CN104090557A - 一种基于现场总线元件的脱碳炉信息系统及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于现场总线元件的脱碳炉信息系统及其控制方法，属于钢铁行业炼钢自动化控制领域。本发明包括人机接口单元、数据处理单元、通讯单元、位于现场的检测元件和控制元件，所述的人机接口单元、数据处理单元、通讯单元依次连接，所述的通讯单元通过现场总线用T型连接器连接到位于现场的检测元件和控制元件，将来自检测元件的检测数据传输至数据处理单元，并将经数据处理单元运算后的控制数据传输至控制元件。本发明的系统和方法采用现场总线模式，简化了现有系统的信息采集及控制结构模式，从源头减少了信号传输误差，提高了数据采集和控制系统的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及钢铁行业炼钢自动化控制领域，更具体地说，涉及一种基于现场总线元件的脱碳炉信息系统及其控制方法。
背景技术
脱碳炉是钢铁行业中炼钢生产的一个关键工序，其产品的优劣对后续轧钢生产影响重大。而脱碳炉控制系统的快速、精确的调控又是炼钢生产的重要因素，直接影响钢水的产量和质量。
在脱碳炉生产过程中，易燃、易爆气体多，金属粉尘大，电磁干扰严重，生产环境较为复杂。目前，脱碳炉控制系统基础自动化级的检测与控制元件，基本采用常规模拟量信号进行信息传递和控制。因此，信号异常波动、随机干扰、控制响应慢等问题无法彻底解决，直接影响了生产的安全、稳定运行。
中国专利申请号201210059047.6，授权公告日为2011年9月22日，发明创造名称为：基于现场总线的高炉炉顶信息采集系统及其信息采集方法，该申请案涉及一种高炉炉顶信息采集系统及其信息采集方法，包括上位机、数据采集单元、处理单元和执行单元，所述的上位机、数据采集单元、处理单元和执行单元依次连接，所述的数据采集单元通过现场总线将高炉炉顶各信息采集点连接起来并最终将所采集信息传输至处理单元；所述的高炉炉顶各信息采集点包括布料设备、探尺和阀门系统。该发明的系统和方法简化了现有信息采集的结构模式，用一根现场总线挂接多个设备，节约连接电缆与各种安装维护费用；同时避免数百个检测点和控制点的检测信号汇集到控制系统的入口处所造成的信号堵塞，增加了系统的可靠性。但是，该文献仅仅是采用数据集中采集装置前移至现场的方法，信号源数据传递依然采用常规点到点模拟信号传输，并未从根本上解决信号传递误差、防电磁干扰等影响高炉控制系统性能的问题。所以，急需采用一种有效地解决上述问题的方法，从根本上克服电磁干扰、提高信号准确度、实时掌握现场元件运行状况，确保脱碳炉系统检测与控制的稳定性、可靠性。
发明内容
1.发明要解决的技术问题
针对现有技术中脱碳炉控制系统信号受电磁干扰严重、信号异常波动、随机干扰、控制响应慢等问题，本发明提供了一种基于现场总线元件的脱碳炉信息系统及其控制方法，该系统方法采用现场总线元件技术，从源头减少了信号传输误差，提高了数据采集和控制系统的可靠性，同时减少电缆敷设量，缩减控制室面积和降低施工量、缩短工期。
2.技术方案
为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：
一种基于现场总线元件的脱碳炉信息系统，它包括人机接口单元、数据处理单元、通讯单元、位于现场的检测元件和控制元件，所述的人机接口单元、数据处理单元、通讯单元依次连接，其特征在于：所述的通讯单元通过现场总线用T型连接器连接到位于现场的检测元件和控制元件，将来自检测元件的检测数据传输至数据处理单元，并将经数据处理单元运算后的控制数据传输至控制元件；所述的检测元件包括温度传感器、压力传感器、流量传感器和位置传感器，所述的控制元件包括阀门控制单元、加料控制单元、氧枪提升单元，现场总线的检测元件和现场总线的控制元件直接连接到通讯单元。
进一步地，所述的数据处理单元包括中央处理器CPU、数据存储器、网络接口、控制与管理数学模型；所述的控制与管理数学模型具有现场测控处理数据与总线元件设备数据管理的功能；所述的数据处理单元对现场测控数据进行分析、比较、逻辑判断，产生自动控制指令，同时，数据处理单元对来自现场总线型元件的设备的自身健康状态信号进行分析、判断，完成设备的状态管理、故障预报、预维护提醒功能，基于设备状态数据，数据处理单元发出现场总线元件的自我管理允许或禁止标志，当所述的中央处理器CPU故障时，将控制权交给现场的控制元件，由控制元件根据检测元件的测量数据进行现场独立回路控制，所述的中央处理器CPU恢复正常状态后，将控制权收回，由数据处理单元继续发出控制信号。
进一步地，所述的数据处理单元采用冗余中央处理器和冗余电源。
进一步地，所述的现场总线采用Profibus-DP/PA现场总线系统，它包含通讯和供电功能，在传输数据的同时，向各现场检测元件和控制元件提供工作电源。
进一步地，所述的通讯单元采用网络连接器LINK和网络耦合器实现与所述的位于现场的检测元件和控制元件进行通信。
进一步地，所述的位于现场的检测元件和控制元件具有数据传输功能，采用直接通信的方式，具有故障自诊断功能，可进行检测元件和控制元件之间的通信及与通讯单元的通信，并集成PID控制功能。
采用权利所述的的一种基于现场总线元件的脱碳炉信息系统的控制方法，其步骤如下：
(a)现场的检测元件实时采集脱碳炉吹氧氧气压力系统信号、氧气流量系统信号、氧枪冷却水系统流量信号、温度信号、位置信号，并经通讯单元和数据处理单元处理后传输到人机接口单元进行显示、操作和预警；
(b)数据处理单元接收检测元件采集的数据，进行运算、比较、逻辑判断，产生氧气压力调节信号、氧气流量调节信号、氧枪冷却水流量调节信号、温度调节信号、位置调节信号、报警联锁信号；
(c)现场总线的控制元件接收来自数据处理单元的信号，对流程设备进行实时控制：底吹系统控制元件通过调节氩气阀门开度，调整钢水的成分；顶吹氧气系统控制元件通过调节氧气阀门开度，调整吹氧强度和脱碳量；脱碳炉和氧枪冷却水系统控制元件调节供水阀门开度，通过调整冷却水量完成对设备的保护；
(d)现场总线的检测元件和现场总线的控制元件完成检测和控制的同时，通过自身的自诊断功能，将状态信息和故障预诊断信息经通讯单元和数据处理单元处理后传输到人机接口单元；
(e)数据处理单元的控制与管理数学模型具有现场测控数据处理功能与总线元件设备数据管理功能，数据处理单元的控制模型对现场测控数据进行分析、比较、逻辑判断，产生自动控制指令，同时，管理模型对来自现场总线型元件的设备自身健康状态信号进行分析、判断，完成设备的状态管理、故障预报、预维护提醒功能。
进一步地，在步骤(e)中，基于设备状态数据，数据处理单元发出现场总线型元件的自我管理允许或禁止标志，当所述的中央处理器故障时，将控制权交给现场的控制元件，由控制元件(e)根据检测元件的测量数据进行现场独立回路PID控制，所述的中央处理器恢复正常状态后，将控制权收回，由数据处理单元继续发出控制信号。
3.有益效果
采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下显著效果：
(1)本发明的一种基于现场总线元件的脱碳炉信息系统，在整个脱碳炉上下平台之间，网络线取代了所有常规控制仪表使用的控制电缆，而且所有检测控制元件均以并联方式挂接在一根网络线上，并以数字通讯方式经通讯单元和数据处理单元与控制室的人机接口单元交换检测与控制数据，同时测控元件内部的故障自诊断功能，可将自身隐患信息在故障发生前预报给操作员，便于采取预防措施，提高了系统的可靠性；
(2)本发明的一种基于现场总线元件的脱碳炉信息系统，可将信号无损地直接进行数字传输，解决了常规模拟电流、电压信号传输过程中易受电磁干扰的问题，也省却了隔离器、信号转换器，在克服模拟电流、电压信号传递误差的同时，也节省了控制系统硬件投资，与之对应的控制柜、控制室方面的费用和施工布线的费用，与常规系统相比，也大大降低；
(3)本发明的一种基于现场总线元件的脱碳炉信息系统，采用总线型拓扑网络，物理结构简单、通讯网络的节点就是测控元件，由于采用T型连接器连接总线元件，且可进行节点预留，所以任意节点的增加或删除都不会影响网络的完整性和通信的连续性，便于系统扩容和工艺流程的优化；
(4)本发明的一种基于现场总线元件的脱碳炉信息系统控制方法，可以快速诊断故障和定位故障设备，减少停机时间，同时，通过控制系统数据处理单元的授权，控制元件利用自身集成的PID功能，可独立进行回路控制，提高了生产的安全性，同时大大降低了系统运行、维护费用。
附图说明
图1为本发明的网络整体结构示意图；
图2为本发明的检测元件模块示意图；
图3为本发明的控制元件模块示意图；
图4为本发明的数据处理单元流程示意图。
示意图中的标号说明：
1、人机接口单元；2、数据处理单元；3、通讯单元；4、检测元件；5、控制元件；6、温度传感器；7、压力传感器；8、流量传感器；9、位置传感器；10、阀门控制单元；11、加料控制单元；12、氧枪提升单元。
具体实施方式
为进一步了解本发明的内容，结合附图对本发明作详细描述。
如图1，本实施例的一种基于现场总线元件的脱碳炉信息系统，包括人机接口单元1、数据处理单元2、通讯单元3、位于现场的检测元件4和控制元件5，所述的人机接口单元1、数据处理单元2、通讯单元3依次连接，所述的通讯单元3通过现场总线用T型连接器连接到位于现场的检测元件4和控制元件5，将来自检测元件4的检测数据传输至数据处理单元2，并将经数据处理单元2运算后的控制数据传输至控制元件5；如图2，所述的检测元件4包括温度传感器6、压力传感器7、流量传感器8和位置传感器9；如图3，所述的控制元件5包括阀门控制单元10、加料控制单元11、氧枪提升单元12。
所述的数据处理单元2包括中央处理器CPU、数据存储器、网络接口、控制与管理数学模型；所述的控制与管理数学模型具有现场测控处理数据与总线元件设备数据管理的功能；所述的数据处理单元2对现场测控数据进行分析、比较、逻辑判断，产生自动控制指令，同时，数据处理单元2对来自现场总线型元件的设备的自身健康状态信号进行分析、判断，完成设备的状态管理、故障预报、预维护提醒功能，基于设备状态数据，数据处理单元2发出现场总线元件的自我管理允许或禁止标志，当所述的中央处理器CPU故障时，将控制权交给现场的控制元件5，由控制元件5根据检测元件4的测量数据进行现场独立回路控制，所述的中央处理器CPU恢复正常状态后，将控制权收回，由数据处理单元2继续发出控制信号。
所述的数据处理单元2采用冗余中央处理器和冗余电源。所述的现场总线采用Profibus-DP/PA现场总线系统，它包含通讯和供电功能，在传输数据的同时，向各现场检测元件4和控制元件5提供工作电源。所述的通讯单元3采用网络连接器LINK和网络耦合器实现与所述的位于现场的检测元件4和控制元件5进行通信。所述的位于现场的检测元件4和控制元件5具有数据传输功能，采用直接通信的方式，具有故障自诊断功能，可进行检测元件4和控制元件5之间的通信及与通讯单元3的通信，并集成PID控制功能。
对于采用上述的一种基于现场总线元件的脱碳炉信息系统的控制方法的步骤为：
(a)检测元件4中的温度传感器6、压力传感器7、流量传感器8、位置传感器9实时采集脱碳炉吹炼用氧气、氮气、氩气的温度、压力、流量信号，位置传感器9采集氧枪位置信号，上述信号通过检测元件4本身的通讯接口经现场总线传输至通讯单元3，检测元件4同时将自身的状态信息也经现场总线传输至通讯单元3。
(b)通讯单元3将来自检测元件4的低速率信号调制后传输至数据处理单元2，同时将来自数据处理单元2的高速率控制信号调制后传输至控制元件5；低速率信号传输介质为屏蔽、双芯、绞线Profibus-PA电缆，高速率信号传输介质为屏蔽、绞线Profibus-DP电缆。
(c)数据处理单元2接受通讯单元3的采集数据，进行转换、运算、逻辑判断，产生的监控数据传输至人机接口单元1，为操作员提供运行监视信息、故障报警信息、操作指导依据信息、检测元件4和控制元件5的设备状态信息；数据处理单元2同时将来自人机接口单元1的操作、控制信号传输至通讯单元3。
(d)控制元件5中的阀门控制单元10、加料控制单元11、氧枪提升单元12，经现场总线接受来自通讯单元3的控制信号，完成各设备控制功能：阀门控制单元10，调节脱碳炉冶炼用氧气、氮气、氩气的压力和流量，改变吹炼强度，达到脱碳目的；加料控制单元11，经料斗称计量，通过振动给料器完成下料量控制；氧枪提升单元12，根据通讯单元3的控制信号，通过位置传感器9的信号来调整氧枪的提升和下降，完成脱碳吹炼功能。
(e)数据处理单元2中总线元件设备数据管理模型对来自现场总线型元件的设备自身健康状态信号进行分析、判断，完成设备的状态管理、故障预报、预维护提醒功能。基于设备状态数据，数据处理单元2发出现场总线型元件的自我管理允许或禁止标志，当所述的中央处理器故障时，将控制权交给现场控制元件，由现场总线控制元件根据总线检测元件的测量数据进行现场独立回路PID控制，使控制系统故障不影响生产运行，当所述的中央处理器恢复正常状态后，将控制权收回，由数据处理单元继续接管并发出控制信号，完成生产控制功能(如图4)。
本实施例以检测元件4和控制元件5为基础构建的系统，可将信号无损地进行数字传输，从根本上解决了常规模拟信号传输过程中易受电磁干扰造成脱碳不稳定的问题，提高了控制系统响应速度，智能化的检测元件4和控制元件5使信息达到每个终端，在提高系统稳定性的同时，测控元件的自诊断功能、自身集成的PID功能及可独立进行回路控制功能，也为故障预测、减少停机提供了技术保证，提高了生产的安全性。
以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种基于现场总线元件的脱碳炉信息系统，它包括人机接口单元(1)、数据处理单元(2)、通讯单元(3)、位于现场的检测元件(4)和控制元件(5)，所述的人机接口单元(1)、数据处理单元(2)、通讯单元(3)依次连接，其特征在于：
所述的通讯单元(3)通过现场总线用T型连接器连接到位于现场的检测元件(4)和控制元件(5)，将来自检测元件(4)的检测数据传输至数据处理单元(2)，并将经数据处理单元(2)运算后的控制数据传输至控制元件(5)；
所述的检测元件(4)包括温度传感器(6)、压力传感器(7)、流量传感器(8)和位置传感器(9)，所述的控制元件(5)包括阀门控制单元(10)、加料控制单元(11)、氧枪提升单元(12)，现场总线的检测元件(4)和现场总线的控制元件(5)直接连接到通讯单元(3)。
2.根据权利要求1所述的一种基于现场总线元件的脱碳炉信息系统，其特征在于，所述的数据处理单元(2)包括中央处理器CPU、数据存储器、网络接口、控制与管理数学模型；
所述的控制与管理数学模型具有现场测控处理数据与总线元件设备数据管理的功能；所述的数据处理单元(2)对现场测控数据进行分析、比较、逻辑判断，产生自动控制指令，同时，数据处理单元(2)对来自现场总线型元件的设备的自身健康状态信号进行分析、判断，完成设备的状态管理、故障预报、预维护提醒功能，基于设备状态数据，数据处理单元(2)发出现场总线元件的自我管理允许或禁止标志，当所述的中央处理器CPU故障时，将控制权交给现场的控制元件(5)，由控制元件(5)根据检测元件(4)的测量数据进行现场独立回路控制，所述的中央处理器CPU恢复正常状态后，将控制权收回，由数据处理单元(2)继续发出控制信号。
3.根据权利要求1所述的一种基于现场总线元件的脱碳炉信息系统，其特征在于，所述的数据处理单元(2)采用冗余中央处理器和冗余电源。
4.根据权利要求1所述的一种基于现场总线元件的脱碳炉信息系统，其特征在于，所述的现场总线采用Profibus-DP/PA现场总线系统，它包含通讯和供电功能，在传输数据的同时，向各现场检测元件(4)和控制元件(5)提供工作电源。
5.根据权利要求1或2所述的一种基于现场总线元件的脱碳炉信息系统，其特征在于，所述的通讯单元(3)采用网络连接器LINK和网络耦合器实现与所述的位于现场的检测元件(4)和控制元件(5)进行通信。
6.根据权利要求2或3所述的一种基于现场总线元件的脱碳炉信息系统，其特征在于，所述的位于现场的检测元件(4)和控制元件(5)具有数据传输功能，采用直接通信的方式，具有故障自诊断功能，可进行检测元件(4)和控制元件(5)之间的通信及与通讯单元(3)的通信，并集成PID控制功能。
7.采用权利要求2所述的一种基于现场总线元件的脱碳炉信息系统的控制方法，其步骤如下：
(a)现场的检测元件(4)实时采集脱碳炉吹氧氧气压力系统信号、氧气流量系统信号、氧枪冷却水系统流量信号、温度信号、位置信号，并经通讯单元(3)和数据处理单元(2)处理后传输到人机接口单元(1)进行显示、操作和预警；
(b)数据处理单元(2)接收检测元件(4)采集的数据，进行运算、比较、逻辑判断，产生氧气压力调节信号、氧气流量调节信号、氧枪冷却水流量调节信号、温度调节信号、位置调节信号、报警联锁信号；
(c)现场总线的控制元件(5)接收来自数据处理单元(2)的信号，对流程设备进行实时控制：底吹系统控制元件通过调节氩气阀门开度，调整钢水的成分；顶吹氧气系统控制元件通过调节氧气阀门开度，调整吹氧强度和脱碳量；脱碳炉和氧枪冷却水系统控制元件调节供水阀门开度，通过调整冷却水量完成对设备的保护；
(d)现场总线的检测元件(4)和现场总线的控制元件(5)完成检测和控制的同时，通过自身的自诊断功能，将状态信息和故障预诊断信息经通讯单元(3)和数据处理单元(2)处理后传输到人机接口单元(1)；
(e)数据处理单元(2)的控制与管理数学模型具有现场测控数据处理功能与总线元件设备数据管理功能，数据处理单元(2)的控制模型对现场测控数据进行分析、比较、逻辑判断，产生自动控制指令，同时，管理模型对来自现场总线型元件的设备自身健康状态信号进行分析、判断，完成设备的状态管理、故障预报、预维护提醒功能。
8.根据权利要求1所述的一种基于现场总线元件的脱碳炉信息系统的控制方法，其特征在于，在步骤(e)中，基于设备状态数据，数据处理单元(2)发出现场总线型元件的自我管理允许或禁止标志，当所述的中央处理器故障时，将控制权交给现场的控制元件(5)，由控制元件(5)根据检测元件(4)的测量数据进行现场独立回路PID控制，所述的中央处理器恢复正常状态后，将控制权收回，由数据处理单元(2)继续发出控制信号。
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