一、概述
　　
　　TKT屬節(jié)能環(huán)保項目，為《高爐煤氣余壓能量回收透平發(fā)電的簡稱。寶鋼集團一鋼公司（以下簡稱為一鋼公司）2500m3高爐TRT工程計算機控制系統(tǒng)由武漢鋼鐵設(shè)計研究總院設(shè)計，在設(shè)計之初，用戶提出了與常規(guī)TRT控制系統(tǒng)有別的特殊要求：
　　
　　（1）采用現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS。
　　
　　（2）在高爐主控制室設(shè)置TRT操作站，以使TRT車間正性產(chǎn)時無人值守。
　　
　　經(jīng)過近半年的設(shè)計、編程與調(diào)試，該工程于2003年3月順利投產(chǎn)發(fā)電。
　　
　　二、FCS系統(tǒng)配置
　　
　　筆者在設(shè)計一鋼公司TRT工程中，根據(jù)煤氣差壓發(fā)電的特點，要求現(xiàn)場總線技術(shù)不僅成熟、可靠，還應(yīng)盡可能為冗余結(jié)構(gòu)，以確保建TRT不影響主體高爐生產(chǎn)。因此通過對多家現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)進行比較篩選，確定采用西門子公司的PROFIBUS、AS-I現(xiàn)場總線的組合以及相應(yīng)的儀表裝置，控制系統(tǒng)采用PCS7。FCS硬件主要由控制站、操作站和連接兩者及對外的通訊總絨構(gòu)成，具體配置如圖1所示。　　
　　2.1控制站
　　
　　控制站包括主CPU和7個擴展的I/O站（DPll-DPl7）。根據(jù)需要，遠程I/0站（DPl3-17）分散設(shè)置在現(xiàn)場和與TRTT控制室相距600m的高爐主控制室。控制器可實現(xiàn)順序控制、邏輯控制和回路控制，包括邏輯運算、算術(shù)運算以及用于與回路控制有關(guān)的PID調(diào)節(jié)、函數(shù)發(fā)生和斜坡生成等，共有200多個功能塊。為保證系統(tǒng)的高可靠性，控制器CPU（AS417-4H）、通訊模塊及高速通訊總線為一對一的冗余方式，冗余CPU的快速響應(yīng)及相互切換時間滿足TRT正常生產(chǎn)及安全保護要求。
　　
　　該工程部分開關(guān)量輸入/輸出設(shè)備隨工藝成套，無總線接口；特殊檢測儀表（如振動測量裝置）輸出仍為4~20mADC模擬信號，故設(shè)計還采用了本地I/O站（DPll、DPl2）和遠程I/O站（DPl3-DPl7）。DPll至DPl7通過PROFIBUS-DP總線連接。
　　
　　控制器及遠程I/0站的組態(tài)、編程與調(diào)試由操作站/工程師站完成，通過通訊總線進行在線下裝。編程有多種方式，即功能塊、指令表、順控圖和梯形圖等。根據(jù)TRT控制系統(tǒng)特點，這幾種方式可靈活地組合使用。
　　
　　2.2操作站
　　
　　操作站由兩套21"高分辨率純平彩色顯示器、工業(yè)控制機、打印機等組成。操作站可兼作工程師站用。兩個操作站按要求分別設(shè)置在TRT控制室和高爐主控制室，除《啟動畫面"內(nèi)容略有不同外，兩個操作站顯示的內(nèi)容和操作方式*一致。TRT控制室操作站主要作調(diào)試用。監(jiān)控軟件采用SIMATICPCS7OSV5.1，它工作在WindowsNT平臺上，通過豐富、完善的仿真畫面，實時監(jiān)視從本地及遠程I/0站、PROFIBUSPA與AS-I現(xiàn)場總線系統(tǒng)采集的過程數(shù)據(jù)，同時進行相關(guān)的工藝操作。另外操作站通過編程與組態(tài)，還實現(xiàn)以下主要功能:
　　
　　·報警功能:監(jiān)控軟件提供的報警日志以毫秒級地記錄事件、信息和報警狀態(tài)，按照報警等級作出相應(yīng)反應(yīng)，并根據(jù)要求進行分類與歸檔或觸發(fā)相關(guān)的動作（如打印）。
　　
　　·安全功能:監(jiān)控軟件提供的用戶管理器允許設(shè)置用戶多種權(quán)限，針對不同的操作者設(shè)置相應(yīng)的加密等級，記錄操作者重要的操作過程。
　　
　　·數(shù)據(jù)管理:監(jiān)控軟件提供的標簽日志和報表編輯器可以記錄、顯示、打印及拷貝重要參數(shù)的歷史趨勢值，以便于數(shù)據(jù)查找與故障分析。
　　
　　2.3通訊總線
　　
　　通訊總線共用了4種，即工業(yè)以太網(wǎng)、PROFIBUS-DP、PROFIBUS-PA和AS-I。
　　
　　（1）工業(yè)以太網(wǎng)
　　
　　用于TRT操作站與控制站、TRT操作站與高爐主控制室操作站之間的通訊連接。Ethernet為開放、高速、冗余的結(jié)構(gòu)，通信速度為l0M/s。兩個操作站之間的通訊采用環(huán)形光纖，距離為600m左右。操作站與控制站之間的通訊采用同軸電纜及相應(yīng)的通訊卡（CP443-1等人環(huán)形光纖與同軸電纜之間采用連接器OLMITP62過渡。操作站和控制站是通過軟件設(shè)置不同的地址號進行識別。
　　
　　（2）PROFIBUS-DP
　　
　　ROFIBUS-DP按作用分為兩種，分別與主CPU上DP通訊口和主機架通訊卡（CP443-5）連接。一種用于TKT控制站與本地I/0站（DPll、DPl2）、遠程I/O站（DPl3~DPl7）之間的通訊連接，為冗余結(jié)構(gòu);另一種用于TRT控制站與Y-LINK之間的通訊連接，Y-LINK之前為冗余結(jié)構(gòu)，之后為非冗余PROFIBUS-PA耦合器。由于遠程I/O站DPl3設(shè)置在有爆炸氣體的危險場所，為防爆型，故與該I/O站相連的PROFIBUS-DP是通過Y-LINK轉(zhuǎn)換后的非冗余結(jié)構(gòu)。另外，與AS-I設(shè)備的連接也是通過Y-LlNK和耦合器實現(xiàn)的非冗余的通訊結(jié)構(gòu)。
　　
　　控制站訪問本地I/O站和遠程I/O站是通過硬件設(shè)置不同的DP站號進行識別。
　　
　　（3）PROFlBUS-PA
　　
　　PROFIBUS-趴為雙芯屏蔽結(jié)構(gòu)的特殊電纜，信號與電源共用，因此可為2線制PA儀表提供工作電源（對于帶PA總線接口的電磁流量計等大功率儀表設(shè)備，需另外設(shè)計工作電源）PA儀表通過DP/PA-耦合器及Y-LINK與PROFIBUS-DP相連，由于PA儀表的工作電源也由DP/PA-禍合器提供（每臺儀表24VDC供電，平均消耗電流為l0mA），通訊速度為31.25Kbps，因此每個耦合器下掛PA儀表的數(shù)量受到很大限制，雖然理論上為32臺，但西門子公司建議為10臺左右。
　　
　　根據(jù)現(xiàn)場檢測點的分布及遠程I/0站的設(shè)置，設(shè)計采用6根PROFIBUS-PA總線和3對Y-LINK實現(xiàn)PA總線儀表與控制站的通訊。Y-LINK設(shè)置分別為DPl2:1對，DPl4:2對。Y-LINK的站號設(shè)置與PROFIBUS-DP平級，也是通過硬件撥碼完成。西門子公司生產(chǎn)的藕合器是透明的，即揭合器沒有地址號，也不需要對禍合器進行任何組態(tài)。因此，不同的Y-LINK下的PA儀表地址號（在0-126內(nèi)）是可重復(fù)的。
　　
　　PROFIBUS-PA總線通過的T形接頭實現(xiàn)與PA儀表的物理連接。PA總線兩端必須連接的終端電阻，以zui大限度的避免電纜上的信號反射，提高傳輸質(zhì)量。
　　
　　PA總線儀表的測量與控制功能組態(tài)，參數(shù)設(shè)置和狀態(tài)診斷等是由安裝在工程師站的PDM軟件實現(xiàn)的;Y-LINK組態(tài)是由PCS7套裝軟件實現(xiàn)。
　　
　　（4）AS-I
　　
　　AS-I是執(zhí)行器一傳感器一接口（Actuator-sensor-Interface）的縮寫，它是一種用來在控制器（主站）和傳感器/執(zhí)行器（從站）之間雙向交換信息的總線網(wǎng)絡(luò)，它屬于現(xiàn)場總線（PROFIBUS等）下面的底層通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。一個AS-I總線系統(tǒng)通過主站中不同類型的網(wǎng)關(guān)，可以與多種現(xiàn)場總線（如FF、CAN-bus等）連接。AS-I總線可以作為:
　　
　　①現(xiàn)場總線的一個接點服務(wù)器，在總線下掛一批從站如AS-I模塊。
　　
　　②與具有AS-I接口的開關(guān)量傳感器（如接近開關(guān)、料位開關(guān)、壓力開關(guān)、流量開關(guān)等）和執(zhí)行器（如閥門和聲光報警等）通訊。
　　
　　③與具有AS-I接口的模擬量儀表通訊，并同時提供儀表工作電源。
　　
　　考慮到工程規(guī)模及投資限制，設(shè)計采用①中AS-T現(xiàn)場總線結(jié)構(gòu)。
　　
　　AS-I主機為DP/ASILINK20，主機與電源均安裝在與入口水封閥區(qū)域共用的機柜（DPl6）內(nèi)，DP/ASTTTNK2O采用非冗余的PROFIBUS-DP總線與透平發(fā)電機區(qū)域機柜遠程I/O（DPl3）相連，再通過Y-LNK和通信模塊與TRT控制室主CPU連接。
　　
　　DP/ASILINK20與AS-I模塊（從站）采用特制黃色2芯扁平可反復(fù)穿刺的壓接電纜進行信號雙向通訊;采用特制黑色扁平可反復(fù)穿刺的壓接電纜為模塊提供工作電源。主機與從站的信號電纜長度不超過100m，一個主站下掛從站的數(shù)量不超過31個。
　　
　　AS-I模塊有2通道、4通道、8通道等多種規(guī)格可選，從AS-I模塊至傳感器采用的帶M12接頭的電纜連接，電纜接頭防護等級為IP67，以保證模塊可露天安裝或放置，在惡劣的環(huán)境下工作。
　　
　　本工程AS-I總線設(shè)備包括開關(guān)量輸入、輸出，模擬量輸入等17個點，設(shè)計采用l根AS-I信號線、l根AS-T電源線和1套LINK20主機實現(xiàn)AS-l與PROFIBUS-DP的通訊，LINK20下掛4個AS-I模塊，其中一個是可為2線制變送器提供電源的模擬量輸入模塊。
　　
　　AS-I總線設(shè)備測量與控制功能組態(tài)，參數(shù)設(shè)置（包括通訊地址號）和狀態(tài)診斷等是由手持編程終端實現(xiàn)的;LINK20的組態(tài)是由PCS7套裝軟件實現(xiàn)。
　　
　　三、由FCS實現(xiàn)的主要控制功能介紹
　　
　　TRT工程控制系統(tǒng)比較復(fù)雜。筆者在FCS中研究開發(fā)了新的"綜合控制功能軟件"，它在不改變高爐原有操作方式和操作習(xí)慣、確保高爐正常生產(chǎn)的前提下，實現(xiàn)了輔助系統(tǒng)的準備控制，主機系統(tǒng)的啟動、升速、并網(wǎng)、升功率、爐頂壓力控制與zui大限度地發(fā)電，高爐減風(fēng)時TRT的電動運行控制，高爐異常或TKT系統(tǒng)故障時的安全保護控制。除輔助系統(tǒng)在啟動過程中需要操作工干預(yù)外，主機系統(tǒng)的啟停以及運行控制均可由FCS自動實現(xiàn)。
　　
　　3.1啟動升速控制
　　
　　啟動升速控制是在取消了啟動閥的基礎(chǔ)上由FCS控制可調(diào)靜葉實現(xiàn)。當選擇自動啟機時，TRT從升轉(zhuǎn)速、投勵磁、升電壓、并網(wǎng)到升功率、高爐爐頂壓力等各控制段都是自動完成的，操作工只須監(jiān)視變化的自動控制過程。
　　
　　在自動升速過程中，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)會自動地根據(jù)預(yù)存升速曲線并結(jié)合高爐頂壓變化情況產(chǎn)生隨時間變化的轉(zhuǎn)速設(shè)定值，并結(jié)合轉(zhuǎn)速測量值不斷調(diào)節(jié)靜葉開度，直至TRT并網(wǎng)發(fā)電。
　　
　　3.2升功率控制
　　
　　TRT并網(wǎng)后，《綜合控制功能軟件"的功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)會自動地根據(jù)預(yù)存升功率曲線并結(jié)合高爐頂壓變化情況產(chǎn)生功率設(shè)定值去控制可調(diào)靜葉開度，而且在整個升功率過程中，F(xiàn)CS還進行升功率和高爐爐頂壓力兩個調(diào)節(jié)過程的比較，即當高爐頂壓波動較大時，功率控制暫停而使頂壓控制系統(tǒng)起作用;一旦升功率達到預(yù)設(shè)定值，即自動轉(zhuǎn)入高爐爐頂壓力控制。
　　
　　3.3爐頂壓力與正常發(fā)電控制
　　
　　頂壓控制也是由可調(diào)靜葉實現(xiàn)的。控制回路的壓力測量值與高爐原有爐頂壓力減壓閥組控制回路的測量值是同一信號;而控制回路的壓力設(shè)定值是將高爐原有爐頂壓力減壓閥組控制回路的設(shè)定值經(jīng)"綜合控制功能軟件"運算后得到的。
　　
　　一鋼公司TRT控制系統(tǒng)在自動啟機和自動停機過程中均參與爐頂壓力控制。TRT在啟機拉煤氣和停機趕煤氣過程中引起的頂壓變化不超過5kPa;在緊急停機瞬間和TRT正常生產(chǎn)時由"綜合控制功能軟件"實現(xiàn)的高爐頂壓控制優(yōu)于用戶的技術(shù)要求。
　　
　　TRT正常發(fā)電控制包括高爐爐頂壓力控制。
　　
　　3.4TRT停機控制
　　
　　由FCS系統(tǒng)實現(xiàn)的停機控制包括手動/自動正常停機和緊急停機，緊急停機貫穿于TRT的所有控制過程中。
　　
　　（1）正常停機
　　
　　手動正常停機是靠FCS系統(tǒng)的虛擬操作臺實現(xiàn)。當選擇自動正常停機時，TRT側(cè)高爐爐頂壓力調(diào)節(jié)輸出控制可調(diào)靜葉緩慢關(guān)閉，由于高爐側(cè)爐頂壓力調(diào)節(jié)回路始終處于自動控制等待狀態(tài)，可調(diào)靜葉的緩慢關(guān)閉同時使減壓閥組逐漸開大。
　　
　　TRTT自動正常停機控制既為爐頂壓力控制，又為減電量控制，隨著可調(diào)靜葉慢慢關(guān)小，減壓閥組慢慢打開，當發(fā)電機功率達到工藝要求的解列值時，自動發(fā)出解列信號，使發(fā)電機與電網(wǎng)解列，同時自動關(guān)閉緊急切斷閥等，直至系統(tǒng)正常停機結(jié)束。
　　
　　（2）緊急停機
　　
　　自動緊急停機是指通過安裝在FCS中的"綜合控制功能軟件"實現(xiàn)的一種安全保護控制方式。TRT自動緊急停機條件近30個，當出現(xiàn)任一條件時，F(xiàn)CS發(fā)出信號使發(fā)電機與電網(wǎng)解列，同時使緊急切斷閥、可調(diào)靜葉關(guān)閉，旁通快開閥進入前饋調(diào)節(jié)狀態(tài)。前饋控制系統(tǒng)使旁通快開閥打開一定開度，然后進入爐頂壓力調(diào)節(jié)，自動使高爐煤氣從TRT流經(jīng)減壓閥組。如果減壓閥組卡住，*由旁通快開閥進行的爐頂壓力調(diào)節(jié)直至該閥組恢復(fù)正常;如果減壓閥組慢慢打開，旁通快開閥會在保證爐頂壓力穩(wěn)定的前提下緩慢關(guān)閉，實現(xiàn)緊急停機情況下TRT爐頂壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)與高爐爐頂壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)之間的平穩(wěn)過渡。
　　
　　緊急停機是在工秒鐘內(nèi)完成的重故障停機，因此除要求計算機控制系統(tǒng)快速響應(yīng)外，還應(yīng)有的事故后查找功能。該FCS以毫秒級的事件記錄及打印輸出，讓用戶很方便地查找分析出引起*停機故障的原因。
　　
　　四、結(jié)語
　　
　　筆者就本工程的設(shè)計、安裝、調(diào)試及運用情況提出幾點看法:
　　
　　（1）投資FCS雖然使控制系統(tǒng)一次投資有所增加，但電纜（該工程信號電纜的總長度不到2400米，而常規(guī)的TRT控制系統(tǒng)信號電纜總長度為16000米左右）等材料費用以及施工安裝費用大大降低。
　　
　　（2）組態(tài)與調(diào)試就通過安裝在FCS工程師站上的PDM軟件，可非常方便地對現(xiàn)場PA總線儀表進行在線組態(tài)、下載與調(diào)試。除現(xiàn)場溫度變送器外，PA總線儀表還可通過其本身配備的顯示窗口進行地址號設(shè)置或初始化等，因此大大節(jié)省了工作量。
　　
　　（3）維護通過PDM軟件，可方便地對現(xiàn)場PA總線儀表的過程參數(shù)和診斷狀態(tài)等所有信息進行上載。因此，為采用新型的現(xiàn)場檢測儀表和執(zhí)行裝置的室內(nèi)維護方式和管理模式提供了可能。
　　
　　（4）設(shè)計在設(shè)計PROFIBUS-PA總線、AS-T總線及其總線儀表時，應(yīng)首先清楚現(xiàn)場總線儀表設(shè)備的分布情況，這樣才能正確設(shè)計DP/PA偶合器、AS-T主機的數(shù)量及安裝位置，準確計算出PROFIBUS-PA總線、AS-I總線的電纜長度。在這方面，*有別于常規(guī)設(shè)計。
　　
　　在TRT生產(chǎn)時，由FCS代替高爐控制系統(tǒng)實現(xiàn)的爐頂壓力調(diào)節(jié)穩(wěn)定，而且發(fā)電功率在800OkW左右（預(yù)計兩年內(nèi)即可回收工程投資，不僅回收大量的能量，同時降低了噪聲帶來的環(huán)境污染，為用戶取得了很好的經(jīng)濟效益。作為一鋼公司的樣板工程，還為當時在建的大型不銹鋼工程采用現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)提供了很好的借鑒。