现场总线技术在济钢第三炼钢厂的应用

现场总线技术在济钢第三炼钢厂的应用马骏，杨涛，张淋云，姜冰，宋立强（济南钢铁集团总公司，山东济南250101）摘要：通过介绍Profibus总线和CAN总线在济钢第三炼钢厂连铸机中成功应用的案例，分析了现场总线的技术特点和优点。

现场总线不仅满足了济钢第三炼钢厂工艺设备的控制要求，而且运行稳定，故障率低，给转炉、连铸系统提供了安全而可靠的控制方案。

关键词：现场总线；Profibus；CAN；连铸机；智能铸流锥度控制系统中图分类号：TP336 文献标识码：A 文章编号：1004-4620（2007）01-0063-02 Application of Field Bus Technology in No.3 Steelmaking Plant of JigangMA Jun, YANG Tao, ZHANG Lin-yun, JIANG Bing, SONG Li-qiang（Jinan Iron and Steel Group General Company, Jinan 250101, China）Abstract：hrough introducing the case that Profibus and CAN field bus are used successfully in the continuous casting machine of No.3 steelmaking plant of Jigang, the characteristic and excellence of the field bus are analyzed. The field bus can not only meet the needs of control using in technology and equipment, but also run steadily and less failure. It gives safe and dependable control project for the converter and the withdrawing system.Key words：field bus; Profibus; CAN; continuous casting machine; automatic strand taper control （ASTC）济南钢铁集团总公司第三炼钢厂（简称济钢第三炼钢厂）汇集了国内外先进的技术设备，现场总线技术在转炉、连铸电气自动化系统的应用，是基础电气自动化的一个亮点。

其良好的性能不仅保证了现场设备的安全稳定运行，而且把自控系统与设备加入到信息网络的底层，使企业信息沟通的范围一直延伸到生产现场。

1现场总线技术[1]现场总线是指安装在制造或过程区域的现场装置之间、以及现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行和多点通信的数据总线，其装置包括变送器或流量、压力、温度或其他过程量的转换器、转角发送器和ON-OFF开关等。

以现场总线为基础而发展起来的全数字控制系统称作FCS。

现场总线作为连接控制系统中现场级装置和控制设备的双向数字通信网络，取代原设备级的4～20mA（模拟量）及24V DC（开关量）信号，使自控系统与设备加入工厂信息网络，成为企业信息网的底层。

与传统的DCS系统相比，增强了现场信息的集成能力；抗干扰能力增加、系统可靠性提高；安装便捷、可维护性好；具有开放性、互操作性、互换性、可集成性；降低了工程成本；具有IP67防护等级，可现场安装；能自动诊断故障部位。

1999年底诞生的IEC 61158现场总线国际标准，由于包含了FF、Profibus、ControlNet、P-Net、Interbus等在内的8种类型，没有实现其最初“制定单一现场总线”的目标，而MB+、Lonworks、CC-Link等一些现场总线虽然没有被列入IEC 61158标准中，却也得到了一定的应用。

2 自动化控制体系济钢第三炼钢厂工程包括铁水预处理，120t转炉、LF/VD精炼及板坯连铸机等多个项目，整个工厂的EIC三电自动化控制系统的配置达到世界先进水平。

做到三电自动化控制的一体化，包含过程控制级（L2）、基础控制L1级和L0，同时也预留出与L3级的通讯接口及数据存放区。

3级（L3）生产管理级：制订全厂生产计划、产品协调及产品跟踪。

L3系统涉及新炼钢厂各生产工序和后部的中厚板车间，L3系统的实现需要各工艺单元、生产管理及调度部门结合工厂的实际情况来考虑，另立项目，统一协调。

2级（L2）：各工艺控制单元的计算机操作指导，特殊工艺过程的设定计算及工艺过程的数据收集。

1级（L1）：实时控制级，根据操作指令，过程计算机的设定计算及现场元件的检测信号，完成生产设备的逻辑顺序控制和PID调节。

0级（Ll0）：L0级主要是传动设备本身的控制、I/O控制和管理。

在现代化的控制系统中，AC/AC的传动装置（变频装置）由本身自带CPU的数字装置控制和监视，并与L1级在网上进行数据通讯。

L0到L3级的自动化系统完成整个工厂的生产计划、产品管理、工艺区接口协调、过程最佳化及设备控制，可实现整个工厂的生产自动化。

在济钢第三炼钢厂L0和L1级控制体系中，根据各种总线的特点进行了应用，如Profibus、ControlNet、DEVICENET、CAN、MB+，都取得了很好的效果。

仅以Profibus 、CAN两种总线在济钢第三炼钢厂连铸机中的应用为例，说明现场总线的优点。

3 Profibus-DP在铸机拉矫传动系统中的应用3.1 铸机拉矫传动负载分配技术济钢第三炼钢厂引进VAI（奥钢联）的板坯连铸机，其拉矫系统通过对20台拉矫电机的负载分配控制，可以保证铸坯上的拉矫力矩为一个常数。

根据所有电机上的总拉矫电流，负载分配控制器能为拉矫电机计算出一个相应的修正后的速度设定值（速度偏差），把修正后的设定值与拉矫电机的实际给定值相加，它们的和作为总的速度给定值送给相应的拉矫电机变频器，就可以通过变频器的矢量控制实现对电机的负载分配。

主要控制过程可分为三部分：（1）在PLC内实现负载控制器程序的设计；（2）在PLC和变频器之间进行数据通讯，PLC从变频器中读取实际力矩，用作负载控制器的输入信号；变频器从PLC中读取速度给定值（速度设定值+负载力矩控制器输出的偏差值），用作变频器的给定信号；（3）在变频器中利用矢量控制方式对单台电动机对速度和力矩进行控制。

其中最关键的就是PLC和变频器之间进行数据通讯。

如果利用DCS系统实现该控制功能，不仅线路复杂，而且信号的实时性差，驱动系统很难实现负载分配技术控制要求。

3.2 Profibus总线的特点Profibus是一种国际化、开放式、不依赖于设备生产商的现场总线标准，广泛适用于制造业、流程工业、交通电力等领域自动化。

Profibus-DP 是用于现场设备级的高速数据传输。

中央处理器（如PLC/PC）通过高速串行总线同分散的现场设备（如I/O、变频器、阀门）进行通讯，多数数据交换采用周期方式。

Profibus-DP通讯介质采用屏蔽的双绞铜线电缆，共用一根导线对，通讯速率可选用9.6kbit/s～12Mbit/s，通讯距离可达12km。

使用Profibus-DP可取代24VDC 或4～20mA信号传输。

Profibus总线的通信能力强，与变频器的通信最多可有10个字的通信能力，是适合拉矫传动负载分配技术需要的一种总线产品。

3.3 拉矫传动负载分配控制系统在连铸机拉矫系统中，铸流采用了SIEMENS S7—400系列 PLC，拉矫传动系统采用C7 626 DP 为主机，变频器采用SIEMENS书本型VC变频器系列作为DP从站，主站与从站之间采用Profibus总线进行通讯。

在Profibus通讯中，PLC 与VC变频器之间除了传输设定值和控制字外，VC变频器还要把电机电流、力矩、变频器状态字传送给PLC控制器。

这样每一台变频器采用编码器检测速度反馈组成速度闭环，通过力矩分配值实现力矩外环控制，很好地实现了负载分配技术。

利用Profibus总线技术实现拉矫系统负载分配后，不仅使每台拉矫电机作用在红坯上的拉力为一常数，确保了铸坯的表面质量，而且根据不同位置的铸坯内部凝固情况，使铸坯承受相应的压力，以确保铸坯的内部质量。

同时，由于实现了负载分配，避免了多台电机中某些电机由于承受负载不均匀或过载而影响其运行和寿命，既减少了设备故障率，又减少电机的消耗，节约设备维修费用。

4 CAN总线在智能铸流锥度控制中的应用4.1 智能铸流锥度控制技术（ASTC）济钢第三炼钢厂引进VAI（奥钢联）的板坯连铸机中应用了铸流锥度控制技术。

VAI铸流锥度控制系统可以根据钢种不同确定扇型段的目标辊缝和锥度，对拉矫阶段的扇型段辊缝设定值可自动进行调整，辊缝设定值传送到工厂L1级系统中。

扇形段控制系统包括标准扇形段（前6段）的夹紧和智能扇形段（ASTC）驱动棍的压下、压下压力的调整三部分。

ASTC控制系统由ASTC主控制器（主机）和扇形段控制器组成。

扇形段控制器从主控制器下载设定点与由位置传感器实际测量的位置进行比较后实现对4个液压缸的位置控制。

考虑现场应用环境，选择的现场总线要有很强的抗干扰能力，并且需要有较远的传输距离。

4.2 CAN总线的特点CAN（Controller Area Network,控制器局域网）是国际上应用很广泛的一种现场总线。

由于它具有高可靠性和独特的设计、在多主系统中的优势及很高的实时性，已经在汽车、航天等工业领域的控制系统中得到广泛的应用。

CAN总线是一种多主总线，通讯介质可以是双绞线、同轴电缆或光纤，通讯速率可达1Mbit/s，通讯距离可达10km。

由于CAN总线具有较强的纠错能力、支持差分收发，因而适合高干扰环境，并具有较远的传输距离。

4.3 ASTC控制系统ASTC控制系统由ASTC主控制器（主机）和扇形段控制器组成。

ASTC主控制器是带RS485接口（到扇型段控制单元）和以太网接口（到L2过程控制系统）的西门子工控计算机。

扇型段控制单元采用SIMENS C166控制器，FLASH-EPROM 内装控制软件,具有RS485接口（到ASTC主控制器）、RS232接口（到维护编程器）和CAN总线接口（到位置传感器）等。

ASTC主控制器与L2过程服务器通信采用以太方式，ASTC主控制器与扇型段控制单元采用MODBUS通信方式，扇型段控制单元与现场设备采用CAN总线方式。

ASTC主控制器是L2系统和扇形段控制器之间的通讯单元，板坯的厚度截面值周期性地从L2级发送到ASTC主控制器，这些值被分配到各个扇形段控制器；实际的板坯厚度界面也周期性地从每个扇形段控制器经ASTC主控制器接收到L2级系统，其控制结构见图1。