽定的相關技術協(xié)議;
(3)國家或冶金行業(yè)有關自動控制的規(guī)范;
(4)工藝功能要求書等。硬件基本設計包括工藝生產(chǎn)流程及工藝設備組成概述(附工藝生產(chǎn)流程圖) ; 機電設備組成及技術規(guī)格(附機電設備馬達表) ; 工藝設備運轉方式和運轉連鎖要求(附工藝設備運轉連鎖表) , 工藝設備有“自動”和“手動”兩種運轉方式; 確定工藝設備操作場所(附工藝設備操作場所表) , 一般在中央控制室或其他操作室設置的操作站上, 用操作鍵盤或鼠標, 按畫面操作提示對工藝設備進行集中操作; 確定常規(guī)檢測儀表及電氣傳動系統(tǒng)的組成和設備選型; 確定常規(guī)檢測儀表及電氣傳動設備性能及參數(shù)(內部儀表參數(shù)、量程、工程單位、控制回路電壓等級等) ; 分布式控制系統(tǒng)硬件的最終配置情況描述, 包括對控制站、操作站、計算機工作站、打印機、各類信號接口模件的數(shù)量和分配情況的描述以及通信總線敷設路徑描述等。軟件基本設計包括分布式控制系統(tǒng)軟件的最終配置情況描述, 包括對應用軟件的運行環(huán)境和系統(tǒng)支持軟件的描述、系統(tǒng)通信方式的描述等;建立系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫, 說明數(shù)據(jù)庫結構與應用程序的關系;建立應用軟件總體結構框圖,將各個控制及管理功能定義為總體結構框圖中的子系統(tǒng)或功能模塊, 對這些子系統(tǒng)或功能模塊以及它們之間的數(shù)據(jù)接口關系、順序處理流程進行說明;建立實現(xiàn)重要控制功能的流程圖和算法塊; 確定三電信號接口內容及交接方式(附三電信號接口表) ; 確定操作站CRT 畫面：
?、俨藛萎嬅?
?、谙到y(tǒng)總體監(jiān)視畫面,
?、巯到y(tǒng)局部監(jiān)視畫面(含操作子畫面),
?、芟到y(tǒng)選擇畫面,
?、菰O定畫面,
?、拗匾O備運行監(jiān)視畫面,
⑦報警畫面,
?、嘣O備運行維護畫面
及格式及報表格式; 對數(shù)學模型的說明; 提交中央控制室布置方案。
3. 5 控制系統(tǒng)詳細設計階段
3. 5. 1 硬件詳細設計階段
詳細設計是按照基本設計確定的各項原則,對控制系統(tǒng)硬件進行工程化設計。詳細設計主要完成各類硬件設計和硬件接口設計圖紙, 往往與施工圖設計并行進行。
3. 5. 2 軟件詳細設計階段
軟件設計是把基本設計確定的控制流程框圖、說明以及畫面、報表規(guī)格, 轉化成分布式控制系統(tǒng)確定的程序設計語言。軟件設計包括兩方面的內容:
(1) 軟件編程。即在多種應用支持軟件(如控制組態(tài)軟件, 圖形組態(tài)軟件, 數(shù)據(jù)庫管理軟件, 報表生成軟件, 歷史趨勢軟件, 故障報警軟件等) 的環(huán)境中,結合工藝要求進行程序設計。
(2) 軟件實驗室測試。即在初步完成程序設計后, 對程序進行分步測試。包括檢查程序容量和程序掃描, 校驗控制及數(shù)據(jù)點名, 測試各類算法,測試控制邏輯順序關系,測試數(shù)據(jù)通信的有效性等。
3. 6 控制系統(tǒng)軟件調試階段
軟件調試是自動控制系統(tǒng)設計的最后階段。軟件調試是否順利進行, 直接關系到工程的順利投產(chǎn)。軟件調試按以下步驟進行:
(1) 編制軟件調試要領書
主要內容有:
?、賲⑴c調試的工藝設備;
?、谡{試所用的相關資料和工具;
③調試應達到的功能和性能指標;
?、苷{試人員和時間安排;
⑤調試過程注意事項;
?、拚{試開始前應確認的事項;
?、呤謩诱{試步驟;
?、嘧詣诱{試步驟。
(2) 校驗分布式控制系統(tǒng)輸入/ 輸出接口接線的正確性。
(3) 在分布式控制系統(tǒng)控制下的工藝設備單機無負荷試運轉。即在操作站上手動控制單體工藝設備運轉。
(4) 在分布式控制系統(tǒng)控制下的工藝設備無負荷連動試運轉。即在操作站上發(fā)出運轉指令后, 測試工藝設備是否按照設計程序自動完成運轉過程,同時,對控制功能和各項性能指標進行初步測試。
(5) 在分布式控制系統(tǒng)控制下的工藝設備帶負荷連動試運轉。帶負荷連動試運轉標志著高爐進入正式生產(chǎn)的準備階段, 此時, 對設計程序、控制功能和各項性能指標進行進一步測試。
4 自動控制系統(tǒng)設計中的一點體會
?、鸥郀t各個工藝單元分布較廣, 現(xiàn)場干擾源較多, 因而自動控制系統(tǒng)的抗干擾設計十分重要，信號電纜一般使用屏蔽電纜，并有獨立路由；
?、茷楸ＷC控制系統(tǒng)的正常運轉, 系統(tǒng)控制回路宜采用隔離變壓器供電,以減少電氣噪聲; 控制系統(tǒng)本身由獨立的不間斷電源UPS供電；
?、窍到y(tǒng)接地宜單獨設置,使控制系統(tǒng)機柜與安裝構件絕緣,做到系統(tǒng)接地與工廠常規(guī)接地嚴格分開;
?、纫藢碜袁F(xiàn)場的信號進行隔離; 室外敷設的通信總線介質宜采用光纖；
⑸控制系統(tǒng)的選型在考慮到先進性的前提下應優(yōu)先保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，應考慮到廠內已有機型，保證系統(tǒng)技術及備件的連續(xù)性，以節(jié)約運營成本；
⑹控制系統(tǒng)的控制范圍盡量納入同一系統(tǒng)內，以減輕系統(tǒng)間的通訊及故障率；
?、丝刂葡到y(tǒng)的編程文檔說明齊備，有利于維護使用人員快速熟悉系統(tǒng)；
⑻控制系統(tǒng)應有良好的兼容性，易維護性及可擴展性；
?、涂刂葡到y(tǒng)的調試原則是正確性，靈活性，穩(wěn)定性，安全性；
?、慰刂葡到y(tǒng)的調試是建立在電氣和儀表基礎上，并保證系統(tǒng)硬件，應用軟件及控制回路的完備，即兩個基礎，三個保證。
結束語
本文所述本鋼八號高爐控制系統(tǒng)構建內容, 適用于中大型的高爐自動控制系統(tǒng)的設計。對于規(guī)模較小的工程, 有些設計階段和設計內容可以簡化。本鋼八號高爐控制系統(tǒng)投標方有美國EMERSON，ROCKWELL，HONEYWELL，德國SIEMENS，日本橫河安川，經(jīng)綜合評估，EMERSON中標。
（轉載）
