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1  概述

    TRT屬節能環保項目，為“高爐煤氣余壓能量回收透平發電”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由武漢鋼鐵設計研究總院設計，在設計之初，用戶提出了與常規TRT控制系統有別的特殊要求：
    (1)  采用現場總線控制系統FCS。
    (2)  在高爐主控制室設置TRT操作站，以使TRT車間正常生產時無人值守。

    經過近半年的設計、編程與調試，該工程于2003年3月順利投產發電。

2   FCS系統配置

    筆者在設計一鋼公司TRT工程中，根據煤氣差壓發電的特點，要求現場總線技術不僅成熟、可靠，還應盡可能為冗余結構，以確保建TRT不影響主體高爐生產。因此通過對多家現場總線控制系統進行比較篩選，確定采用西門子公司的PROFIBUS、AS-I現場總線的組合以及相應的儀表裝置，控制系統采用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線構成，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（DP11~DP17）。根據需要，遠程I/O站（DP13~17）分散設置在現場和與TRT控制室相距600m的高爐主控制室。控制器可實現順序控制、邏輯控制和回路控制，包括邏輯運算、算術運算以及用于與回路控制有關的PID調節、函數發生和斜坡生成等，共有200多個功能塊。為保證系統的高可靠性，控制器CPU（AS 417-4H）、通訊模塊及高速通訊總線為一對一的冗余方式，冗余CPU的快速響應及相互切換時間滿足TRT正常生產及安全保護要求。
該工程部分開關量輸入/輸出設備隨工藝成套，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，故設計還采用了本地I/O站（DP11、DP12）和遠程I/O站（DP13~DP17）。DP11至DP17通過PROFIBUS-DP總線連接。

    控制器及遠程I/O站的組態、編程與調試由操作站/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TRT控制系統特點，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置在TRT控制室和高爐主控制室，除“啟動畫面”內容略有不同外，兩個操作站顯示的內容和操作方式完全一致。TRT控制室操作站主要作調試用。

    監控軟件采用SIMATIC PCS7 OS V5.1，它工作在Windows NT平臺上，通過豐富、完善的仿真畫面，實時監視從本地及遠程I/O站、PROFIBUS PA與AS-I現場總線系統采集的過程數據，同時進行相關的工藝操作。另外操作站通過編程與組態，還實現以下主要功能：
    ?  報警功能：監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，按照報警等級作出相應反應，并根據要求進行分類與歸檔或觸發相關的動作（如打印）。
    ?  安全功能：監控軟件提供的用戶管理器允許設置用戶多種權限，針對不同的操作者設置相應的加密等級，記錄操作者重要的操作過程。
    ?  數據管理：監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的歷史趨勢值，以便于數據查找與故障分析。

2.3  通訊總線
    通訊總線共用了4種，即工業以太網、PROFIBUS-DP、PROFIBUS-PA和AS-I。
    (1)  工業以太網
    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、冗余的結構，通信速度為10M/s。兩個操作站之間的通訊采用環形光纖，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的通訊卡（CP443-1等）。環形光纖與同軸電纜之間采用連接器OLM ITP62過渡。操作站和控制站是通過軟件設置不同的地址號進行識別。

圖1   FCS系統配置圖

    (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TRT控制站與本地I/O站（DP11、DP12）、遠程I/O站（DP13~DP17）之間的通訊連接，為冗余結構；另一種用于TRT控制站與Y-LINK之間的通訊連接，Y-LINK之前為冗余結構，之后為非冗余PROFIBUS-PA耦合器。由于遠程I/O站DP13設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轉換后的非冗余結構。另外，與AS-I設備的連接也是通過Y-LINK和耦合器實現的非冗余的通訊結構。

    控制站訪問本地I/O站和遠程I/O站是通過硬件設置不同的DP站號進行識別。

    (3)  PROFIBUS-PA
    PROFIBUS-PA為雙芯屏蔽結構的特殊電纜，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備，需另外設計工作電源）。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-耦合器提供（每臺儀表24VDC供電，平均消耗電流為10mA），通訊速度為31.25Kbps，因此每個耦合器下掛PA儀表的數量受到很大限制，雖然理論上為32臺，但西門子公司建議為10臺左右。

    根據現場檢測點的分布及遠程I/O站的設置，設計采用6根PROFIBUS-PA總線和3對Y-LINK實現PA總線儀表與控制站的通訊。Y-LINK設置分別為DP12：1對，DP14：2對。Y-LINK的站號設置與PROFIBUS-DP平級，也是通過硬件撥碼完成。西門子公司生產的耦合器是透明的，即耦合器沒有地址號，也不需要對耦合器進行任何組態。因此，不同的Y-LINK下的PA儀表地址號（在0~126內）是可重復的。

    PROFIBUS-PA總線通過專用的T形接頭實現與PA儀表的物理連接。PA總線兩端必須連接專用的終端電阻，以最大限度的避免電纜上的信號反射，提高傳輸質量。

    PA總線儀表的測量與控制功能組態，參數設置和狀態診斷等是由安裝在工程師站的PDM軟件實現的；Y-LINK的組態是由PCS 7套裝軟件實現。

    (4)  AS-I
    AS-I是執行器―傳感器―接口（Actuator-Sensor-Interface）的縮寫，它是一種用來在控制器（主站）和傳感器/執行器（從站）之間雙向交換信息的總線網絡，它屬于現場總線（PROFIBUS等）下面的底層通信網絡系統。一個AS-I總線系統通過主站中不同類型的網關，可以與多種現場總線（如FF、CAN-bus等）連接。AS-I總線可以作為：
    ①  現場總線的一個接點服務器，在總線下掛一批從站如AS-I模塊。
    ②  與具有AS-I接口的開關量傳感器（如接近開關、料位開關、壓力開關、流量開關等）和執行器（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。

    考慮到工程規模及投資限制，設計采用①中AS-I現場總線結構。

    AS-I主機為DP/ASI  LINK20，主機與電源均安裝在與入口水封閥區域共用的機柜（DP16）內，DP/ASI  LINK20采用非冗余的PROFIBUS-DP總線與透平發電機區域機柜遠程I/O（DP13）相連，再通過Y-LINK和通信模塊與TRT控制室主CPU連接。

    DP/ASI  LINK20與AS-I模塊（從站）采用特制黃色2芯扁平可反復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量不超過31個。

    AS-I 模塊有2通道、4通道、8通道等多種規格可選，從AS-I模塊至傳感器采用專用的帶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，在惡劣的環境下工作。

    本工程AS-I總線設備包括開關量輸入、輸出，模擬量輸入等17個點，設計采用1根AS-I信號線、1根AS-I電源線和1套LINK20主機實現AS-I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總線設備測量與控制功能組態，參數設置（包括通訊地址號）和狀態診斷等是由手持編程終端實現的；LINK20的組態是由PCS 7套裝軟件實現。

3  由FCS實現的主要控制功能介紹

    TRT工程控制系統比較復雜。筆者在FCS中研究開發了新的“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慣、確保高爐正常生產的前提下，實現了輔助系統的準備控制，主機系統的啟動、升速、并網、升功率、爐頂壓力控制與最大限度地發電，高爐減風時TRT的電動運行控制，高爐異常或TRT系統故障時的安全保護控制。除輔助系統在啟動過程中需要操作工干預外，主機系統的啟停以及運行控制均可由FCS自動實現。

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上由FCS控制可調靜葉實現。當選擇自動啟機時，TRT 從升轉速、投勵磁、升電壓、并網到升功率、高爐爐頂壓力等各控制段都是自動完成的，操作工只須監視變化的自動控制過程。

    在自動升速過程中，轉速調節系統會自動地根據預存升速曲線并結合高爐頂壓變化情況產生隨時間變化的轉速設定值，并結合轉速測量值不斷調節靜葉開度，直至TRT并網發電。

3.2  升功率控制
    TRT并網后，“綜合控制功能軟件”的功率調節系統會自動地根據預存升功率曲線并結合高爐頂壓變化情況產生功率設定值去控制可調靜葉開度，而且在整個升功率過程中，FCS還進行升功率和高爐爐頂壓力兩個調節過程的比較，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起作用；一旦升功率達到預設定值，即自動轉入高爐爐頂壓力控制。

3.3  爐頂壓力與正常發電控制
    頂壓控制也是由可調靜葉實現的。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定值是將高爐原有爐頂壓力減壓閥組控制回路的設定值經“綜合控制功能軟件”運算后得到的。

    一鋼公司TRT控制系統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正常生產時由“綜合控制功能軟件”實現的高爐頂壓控制優于用戶的技術要求。

    TRT正常發電控制包括高爐爐頂壓力控制。

3.4    TRT停機控制
    由FCS系統實現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系統的虛擬操作臺實現。當選擇自動正常停機時，TRT側高爐爐頂壓力調節輸出控制可調靜葉緩慢關閉，由于高爐側爐頂壓力調節回路始終處于自動控制等待狀態，可調靜葉的緩慢關閉同時使減壓閥組逐漸開大。TRT自動正常停機控制既為爐頂壓力控制，又為減電量控制，隨著可調靜葉慢慢關小，減壓閥組慢慢打開，當發電機功率達到工藝要求的解列值時，自動發出解列信號，使發電機與電網解列，同時自動關閉緊急切斷閥等，直至系統正常停機結束。

    (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，當出現任一條件時，FCS發出信號使發電機與電網解列，同時使緊急切斷閥、可調靜葉關閉，旁通快開閥進入前饋調節狀態。前饋控制系統使旁通快開閥打開一定開度，然后進入爐頂壓力調節，自動使高爐煤氣從TRT流經減壓閥組。如果減壓閥組卡住，完全由旁通快開閥進行的爐頂壓力調節直至該閥組恢復正常；如果減壓閥組慢慢打開，旁通快開閥會在保證爐頂壓力穩定的前提下緩慢關閉，實現緊急停機情況下TRT爐頂壓力調節系統與高爐爐頂壓力調節系統之間的平穩過渡。

    緊急停機是在1秒鐘內完成的重故障停機，因此除要求計算機控制系統快速響應外，還應有精確的事故后查找功能。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第一停機故障的原因。

4  結語

    筆者就本工程的設計、安裝、調試及運用情況提出幾點看法：
    (1)  投資 FCS雖然使控制系統一次投資有所增加，但電纜（該工程信號電纜的總長度不到2400米，而常規的TRT控制系統信號電纜總長度為16000米左右）等材料費用以及施工安裝費用大大降低。

    (2)  組態與調試 通過安裝在FCS工程師站上的PDM軟件，可非常方便地對現場PA總線儀表進行在線組態、下載與調試。除現場溫度變送器外，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置或初始化等，因此大大節省了工作量。

    (3)  維護 通過PDM軟件，可方便地對現場PA總線儀表的過程參數和診斷狀態等所有信息進行上載。因此，為采用新型的現場檢測儀表和執行裝置的室內維護方式和管理模式提供了可能。

    (4)  設計 在設計PROFIBUS-PA總線、AS-I總線及其總線儀表時，應首先清楚現場總線儀表設備的分布情況，這樣才能正確設計DP/PA偶合器、AS-I主機的數量及安裝位置，準確計算出PROFIBUS-PA總線、AS-I總線的電纜長度。在這方面，完全有別于常規設計。

    在TRT生產時，由FCS代替高爐控制系統實現的爐頂壓力調節穩定，而且發電功率在8000kW左右（預計兩年內即可回收工程投資），不僅回收大量的能量，同時降低了噪聲帶來的環境污染，為用戶取得了很好的經濟效益。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場總線控制系統提供了很好的借鑒。