西門子6SN1114-0NB01-0AA0（授權代理）

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SIEMENS可編程控制器

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1 概述
　　電弧爐以及精煉爐在運行過程中其產生的高次諧波及強電磁場所形成的強大干擾，是嚴重威脅控制和通訊系統安全運行的主要原因。50噸煉鋼電弧爐的電爐變壓器額定容量為31500KVA，二次額定電流可達到42KA以上，其沖擊和短路電流有時可達到和超過100KA。強電磁場和電弧的弧光放電引起的寬帶噪聲干擾及高次諧波分量與閃變（電壓波動），成為計算機及通訊網絡，電子設備穩定和安全運行的主要問題。在方案設計和系統設計及PLC選型以及制造工藝設計時，都必須充分考慮和關注到系統所處的惡劣運行現場工業環境的抗擾問題。
　　在為太鋼集團公司第一煉鋼廠設計的50噸煉鋼電弧爐及60噸鋼包精煉爐控制系統中?穴50噸電弧爐和60噸鋼包精煉爐的系統總結構圖略，可向作者索取?雪，兩臺電爐的控制系統全部采用SIEMENS公司的S7－300系列PLC及其通訊技術。經過現場調試和運行結果證明該系統運行狀態良好，性能可靠穩定。 2 系統的總體設計
2．1 硬件結構的設計
　　　整個系統采用4臺SIEMENS S7－315－2DP PLC主站分別完成對電弧爐爐體控制、電弧爐電極調節，鋼包精煉爐爐體控制和鋼包精煉爐電極調節。在四臺PLC主站之間采用SIEMENS公司的CP－342通訊模塊構成PROFIBUS－S7通訊網完成各主站間的數據通訊。電弧爐爐體和鋼包精煉爐爐體控制PLC主站共下設6個ET200遠程從站，通過SIEMENS公司工業現場總線PROFIBUS－DP完成主——從通訊。系統設計使用一臺工程師站，兩臺操作員站。三臺工業計算機中分別采用SIEMENS公司CP5412網卡通過PROFIBUS－S7 數據通訊網絡完成計算機與各PLC主站之間的數據通訊。操作員站的畫面組態軟件選用SIEMENS公司的WINCC完成用戶二次軟件的開發。

　　煉鋼電弧爐爐體控制PLC主站主要完成對35KV高壓系統的合分閘操作及高壓系統事故分閘的控制，對31500KVA電爐變壓器及變壓器油水冷卻系統運行狀態的監控和保護，并完成電爐水冷爐蓋、水冷爐壁等水冷系統23個測溫點水溫變化情況的模擬量實時數據采集以及冷卻水系統壓力、流量等的實時數據采集監視和越限及事故報警。同時通過PROFIBUS－S7網向操作員站進行實時數據的傳輸，由人機界面完成監控數據的記錄、顯示和故障報警。
　 　煉鋼電弧爐的各ET200遠程從站分別設置在爐前操作室、爐后操作室、液壓泵站和液壓閥站以及爐門碳氧噴槍的操作站內。分別構成爐前的爐蓋和爐體動作操 作和控制爐前傾爐操作，三相立柱鎖定和爐前電極升降操作及爐門鋼水測溫I／O。爐后傾爐及EBT出鋼操作、出鋼鋼包車操作和修理平臺的旋轉操作I／O。液 壓泵站主、輔液壓泵的切換和運行控制，對高壓液罐和氣罐的液位和壓力控制、空氣壓縮機的控制、主液箱和回液箱的液位自動控制及液壓介質自動溫度控制的 I／O ，液壓閥臺的I／O 及爐門碳氧噴槍三維動作的操作及控制I／O。
　　鋼包精煉爐爐體控制PLC主站的作用同煉鋼電弧爐相似，ET200遠程從站僅設置在鋼包精煉爐的液壓站內。
　 　用于控制爐內電弧功率的煉鋼電弧爐和鋼包精煉爐電極調節系統設計各采用一臺SIEMENS S7－315－2DP PLC主站。主要承擔輸入爐內的三相電弧功率的實時自動控制，根據不同冶煉工藝和冶煉期自動修正功率配電曲線和控制參數，以滿足冶煉工藝要求。設計采用獨 立設置的兩套PLC主站作為電爐和精煉爐電極調節系統可以減輕電爐和精煉爐爐體控制PLC主站CPU的負擔，縮短程序掃描周期，有利于提高實時系統相應的 響應速度和調節精度。
2．2 控制軟件的設計
　　四臺PLC主站的用戶程序是在基于SIEMENS公司的SIMATIC STEP7 Basis V5．0 軟件平臺上完成硬件組態、地址和站址的分配以及電弧爐和鋼包精煉爐用戶程序的設計開發的，在主程序（OB1）中將各種控制功能和各PLC站點間的通訊數據分別編寫在不同的子程序（功能塊FB、DB、FC）中，其中35KV高壓合分閘、事故高壓分閘，模擬量信號的輸入均充分考慮了現場工業運行環境的強干擾問題，在軟件設計中采用了抗干擾措施。
　　人機界面的畫面組態采 用SIEMENS公司的SIMATIC WINCC作為二次用戶程序開發的軟件平臺，在工程師站安裝WINCC－RC用于開發，操作員站安裝WINCC－RT用于運行，WINCC運行于 bbbbbbs NT V4．0 操作系統平臺之上，以增加系統運行安全和穩定性，并給用戶將來建立工廠管理網帶來方便。
現場操作人員通過分別設置在電爐和精煉爐操作員站的人機界面監視整個系統各個主要參數的運行情況；這些參數包括：
　 　輸入爐內的三相電弧電流，三相電弧電壓，三相電弧功率，電能耗的實時顯示和歷史趨勢顯示。冷卻水系統溫度監測點的水溫監測以及流量及壓力的監測和超溫越 限報警。35KV高壓系統過流、欠壓監測。電爐變壓器的各種故障報警信號監測和報警，變壓器低壓側過電流和高壓跳閘信號的監測。爐體狀態顯示及液壓系統的 工作狀態監測。同時，在不同冶煉階段爐內三相電弧工作電流的給定值、冶煉時間、35KV高壓通電時間，鋼水溫度的顯示以及各種報警參數的歷史記錄和打印報 表的生成。
2．3 通訊網絡的組態
　　網絡組態采用SIEMENS公司的SIMATIC NET，NCM S7 PROFIBUS組態軟件完成PROFIBUS S7通訊網的網絡組態。
　　在工程師站、操作員站分別設計安裝CP5412網卡，在四臺PLC主站安裝CP342－5通訊模塊，通過SIEMENS公司的PROFIBUS S7通訊電纜完成工程師站、操作員站和分別分布在電弧爐及鋼包精煉爐主控制室的四臺PLC主站之間的通訊網絡硬件組態
3 抗干擾措施的設計和實施

　　在電弧爐煉鋼的工業環境中，切實有效的硬件和軟件抗干擾措施的實施成為系統設計和工廠設計及設備制造和安裝過程中必須謹慎考慮的非常主要的環節。
　 　根據現場運行實踐證明，電爐變壓器在高壓合閘瞬間所產生的浪涌，大電流運行時變壓器所產生的強磁場，爐內電弧以及大電流線路在電弧短路時所產生的強電磁 場，電網的諧波分量等諸因素綜合起來的干擾源可視為一個從低頻到甚高頻的寬帶噪聲源，其所產生的各種干擾都將嚴重威脅系統運行及通訊網絡的安全和穩定。 故而在設計中針對各種干擾的存在考慮了以下的抗干擾措施：
3．1 隔離電源
PLC主站和遠程從站的工作電源均通過帶屏蔽的隔離變壓器完成對PLC電源供電，使PLC與大功率電氣設備的電位隔離開來，以避免供電線路帶來的噪擾。
3．2 電源濾波器
　　隔離變壓器的二次側采用電源濾波器以濾除和衰減以共模和串模形態出現的工頻干擾。共模形態出現的干擾將沿地線被濾除，串模干擾則被旁路。
3．3 有源隔離端子
　　現場引入的模擬量輸入信號和輸出信號采用有源隔離端子將由地環路引起的噪聲隔離，切斷通過現場引入的模擬量信號地環路中的噪聲通道。
3．4 模擬量輸入通道的濾波
　　三相電弧電流、電弧電壓等主要電氣參數的模擬量采樣信號輸入通道在進入PLC模擬量通道前在經過有源隔離后再由有源濾波器抑制模擬量通道中的串模干擾，在保證有用信號不被衰減的情況下*大限度地將高頻噪聲衰減，提高通道的信噪比。有源濾波能確保通道信號的增益。
3．5 模擬量通道的屏蔽
　　模擬量通道的輸入信號傳輸導線設計采用耐高溫的有屏蔽的雙絞線電纜以降低輻射干擾和電磁耦合性干擾。
3．6 數字量輸入通道的隔離
　　PLC的數字量輸入通道采用光電隔離模塊，從強電場現場環境（如高壓開關室的真空斷路器柜）引入的數字量信號在其觸點和模塊間加設中間繼電器對通道進行雙重隔離，防在真空斷路器合閘操作同時強干擾串入而引起真空斷路器誤分閘動作。
3．7 數字量輸出通道的隔離
PLC的數字量輸出通道主要驅動交流和直流感性負載，大電流負載采用中間繼電器過渡，所有通道均設計采用浪涌吸收和RC組件做為保護。
3．8 電磁屏蔽
　　工程師站和操作員站采用鋼殼機箱的工控機，系統中的電子設備亦采用屏蔽外殼，再置入控制柜臺內形成與柜臺外殼間絕緣的雙重電磁屏蔽。PLC采用懸浮安置方式將金屬安裝底版與柜殼絕緣隔離。所有電子設備均采用獨立引出的專用地線接地，柜臺的外殼則接保護地。
3．9 電子設備的浮地供電
　　電子設備的直流供電電源采用浮地供電，輸入和輸出通道直流供電電源各自獨立。計算機采用在線式UPS電源供電，電子設備采用線性電源供電，其它直流負載采用開關電源供電。
3．10 通訊電纜的敷設
　　兩個物理層的通訊電纜采用SIEMENS公司的 PROFIBUS通訊電纜（bus cable solid）?熏在敷設時單獨金屬穿管。電纜的屏蔽層通過電纜插頭的金屬外殼經PLC的通訊模塊CP和DP的接口接入獨立引出的專用地線接地。同時在電纜走向上注意避免與動力電纜平行，并盡可能遠離電爐爐體和大電流線路。
3．11 地線
電弧爐爐體外殼采用相對獨立的接地線引出接地。
電氣設備的保護接地進入工廠接地網。
　　計算機、PLC和通訊網絡及電子設備的接地則進入獨立的專用地線。浮地處理的電子設備的地線各自獨立。
3．12 電氣設備制造工藝的保證
　　電氣設備柜內的布局，柜內各種電纜和導線（動力、信號、通訊以及接地）的走向，屏蔽和接地的合理布置也是須在設計和設備制造過程中加以認真考慮的。
3．13 軟件設計中的抗干擾處理
　　合理設置PLC的硬件看門狗時間及采樣中斷時間。在程序設計中對數字量輸入信號采用脈寬甄別、鎖存、指令復執技術。在對緩變的模擬量信號進行運算處理之前采用滑動均值濾波等數字濾波技術措施。在PID調節過程中對干擾比較敏感的一是當偏差e較小時，易受影響，二是微分項易引起較大變動。前者用一階及一階滯后濾波處理，后者則用微分型PID算法。
　　設置合理的通訊波特率?熏包括PROFIBUS－S7和PROFIBUS－DP通訊物理層。

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