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摘 要： 介绍了西林钢铁集团阿城钢铁厂80t转炉控制系统。讨论了ControlLogix集成架构在控制系统中的应用及特点。对转炉控制系统硬件和软件组成进行了分析，对主要传动设备进行了介绍。
关键词： 转炉；ControlLogix；集成架构
1 概述
转炉炼钢是现代钢铁企业中最常见和最成熟的工艺过程。控制系统的性能对于转炉炼钢工艺起到关键性的作用，高效稳定的控制系统对生产率、钢水品质、能源消耗等指标起到积极的作用。转炉控制系统经过多年的发展，如今已呈现出控制系统成型化的趋势。
ControlLogix是罗克韦尔推出的集成架构自动化平台产品，该产品将三级自动化网络整合其中，为工程技术人员提供了从现场设备、基础自动化到过程自动化的一整套解决方案。从最常见的PLC顺序控制到传动单元的伺服运动控制，ControlLogix
为工程师提供了解决方案。罗克韦尔公司将ControlLogix定义为集成架构平台，一个开发环境下包含了过程控制、高速顺序控制、伺服控制、PLC或机器人等。平台搭建好后各种控制器之间的通信网络透明化，统一调试及维护。在转炉控制系统中，对于分散的子系统及多类型的传动设备而言，集成架构具有良好的应用前景。故阿钢80t转炉控制系统采用此平台。
2 网络结构
转炉控制系统采用三级控制网络对受控设备进行监控。ControlLogix与现场总线设备（编码器等）通信采用DeviceNet网络。主机架与扩展机架间，及主机架与主要传动控制单元间采用ContralNet网络进行连接。各子系统之间，PLC与工程师站，操作站之间采用EtherNet/IP网络进行连接。
DeviceNet是一种基于CAN技术的低成本高性能通信网络。现已成为国际标准和国家标准设备网。DeviceNet网络支持最高64个节点的主从网络，数据传输波特率从128KB/s～512KB/s
可调，设备电源可由总线直接提供或由外部电源提供。转炉倾动角度编码器和氧枪枪位编码器通过一条DeviceNet总线把数字量信号提供给控制系统。ControlNet采用生产者/消费者模式，通信效率高，速度快。并采用A/B网冗余的物理层结构，保证了机架之间及机架与传动单元之间通信的稳定性。ControlNet具有良好的扩展性，网络节点规划好之后，只需将配置文件下载给ControlNet控制器即可。
EtherNet/IP是建立在标准UDP/IP或TCP/IP上的工业以太网应用层协议。正因为网络层和传输层采用标准UDP/IP或TCP/IP协议，EtherNet/IP可以和现行采用标准以太网的设备连接。该网络具有高速带宽，为控制器和工程师站、工作站之间的大量数据交换提供了保证；该网络具有良好的热插拔扩展能力，维护人员可以通过各个电气室或操作室中的路由器对设备进行监控和诊断。
3 PLC系统配置
整个转炉控制系统包括1个转炉主操作室和5个现场操作室及若干个电气室。按照工艺系统上位机划分为转炉本体操作站、散装料下料操作站、余热锅炉操作站、底吹操作站、铁合金下料操作站、除尘操作站、吹氩站操作站、二次除尘操作站、数据服务器及两个工程师站；下位机划分为转炉本体、转炉底吹、散装料下料、余热锅炉、铁合金下料、吹氩站、散装料上料、一次除尘、二次除尘。
转炉本体PLC由1个主机架和3个扩展机架组成。主机架采用1756-A10，包括电源模块，CPU，两组ControlNet接口模块，一组DeviceNet接口模块及空槽模块；扩展机架采用1756-A13背板，包括ControlNet接口模块及DI、DO、AI、AO模块。
散装料下料PLC包含一个主机架和2个扩展机架。主机架采用1756-A10背板，包含CPU模块，两组ControlNet接口模块及空槽模块；扩展机架采用1794作为各类输入输出模块。
余热锅炉PLC由1个主机架，3个扩展机架及若干分布式IO组成。主机架采用1756-A10，包括电源模块，CPU，两组ControlNet接口模块，两组第三方接口模块，可提供对PROFIBUS-DP网络的支持；扩展机架采用1756-A13背板，包括ControlNet接口模块及各类输入输出模块；分布式IO通过PROFIBUS-DP网络与主机架连接。
铁合金下料、吹氩站和散装料上料PLC都是由1个主机架和一个扩展机架组成。主机架采用1756-A10，包括电源模块和两组ControlNet模块；扩展机架采用1794作为各类输入输出模块。
转炉底吹、一次除尘和二次除尘PLC系统由成套商提供，通过Ethernet和各系统进行信号交互。
4 传动控制
转炉最重要的传动控制包括转炉倾动和氧枪升降。
转炉倾动采用4台电机对刚性扭力杆输出转矩。通过PLC系统协调4台变频器的输出电流以达到4台电机同步出力的效果。采用4台Power Flex700s变频器来驱动4台倾动电机，一台变频器为主控，其他3台为从控。每台倾动电机出轴设测速编码器，在转炉耳轴设置倾动角度编码器。变频器是基于磁场定向控制方式的驱动单元，在磁场定向控制中，变频器接收由速度基准值选择模块制定的速度基准值，该数值来自于PLC系统的程序设定，通过ControlNet发送至变频器。速度调节器把基准值和反馈进行比较，并运用比例积分增益来调整电动机的转矩基准值，该转矩基准值试图操作电机转矩以跟随速度基准值。通过高带宽电流调节器，转矩基准值转化为电动机电流中的转矩电流。因此，在磁场定向控制中，磁通和转矩电流单独的被控制。变频器可以设置速度或力矩两种控制方式。倾动主控单元采用速度控制，根据PLC的给定速度运行，实时测量电机定子电流，也就是电机的力矩电流。将测量值通过PLC系统处理后实时发送给从控单元，从控单元采用力矩控制，根据主电机的出力状态跟随给定，从而实现同步。为防止生产过程中突然发生的故障，配置变频器向PLC发送状态信号，如主电机发生故障，PLC则将主控权交给一台从电机，从而实现主从电机的无扰动切换。阿钢80t转炉为负力矩转炉，设定前倾状态为正向速度。在转炉前倾动过程中，电机速度为正值，功率为正值，电机为功率输出状态；在转炉从前倾位置回零过程中，电机速度为负值，功率为负值，电机为发电状态；在转炉后倾过程中，电机速度为负值，功率为正值，电机为功率输出状态；在转炉从后倾位置回零过程中，电机速度为正值，力矩为负值，电机为发电状态。当电机为发电状态时，转炉的势能通过电机转变为电能，传递至变频器。变频器内部制动单元将能量输出到制动电阻，最终，以热量的形式耗散。制动电阻选择除满足制动功率需求外，还应考虑制动功率在短时内的峰值，为安全性考虑，阻值选择留有较大余量。 氧枪升降电机通过1台Power Flex700s变频器来驱动升降电机。电机出轴设增量型编码器来测量电机转速。减速机低速出轴设绝对值编码器测量氧枪枪位。变频器采用磁场定向控制方式来拖动负载，采用速度控制方式。氧枪升降对设备运行的安全性要求很高，枪位除编码器测量外，另外设置一套主令开关，正常生产时使用较为精确的绝对值编码器，当产生编码器自检故障信号时，切换到主令开关控制氧枪位置。
5 软件组态及HMI画面
控制系统软件采用RSLinx，RSLogix5000，Networx-ControlNet，Networx-DeviceNet，RSViewSE等。
RSLinx是集成架构平台的通信软件，是整个软件系统的中心，所有软硬件通过RSLinx实现透明的连接。另外，RSLinx提供OPC接口，作为OPC server为控制系统的数据采集提供支持。各底层控制器在RSLinx中映射成为一个连接名，控制器下各I/O模块根据其被规划的位置形成一个树形的数据结构，数据自动按类型分配地址，工程师面对的是数据对象，除用户和现场设备交互的信号外，树形结构中包含了所用控制系统硬件的诊断信息和控制字。
RSLogix5000是集成架构平台最重要的编程软件，顺序控制的逻辑和传动设备的配置都在其中用统一的界面编制和配置。程序的编制可以采用面向对象的方式，提供了多种用户自定义的数据结构和封装方式。编制程序可以通过结构化文本、梯形图、功能块等多种方式。
Networx是ControlNet或DeviceNet网络的配置软件。软件可以自行扫描硬件连接无误的所有网络节点，而忽略每个节点本身的类型和占用地址，将自动分配节点号且诊断网络状态，如状态无误，则生成一个网络配置文件，工程师只需将文件下载到网络控制器中，整个网络就可以正常工作了。对于冗余的ControlNet来说，A/B网各自的运行状态可以现在软件中诊断，状态提供给工程师。如发生故障，工程师可以凭此作为分析故障的依据。
RSViewSE是组态画面软件。通过OPC Client方式访问或修改RSLinx中的数据。因此RSViewSE可以同时访问多个OPC server。用户可以采用RSViewSE中的变量映射OPC server中的数据，也可以直接应用OPC Server中数据的状态。
6 结语
西林钢铁集团阿城钢铁厂80t转炉投产至今，控制系统运行状态稳定，性能良好。集成架构平台结构紧凑，维护方便的优势明显，得到业主的一致好评。
关键词： 转炉；ControlLogix；集成架构
1 概述
转炉炼钢是现代钢铁企业中最常见和最成熟的工艺过程。控制系统的性能对于转炉炼钢工艺起到关键性的作用，高效稳定的控制系统对生产率、钢水品质、能源消耗等指标起到积极的作用。转炉控制系统经过多年的发展，如今已呈现出控制系统成型化的趋势。
ControlLogix是罗克韦尔推出的集成架构自动化平台产品，该产品将三级自动化网络整合其中，为工程技术人员提供了从现场设备、基础自动化到过程自动化的一整套解决方案。从最常见的PLC顺序控制到传动单元的伺服运动控制，ControlLogix
为工程师提供了解决方案。罗克韦尔公司将ControlLogix定义为集成架构平台，一个开发环境下包含了过程控制、高速顺序控制、伺服控制、PLC或机器人等。平台搭建好后各种控制器之间的通信网络透明化，统一调试及维护。在转炉控制系统中，对于分散的子系统及多类型的传动设备而言，集成架构具有良好的应用前景。故阿钢80t转炉控制系统采用此平台。
2 网络结构
转炉控制系统采用三级控制网络对受控设备进行监控。ControlLogix与现场总线设备（编码器等）通信采用DeviceNet网络。主机架与扩展机架间，及主机架与主要传动控制单元间采用ContralNet网络进行连接。各子系统之间，PLC与工程师站，操作站之间采用EtherNet/IP网络进行连接。
DeviceNet是一种基于CAN技术的低成本高性能通信网络。现已成为国际标准和国家标准设备网。DeviceNet网络支持最高64个节点的主从网络，数据传输波特率从128KB/s～512KB/s
可调，设备电源可由总线直接提供或由外部电源提供。转炉倾动角度编码器和氧枪枪位编码器通过一条DeviceNet总线把数字量信号提供给控制系统。ControlNet采用生产者/消费者模式，通信效率高，速度快。并采用A/B网冗余的物理层结构，保证了机架之间及机架与传动单元之间通信的稳定性。ControlNet具有良好的扩展性，网络节点规划好之后，只需将配置文件下载给ControlNet控制器即可。
EtherNet/IP是建立在标准UDP/IP或TCP/IP上的工业以太网应用层协议。正因为网络层和传输层采用标准UDP/IP或TCP/IP协议，EtherNet/IP可以和现行采用标准以太网的设备连接。该网络具有高速带宽，为控制器和工程师站、工作站之间的大量数据交换提供了保证；该网络具有良好的热插拔扩展能力，维护人员可以通过各个电气室或操作室中的路由器对设备进行监控和诊断。
3 PLC系统配置
整个转炉控制系统包括1个转炉主操作室和5个现场操作室及若干个电气室。按照工艺系统上位机划分为转炉本体操作站、散装料下料操作站、余热锅炉操作站、底吹操作站、铁合金下料操作站、除尘操作站、吹氩站操作站、二次除尘操作站、数据服务器及两个工程师站；下位机划分为转炉本体、转炉底吹、散装料下料、余热锅炉、铁合金下料、吹氩站、散装料上料、一次除尘、二次除尘。
转炉本体PLC由1个主机架和3个扩展机架组成。主机架采用1756-A10，包括电源模块，CPU，两组ControlNet接口模块，一组DeviceNet接口模块及空槽模块；扩展机架采用1756-A13背板，包括ControlNet接口模块及DI、DO、AI、AO模块。
散装料下料PLC包含一个主机架和2个扩展机架。主机架采用1756-A10背板，包含CPU模块，两组ControlNet接口模块及空槽模块；扩展机架采用1794作为各类输入输出模块。
余热锅炉PLC由1个主机架，3个扩展机架及若干分布式IO组成。主机架采用1756-A10，包括电源模块，CPU，两组ControlNet接口模块，两组第三方接口模块，可提供对PROFIBUS-DP网络的支持；扩展机架采用1756-A13背板，包括ControlNet接口模块及各类输入输出模块；分布式IO通过PROFIBUS-DP网络与主机架连接。
铁合金下料、吹氩站和散装料上料PLC都是由1个主机架和一个扩展机架组成。主机架采用1756-A10，包括电源模块和两组ControlNet模块；扩展机架采用1794作为各类输入输出模块。
转炉底吹、一次除尘和二次除尘PLC系统由成套商提供，通过Ethernet和各系统进行信号交互。
4 传动控制
转炉最重要的传动控制包括转炉倾动和氧枪升降。
转炉倾动采用4台电机对刚性扭力杆输出转矩。通过PLC系统协调4台变频器的输出电流以达到4台电机同步出力的效果。采用4台Power Flex700s变频器来驱动4台倾动电机，一台变频器为主控，其他3台为从控。每台倾动电机出轴设测速编码器，在转炉耳轴设置倾动角度编码器。变频器是基于磁场定向控制方式的驱动单元，在磁场定向控制中，变频器接收由速度基准值选择模块制定的速度基准值，该数值来自于PLC系统的程序设定，通过ControlNet发送至变频器。速度调节器把基准值和反馈进行比较，并运用比例积分增益来调整电动机的转矩基准值，该转矩基准值试图操作电机转矩以跟随速度基准值。通过高带宽电流调节器，转矩基准值转化为电动机电流中的转矩电流。因此，在磁场定向控制中，磁通和转矩电流单独的被控制。变频器可以设置速度或力矩两种控制方式。倾动主控单元采用速度控制，根据PLC的给定速度运行，实时测量电机定子电流，也就是电机的力矩电流。将测量值通过PLC系统处理后实时发送给从控单元，从控单元采用力矩控制，根据主电机的出力状态跟随给定，从而实现同步。为防止生产过程中突然发生的故障，配置变频器向PLC发送状态信号，如主电机发生故障，PLC则将主控权交给一台从电机，从而实现主从电机的无扰动切换。阿钢80t转炉为负力矩转炉，设定前倾状态为正向速度。在转炉前倾动过程中，电机速度为正值，功率为正值，电机为功率输出状态；在转炉从前倾位置回零过程中，电机速度为负值，功率为负值，电机为发电状态；在转炉后倾过程中，电机速度为负值，功率为正值，电机为功率输出状态；在转炉从后倾位置回零过程中，电机速度为正值，力矩为负值，电机为发电状态。当电机为发电状态时，转炉的势能通过电机转变为电能，传递至变频器。变频器内部制动单元将能量输出到制动电阻，最终，以热量的形式耗散。制动电阻选择除满足制动功率需求外，还应考虑制动功率在短时内的峰值，为安全性考虑，阻值选择留有较大余量。 氧枪升降电机通过1台Power Flex700s变频器来驱动升降电机。电机出轴设增量型编码器来测量电机转速。减速机低速出轴设绝对值编码器测量氧枪枪位。变频器采用磁场定向控制方式来拖动负载，采用速度控制方式。氧枪升降对设备运行的安全性要求很高，枪位除编码器测量外，另外设置一套主令开关，正常生产时使用较为精确的绝对值编码器，当产生编码器自检故障信号时，切换到主令开关控制氧枪位置。
5 软件组态及HMI画面
控制系统软件采用RSLinx，RSLogix5000，Networx-ControlNet，Networx-DeviceNet，RSViewSE等。
RSLinx是集成架构平台的通信软件，是整个软件系统的中心，所有软硬件通过RSLinx实现透明的连接。另外，RSLinx提供OPC接口，作为OPC server为控制系统的数据采集提供支持。各底层控制器在RSLinx中映射成为一个连接名，控制器下各I/O模块根据其被规划的位置形成一个树形的数据结构，数据自动按类型分配地址，工程师面对的是数据对象，除用户和现场设备交互的信号外，树形结构中包含了所用控制系统硬件的诊断信息和控制字。
RSLogix5000是集成架构平台最重要的编程软件，顺序控制的逻辑和传动设备的配置都在其中用统一的界面编制和配置。程序的编制可以采用面向对象的方式，提供了多种用户自定义的数据结构和封装方式。编制程序可以通过结构化文本、梯形图、功能块等多种方式。
Networx是ControlNet或DeviceNet网络的配置软件。软件可以自行扫描硬件连接无误的所有网络节点，而忽略每个节点本身的类型和占用地址，将自动分配节点号且诊断网络状态，如状态无误，则生成一个网络配置文件，工程师只需将文件下载到网络控制器中，整个网络就可以正常工作了。对于冗余的ControlNet来说，A/B网各自的运行状态可以现在软件中诊断，状态提供给工程师。如发生故障，工程师可以凭此作为分析故障的依据。
RSViewSE是组态画面软件。通过OPC Client方式访问或修改RSLinx中的数据。因此RSViewSE可以同时访问多个OPC server。用户可以采用RSViewSE中的变量映射OPC server中的数据，也可以直接应用OPC Server中数据的状态。
6 结语
西林钢铁集团阿城钢铁厂80t转炉投产至今，控制系统运行状态稳定，性能良好。集成架构平台结构紧凑，维护方便的优势明显，得到业主的一致好评。