西门子6ES7221-1BH22-0XA8产品规格
0 前言
宝钢4BFL1基础自动化级控制系统采用了日本Yaskawa公司和Yokogawa公司提供的三电一体化新系统，主要完成电气逻辑控制和仪表调节控制。在双重化的V—NET网上有4台电气控制的CP-317可编程逻辑控制器(PLC)、5台仪表控制的Centum-CS3000的控制站(FCS)和2台工程师站及7台CP5800人机接口(HMI)，其中PLC3和FCS5应用于喷煤制粉系统控制。图l所示为高炉基础自动化控制系统框图。
1 制粉工艺
制粉系统由原煤仓、给煤机、磨煤机、烟气升温炉、引风机、排风机、袋式收粉器等组成。原煤由供煤皮带送人三个原煤仓，经过原煤仓出口阀进人给煤机，再经落煤管进入磨煤机，经干燥和碾磨，合格的煤粉由输送管送人袋式收粉器，将气粉混合物中的煤粉收集下来进入振动筛，除去杂物，经落粉管进入煤粉仓。烟气升温炉燃烧高炉煤气和焦炉煤气，产生l000℃左右的烟气，与经引风机抽引进入的高炉热风炉废气(160～280℃)混合成200～290℃的干燥气。袋式收粉器排出的烟气由主排风机抽引并经烟囱排人大气。图2所示为制粉工艺流程图。
2 PLC系统
PLC采用日本安川电机公司的CP-317，CP-317硬件采用了cPU双重化结构，同一个机架中
的2个CPU，一个为在线运行，一个为热备。V-NET采用CP.2520通信模块进行通信，并采用双重化的结构，V-NET的通信速率可达10Mb/s。CP-317 PLC和2000系列远程I/O站的通信采用cP-215模块进行通信，其通信速率可达4 Mb/s。CP-317PLc的编程采用CP-717EWS软件来实现。HMI的画面通过CP-5800与FCS应用程序的开发实现其功能。图3所示为CP-717软件中PLC组态界面，用此界面可以实现机架、槽号、模块、地址等硬件组态。
3 FCS系统
Centum一Cs3000系统的现场控制站FCS采用了其适用于大型控制系统的增强型KFCS2控制站。增强型控制站KFCs2由以几部分组成：现场控制单元、节点单元及通信总线。现场控制单元负责各种控制、计算和数据通信;本地节点单元和远程节点单元负责现场信号的采集和控制输出。HMI画面和仪表流程控制程序均在工程师站的CS300软件环境下编制，通过双冗余V-NET网络与控制站进行通信。图4为Cs3000软件中FCS组态界面，可以实现配置通信节点，组态硬件等功能。
4 网络通信
控制系统中网络通信种类相对较多，如：HMI与DCS、HMI与PLC、PLC主站与远程站、FCS主站与远程站、PLC与FCS及CP717与PLC等。其中HMI与PLC，PLC与DCS的通信比较复杂。
HMI的CS3000与PLC通信是通过在上位机安装CP5800软件，PLC编写CP2520通信程序来
实现的。通过CP5800中定义各种形式名和TAG名，完成画面的监控报警等功能。
PLC与DCS互相通信交换实时数据，其中PLC采用bbbb通信方式，DCS采用GS通信方式。PLC3的VNET站号为13，FCS5的VNET站号为05，每一站可以发送接收各16WORDS的信号。PLC3的信号发送地址为OW2070—OW207F，接收地址为:IW2040-IW204F。FCS只能收发位(bit)信号，且一个字(word)内的位的排列次序与PLC发送地址位为%GS00105一%GS25605，接收地址为%GS00113一%GS25613。
图5为在PLC3的CP2520模块硬件组态属性中设置bbbb通信的界面，将预先分配好的各控制站地址及字数输入到分配表中，其中PLC3的寄存器类型为输出OW，是发送给其他站信号的地址，其他站寄存器类型为IW输入，是PLC3接收其他站信号的地址。
图6为FCS5在GS通信组态属性中的设置界面，将相应的通信信号写入到表中，即可发送给其他控制站，接收其他控制站信号时，直接在FCS5程序中使用GS变量调用，格式为：GS+序号+站号。
5 系统功能
PLC与DCS共同完成了高炉喷煤制粉生产要求的全部控制功能。包括设备的操作方式选择，手动启动，自动顺序启动，自动顺序停车，紧急停止等电气逻辑控制功能;也包括磨煤机入口负压、磨煤机出口温度调节，升温炉燃烧控制、给煤量调节等仪表调节控制功能。
在制粉启动和停止过程，磨煤机出口温度控制十分重要，关系到制粉的成败，下面对PLC与DCS控制磨煤机出口温度加以阐述。制粉系统启动中的PLC再循环气切断阀全开信号，使DCS控制再循环气liuliang调节阀处在全开位置，PLC启动主排风机后，将主排风机入口切断阀全开，此后DCS通过主排风机入口调节阀控制系统小liuliang，再循环气调节阀控制磨煤机人口压力。当PLC送来“暖机指令”时，DCS通过控制废气引风机入口调节阀，使磨煤机出口温度按5—
7℃/mill的速度升温到80℃。延迟后确认给煤机投入，小烧嘴进行点火，保持低负荷，磨煤机人口压力切换到引风机人口调节阀控制。为维持磨煤机出口温度为80℃，再循环气调节阀按曲线由小烧嘴控制磨煤机出口温度。随着给煤量的继续增加，小烧嘴达到大liuliang，循环气调节阀完全关闭。此时PLC启动大烧嘴，大烧嘴启动后，小烧嘴回到小负荷，磨煤机出口温度由大烧嘴控制。
制粉系统停机时，PLC发出断煤指令，升温炉大小烧嘴自动关闭，打开再循环气切断阀，DCS控制给煤量慢慢减少。当给煤量降至小值时，引风机入口调阀渐关至全关，再循环气调节阀渐开至全开，PLC停止给煤机。磨煤机出口温度继续按1℃/min左右的速度下降，直到磨煤机出口温度降至60℃，此后PLC控制其他电气控制设备停止，恢复到初始状态。
6 结束语
2005年4月宝钢4号高炉制粉系统顺利投产，Yaskawa PLC与YokogawaFCS在制粉控制系统中的应用取得了良好的效果，不仅满足了高炉喷煤制粉正常生产的全部控制需求，PLC和DCS通过网络通信进行信号交接，实现了电气逻辑和仪表调节的独立控制，也为现场电气和仪表人员的维护工作创造了有利条件。
小套及炉顶齿轮箱冷却，炉顶洒水以及一些辅助设施，如煤粉喷吹站、动力空压站等设施均采用净化工业循环水进行冷却。高炉净循环水冷却在高炉生产中占据着举足轻重的地位，其设备的可靠运行直接影响着高炉生产的稳定进行。原有的高炉循环冷却系统均靠人工操作，其设备控制点上百个，这样，不仅劳动强度大，工作效率低，运行不可靠，容易造成冷却系统的故障停机而带来无法挽回的损失。昆钢6号高炉净循环冷却系统采用GE—FANUC90—30型PLC实现高炉净循环水冷却的过程自动控制，对进出水压差、liuliang瞬时值及累计值数据采集，各控制泵、阀门、水池水位状态实时监控，自动启/停泵控制以及各种事故状态记录及报警处理。开炉两年多来净环水系统运行稳定、可靠、水质稳定，冷却效果良好。
1系统简介及工艺要求
高炉净循环系统工艺流程如图1所示。
净循环水泵房主要设备有高、中、低压水泵和旁通过滤水泵及相关阀门。高、中、低压水泵从冷水池中抽取水供给高炉各高、中、低压用户及辅助设施使用，经使用后的回水经回水管道自流回热水池，由热水回水泵tisheng至冷却塔，经冷却塔冷却后回到冷水池，又由泵房中各泵送至各用户使用，循环进行而不间断。
为确保安全供水，在槽下山顶上设置一个两格的高位安全水池，每格7 5 0 m3，在高压水突然无故断水情况下，作为备用水源靠高位落差产生水压供给高炉高压水用户及中压水用户，以确保高炉高、中压用水的不间断。
系统设有四台过滤器，其中三台新水过滤器，一台旁通过滤器。因为在循环用水中存在水量损失，在系统运行过程中需补充新水，为确保水质，新水必须经过过滤器过滤后方可进入冷水池，且进水量须与冷水池水位进行联锁。为确保循环水质，设有旁通过滤器，由旁通过滤水泵从冷水池吸水经旁通过滤器过滤后回到冷水池，循环使用。过滤器使用后须定时对其反冲洗，防止过滤器由于泥浆而板结，保证过滤效果。
系统还设有加药间，由三台加药装置分别将防腐剂、防垢剂、杀菌灭藻剂定时由加药管道投加至冷水池。
2 控制系统配置
系统选用GE-FANUC90—30型PLC，这种PLC是系YU90PLC家族中的一员，具有体积小巧，易于安装和配置的特点，且运行稳定可靠，它能提供一种全功能的控制器，具有先进的编程性能，且与系列90PLC家族中其它PLC兼容。系统由一个主机架及六个扩展机架组成，主机架装有电源模块、CPU模块、通讯模块各一块和AI(模拟量输入模块)。扩展机架装有AI、DI(数字量输入模块)、DO(数字量输出)模块。系统配置DI共640个点，DO共224个点，AI共56个点。整个系统结构如图2所示。
(1) 通讯方式：
净环水系统利用一台上位机与P L C进行通讯，实时监控系统设备并控制运行。上位机采用标准以太网网卡，PLC采用IC693CMM321以太网接口卡传输介质为同轴电缆，经AUI接口相连接，配置50Ω终端电阻。协议为TCP/IP网络协议，其拓展性非常好，易于今后与6号高炉总控制系统的连接。
中央处理器CPU(选用IC693CPU372)自带一个15针串行端口，RS一485电气接口，采用SNP协议，可使用编程器与CPU之问直接通讯。
(2)模拟量输入
模拟量输入模板分为两种：一种为电流型4～20mA信号(型号IC693ALG221)，一种为电压型0～lOV信号(型号为IC693ALG220)。电流型主要检测系统压力、liuliang、水池水位等信号。电压型主要检测各台水泵电流及母线相电流、相电压信号。
(3)开关量输入/输出
开关量输入模块(DI)选用IC693MDL645型，主要检测各台水泵运行信号、故障信号、集中信号以及出口电动阀门开、关到位信号等。开关量输出模块(DO)选用IC693MDL940型，主要控制水泵合闸、分闸信号，阀门开、关指令等。
3 PLC控制编程
系统控制方式有自动、集中手动操作、现场操作三种。
·自动方式，由P LC程序按事先设定好的工艺流程和参数，自动地控制各系统设备，不须人工干涉，当工作泵发生故障时，备用泵具有自动投入功能，保证系统不问断供水。
·集中手动方式，由操作人员在操作站C R T画面上对设备进行单台控制，各设备之问保留必要的连锁，仅取消泵与水位之间的连锁。
·现场手动方式，由操作人员在现场机旁箱直接对设备进行不经计算机P LC控制的操作，各台设备之间没有连锁，具有完全优先级。当出现紧急故障情况下，可在机旁进行紧急停机操作，计算机仅负责监测各设备状态及故障点。
PLC控制程序主要由两大模块组成：
(1)泵阀组控制模块
根据泵的性能参数要求，分为两种控制方案，即闭阀启动和开阀启动。
闭阀启动：遵循先启泵，后开阀;先停泵，后关阀。如高、中、低压泵。
开阀启动：遵循先开阀，后启泵;先停泵，后关阀。如热水回水泵。
(2)过滤器控制模块
过滤器阀门运行程序表如表1所示。
·过滤器每过滤8h反洗一次，保证滤料干净不板结，确保过滤效果，水质稳定。
·旁通过滤器在任一台新水过滤器开始反洗时停止工作。过滤器反洗与泥浆池液位联锁(液位小于-2.15m允许反洗)，并与过滤器反洗泥浆泵联锁。
·冷水池水位低于1.3 m时开启任一台新水过滤器补充新水，高于2.2m关闭新水过滤器。
4 上位机控制编程
上位机监控软件采用GE—Fanuc—CimplicityHMI软件编程组态，充分利用了其图形界面实时监控功能、报警处理和数据归档功能。
(1)实时监挠主要完成对所有检测点的监测及控制，包括一些参数的设置及算法实现，操作人员可随时了解各设备的运行状态，又可通过操作界面调节各设备的启/停控制。
(2)报警处理：将P LC送来的数据与上位机设定的数据相比较，根据设定范围作出图象及声音报警，提醒操作人员及时采取应急措施。
(3)趋势预测：可将需要记录的数据以文件的形式保存在磁盘上，可随时通过其内建的趋势画面观测及分析数据，监测系统变化，很好地监控系统运行参数，保证设备运行在佳工况点。
5 结束语
可编程控制器P L C以其开放式的模块化结构，较好的通用性和互换性给系统的使用和维护带来了很大的方便。可编程控制器PLC在昆钢6号高炉净循环水系统中的成功应用，大大减轻泵站工作人员的劳动强度，节省了人力物力，使原来的值班人数从每班三人减少到每班两人。自开炉至今，未发生因事故断水而烧毁高炉风口小套、中套、炉顶齿轮箱等重大设备事故及生产安全事故，有效地保证了设备安全可靠高效运行，tigao了系统的运行管理水平和系统运行精度，保证了生产的长周期稳定顺行，产生了显著的经济效益。
1 前言
基金会现场总线（FF）是专为过程自动化而设计的通讯协议。FF现场总线初包括低速总线H1（速率为31.25kbps）和高速总线H2（速率为1Mbps和2.5Mbps）两部分。但随着多媒体技术的发展和工业自动化水平的tigao，控制网络的实时信息传输量越来越大，H2的设计能力已不能满足实时信息传输的带宽要求。鉴于此，现场总线基金会放弃了原有H2总线计划，取而代之的是将现场总线技术与成熟的高速商用以太网技术相结合的新型高速现场总线-基金会HSE（HighSpeed Ethernet）现场总线，并于2000年3月发布了HSE的终规范。
2 通信结构和网络拓扑
HSE是一种基于Ethernet+TCP/IP协议、运行在100Base-T以太网上的高速现场总线。它能支持低速总线H1的所有功能，是对H1的补充和增强。
2.1 通信结构
HSE模型采用了OSI参考模型中物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层，并在应用层上增加了用户层，形成6层的通信模型。HSE的通信结构和模型分层的对应关系如图2—1所示。
HSE的结构是一个增强型的标准以太网模式。底层采用标准以太网IEEE802.3μ的和CS-MA/CD链路控制协议来进行介质的访问控制。TCP/IP协议是标准以太网的重要协议，它位于网络层和传输层，实现面向连接和无连接的数据传送，并为分布式主机控制协议（DHCP）、简单网络时间协议（SNTP）、简单网络管理协议（SNMP）和现场设备访问代理（FDAAgent）提供传输服务。HSE系统和网络管理代理、功能块、HSE管理代理和现场设备访问代理都位于用户层和应用层中，提供设备的描述和访问、功能块应需添加任何专用设备即可直接连入高速网络，也从另一方面增强了HSE设备的互操作性。
2.2 网络拓扑
HSE设备分为4类：主机设备、链接设备、网关设备和以太网现场设备，其功能分别为对系统进行组态、监控和管理，将H1总线段链入FF-HSE网络，实现与其它标准总线通信，连接高速I/O设备或PLC。HSE可直接使用以太网的交换设备、路由器等，通过双绞线或光纤等将HSE设备连接起来，建立HSE总线控制网络。如图2—2所示。
3 HSE功能特色
HSE除了具有高带宽和更好的开放性之外，灵活的网络和设备冗余形式以及灵活功能块技术是HSE的两个特色技术。
3.1 冗余形式
HSE的特色之一是它的冗余设计。HSE规范支持包括标准以太网应用的冗余。HSE冗余提供通信路径冗余（冗余网络）和设备冗余两类，允许所有端口通过选择连接，如图3—1所示。
通信路径冗余是HSE交换机、链接设备和主机系统之间的物理层介质冗余，或称介质冗余。冗余路径对应用是透明的，当其中一条路径发生中断时，可选用另一条路径通信。而设备冗余是为了防止由于单个HSE设备的故障造成控制失败，在同一网络中附加多个相同设备。由图2-1的通信模型结构可知，每个HSE设备中专门设计了一个HSE的LAN冗余实体（HSELRE），提供容错处理，LAN冗余实体周期地发送和接收冗余诊断信息。每个HSE设备通过诊断信息建立一个网络状态表，它记录着连入网络中的所有HSE设备的详细状态信息，根据这张网络状态表，LRE来选择决定使用哪条路径或端口来传送信息。HSE的容错处理方法增强了控制网络的可靠性和安全性。
3.2 灵活功能块
功能块是FF的技术特色之一，在灵活功能块推出之前，FF设备根本不接收传统的离散信号。HSE不仅支持FF所有标准功能块，增加了灵活功能块（FFB，FlexibleFunctionBlocks），以实现离散控制，这是HSE的又一特色。灵活功能块是具体应用于混合、离散控制和I/O子系统集成的功能模块，它包含了8个通道的多路模拟量输入输出、离散量输入输出和特殊应用块，并使用IEC61131-3定义的标准编程语言，也可以使用于H1中。灵活功能块的应用包括联动驱动、监控数据获取、批处理、先进I/O子系统接口等，它支持多路技术、PLC和网关，可以说给用户提供了一个标准化的企业综合协议。
4 应用实例和前景展望
以下给出一个FF-HSE现场总线用于水位和温度控制的例子，系统结构如图4—1所示，整个系统采用Smar公司的FF现场总线控制设备与软件。在系统中，通过10/100M的交换机，将DFI302、管理计算机和监控站连入到HSE网络中。DFI302是结合了链路设备、现场设备、网关3种功能的FF现场总线控制器、接口和主机系统，其中的链接部件DF51将控制温度、水位的H1控制链路接入HSE网络。在上层监控站，通过SYSCON软件进行系统逻辑和控制策略组态;采用支持OPC技术（OLEforProcessControl）的AIMAX组态软件开发人机界面。
这种网络形式，使得系统的开放性大大增强，用户可以进行灵活的系统组态和系统集成。我们知道，无论是以太网还是TCP/IP都没有形成一个完整的通讯协议栈，还需要应用层和用户层来形成一个开放的标准。HSE恰恰包括了所有这些层次，使得HSE成为真正意义上的完全开放协议，使得从设备到会议室的信息集成变得紧密而简洁。HSE的设计目标就是具有控制功能的Internet，这种网络形式为通过3W的远程操作奠定了基础。它的多层次冗余设计大大增加了控制系统的可靠性，灵活的功能块使得HSE可以为离散制造业提供理想的解决方案。
HSE充分体现了现场总线不仅是通讯协议，也是一种编程语言的概念，使得系统的组态、设备维护和诊断用统一的语言即可实现。HSE和H1相结合，使得基金会现场总线覆盖了更宽广的控制应用领域，将给工业自动化提供高性能的网络结构形式。HSE将具有广阔的应用前景。
5 结束语
HSE提供了一种以经济的以太网硬件和软件为构架，低成本、高速的过程控制网络。以100Mbit/s运行的HSE用于高速过程自动化、批处理、离散控制应用中，也提供工厂管理和MIS系统的信息积累。HSE加强了以太网在工业领域中的地位，使FF技术涵盖现场网络层和控制网络层，完全可以构筑大型带有层次调度控制功能和仪表电气综合控制能力的系统。