曹陽，來威，陳兵，烏孝天，關(guān)爽

（鞍鋼集團(tuán)朝陽鋼鐵有限公司，遼寧 朝陽 122000）

提升機(jī)是干熄焦生產(chǎn)的核心設(shè)備之一，該設(shè)備自動化程度高，其中PLC控制系統(tǒng)是提升機(jī)設(shè)備自動控制的核心。由于提升機(jī)生產(chǎn)現(xiàn)場環(huán)境惡劣、熱輻射溫度高、現(xiàn)場電磁干擾強(qiáng)，且提升機(jī)操作室為平移設(shè)備，通訊電纜需在與其配套的坦克鏈中同步移動，工作彎曲半徑較小，因此所需抗拉能力較強(qiáng)。目前，國內(nèi)絕大部分提升機(jī)PLC總站與操作室分站間通訊均為DP電纜通訊，具有抗干擾性差、不可遠(yuǎn)距離傳輸?shù)热秉c，易導(dǎo)致PLC通訊報警甚至故障停機(jī)。在技術(shù)高速發(fā)展的今天，光纖通訊已經(jīng)取代了很多傳統(tǒng)的通訊方式，為了解決DP電纜缺陷導(dǎo)致的PLC通訊報警甚至故障停機(jī)問題，同時考慮到普通光纖易折、不耐拉伸的情況，鞍鋼集團(tuán)朝陽鋼鐵有限公司 （以下簡稱 “朝陽鋼鐵”）決定采用柔性光纜代替DP電纜完成提升機(jī)PLC控制系統(tǒng)地面站與空中操作室站間的通訊工作，本文對此做一介紹。

1 提升機(jī)控制系統(tǒng)DP電纜存在問題

1.1 干熄焦提升機(jī)控制系統(tǒng)

干熄焦提升機(jī)控制系統(tǒng)主要由車架、運行機(jī)構(gòu)、起升機(jī)構(gòu)、焦罐吊具以及電控系統(tǒng)組成，是干熄焦系統(tǒng)的核心設(shè)備，用于將運送至提升井架下裝滿紅焦（約1 050℃）的焦罐提升到干熄爐頂，并沿軌道橫移走行至干熄爐裝入料斗上方，然后下降并與裝入裝置相配合，將紅焦裝入干熄爐內(nèi)，裝焦完成后，再將空焦罐送回到焦罐臺車上。該設(shè)備屬于起重特種設(shè)備，提升高度約35 m，橫向走行距離12.6 m。具有熱輻射強(qiáng)、粉塵大、連續(xù)作業(yè)、移動作業(yè)的特點。其電控系統(tǒng)為西門子S7-400PLC，雙頭熱備冗余工作模式，通訊方式為DP電纜通訊，下設(shè)4個分站，其中3個分站為地面分站，與主站通訊距離均不超過10 m，操作室分站與主站通訊距離約450 m，且通訊電纜需經(jīng)過坦克鏈與操作室同步移動。干熄焦提升機(jī)PLC控制系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖1所示。

圖1 干熄焦提升機(jī)PLC控制系統(tǒng)拓?fù)鋱DFig.1 Topological Diagram for PLC Control System of CDQ Hoist

1.2 DP電纜存在問題

影響干熄焦提升機(jī)PLC系統(tǒng)DP通訊網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定的因素有PROFIBUS-DP的傳輸距離和強(qiáng)磁干擾。

（1）PROFIBUS-DP的傳輸距離

表1 為PROFIBUS-DP的波特率與傳輸距離的對應(yīng)表。

表1 PROFIBUS-DP的波特率與傳輸距離的對應(yīng)表Table 1 Correspondence Table between Baud Rate and Transmission Distance of PROFIBUS-DP

根據(jù)現(xiàn)場試驗可知，朝陽鋼鐵提升機(jī)S7-400PLC系統(tǒng)波特率設(shè)置≥1 500 bps時，通訊模塊報警消失；波特率設(shè)置≤500 bps時，會不間斷出現(xiàn)PLC通訊閃斷狀況。由于朝陽鋼鐵干熄焦提升機(jī)地面PLC地面站與空中操作室分站通信距離約450 m，波特率應(yīng)設(shè)為 187.5 bps，但如此設(shè)置后頻繁出現(xiàn)無故障停機(jī)現(xiàn)象，經(jīng)專業(yè)軟件檢定后，發(fā)現(xiàn)通訊存在閃斷現(xiàn)象。

（2）強(qiáng)磁干擾

對DP通訊網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的電磁干擾絕大部分來自變頻器產(chǎn)生的電磁干擾和動力電纜與通訊電纜混鋪產(chǎn)生的電磁干擾。朝陽鋼鐵提升機(jī)PLC總站PLC柜與變頻器室在同一配電室內(nèi)，受電磁干擾較強(qiáng)，且由于初期建設(shè)原因，部分通訊電纜與動力電纜存在混鋪情況，對通訊產(chǎn)生電磁干擾。由于生產(chǎn)連續(xù)性的特點，以上問題均為短期內(nèi)無法解決問題。

2 柔性光纜應(yīng)用實踐

由于干熄焦提升機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)用DP電纜通訊易出現(xiàn)PLC通訊報警甚至故障停機(jī)問題，因此考慮使用光纖通訊代替DP電纜通訊完成干熄焦提升機(jī)PLC控制系統(tǒng)地面站與空中操作室分站間的通訊，并進(jìn)行應(yīng)用實踐。

2.1 光纖通訊及柔性光纜性能對比

2.1.1 光纖通訊

色譜柱：XSelect? HSS T3-C18（150 mm×4.6 mm，5 μm）；流動相：乙腈（A）-0.5%醋酸溶液（B），梯度洗脫（洗脫程序見表2）；流速：1.0 mL/min；檢測波長：360 nm；柱溫：25 ℃；進(jìn)樣量：10 μL。

光纖通信技術(shù)的工作原理是：先將需要傳輸?shù)男畔⒔?jīng)過發(fā)送端轉(zhuǎn)變成電信號，利用激光器將調(diào)制好的電信號通過激光束發(fā)送出去。光的強(qiáng)度會根據(jù)電信號的頻率而不斷發(fā)生變化。將信息傳送到接收端后，再通過檢測器把光信號轉(zhuǎn)變成電信號。最后利用解調(diào)的手段把電信號中的信息復(fù)原。

相比于傳統(tǒng)DP電纜通訊，光纖通訊具有諸多優(yōu)點，具體如下：

（1）容量大，距離遠(yuǎn)。一根光纖通信容量最高可達(dá)20 THz，商業(yè)使用的光纖通信系統(tǒng)可以達(dá)到400 Gbps，這個傳輸效率可以短時間內(nèi)傳輸大量的資料，而且損耗極低。光纖的主要成分是石英，在波長達(dá)到1.55 μm的情況下可以達(dá)到0.22 dB/km的損耗率，這是任何一個傳統(tǒng)傳輸介質(zhì)都無法達(dá)到的數(shù)值。

（2）抗干擾。光纖傳輸不僅擁有良好的屏蔽信號干擾的能力，對電磁干擾也有不錯的抗性，傳統(tǒng)的電通信受電磁干擾困擾已久，但是光傳輸?shù)墓饫w能夠很好的避免這一問題，保證傳輸質(zhì)量。

（3）體積小，重量輕。光纖設(shè)備因為材質(zhì)原因，體積更小，重量更輕，有利于運輸，架設(shè)條件要求低。

（4）環(huán)保節(jié)約。石英在自然界大量存在，采用光纖通信技術(shù)作為主要通信技術(shù)，可以大大節(jié)約以稀有金屬為主要媒介的，例如電通信這一類通信技術(shù)的資源損耗。

（5）無輻射、保密強(qiáng)。光波無法跑出光纖之外，不會對人身體造成損害。而且以光傳輸?shù)男畔㈦y以被截斷竊聽，增加了信息的保密性。

（6）鋪設(shè)要求低。光纜能夠適應(yīng)多種環(huán)境，對鋪設(shè)條件要求低，而且材質(zhì)耐用，能夠使用更長時間，節(jié)約成本。

但普通光纖也存在明顯缺點，包括光纖內(nèi)部全是玻璃纖維，性質(zhì)較脆，易破損，以及彎曲半徑過小時，易出現(xiàn)光路阻斷現(xiàn)象。

2.1.2 柔性光纜

由于普通光纖存在明顯缺點，因此考慮使用柔性光纜。柔性光纜剖面結(jié)構(gòu)如圖2所示。其在普通光纖的基礎(chǔ)上具有如下特點：①適合反復(fù)拖拽運動。②保護(hù)層彈性等級高，保護(hù)韌性強(qiáng)，可更好的保護(hù)光纖免受損壞。③彎曲半徑大，適合反復(fù)彎曲和彎折。

圖2 柔性光纜剖面結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Section Structure Diagram for Flexible Optical Cable

2.2 柔性光纜應(yīng)用實踐

改造分為軟、硬件兩部分工作。改造后干熄焦提升機(jī)PLC控制系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖3所示。

圖3 改造后干熄焦提升機(jī)PLC控制系統(tǒng)拓?fù)鋱DFig.3 Topological Diagram for PLC Control System of CDQ Hoist after Upgrading

（1）硬件部分：分別在提升機(jī)PLC地面站末端分站和空中操作室分站增設(shè)交換機(jī)，末端分站出線端DP電纜連至交換機(jī)入口端，交換機(jī)出口端連接柔性光纜，該柔性光纜自地面經(jīng)坦克鏈鋪至提升機(jī)空中操作室并接入操作室端交換機(jī)入口端，操作室端交換機(jī)出口端連接DP電纜，至此硬件部分改造完畢。

（2）軟件部分：將波特率改為187.5 bps，操作完成后做網(wǎng)絡(luò)組態(tài)匹配連接工作，然后重啟工控機(jī)即可完成該項工作。

3 應(yīng)用效果及效益分析

3.1 應(yīng)用效果

朝陽鋼鐵經(jīng)過反復(fù)模擬試驗及現(xiàn)場測試，確定柔性光纜可以用于提升機(jī)坦克鏈的多頻次、大半徑的運行方式，于2019年上線運行后至今未出現(xiàn)通訊報警故障，開創(chuàng)了國內(nèi)柔性光纜在干熄焦提升機(jī)使用的先例。

此次改造大大改善了干熄焦提升機(jī)PLC控制系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡(luò)運行的穩(wěn)定性，排除了由通訊網(wǎng)絡(luò)帶來的設(shè)備隱患，能夠?qū)崿F(xiàn)在200 ms以內(nèi)將提升機(jī)頂部設(shè)備信號傳輸至系統(tǒng)CPU內(nèi)，保證了PLC設(shè)備對現(xiàn)場設(shè)備運行狀態(tài)的及時反映出，并能夠第一時間將CPU指令發(fā)送至現(xiàn)場設(shè)備。在使用壽命方面，由于原DP電纜為普通型通訊電纜，耐磨抗拉扯能力較弱，為保障PLC系統(tǒng)的穩(wěn)定性，朝陽鋼鐵通常將其更換周期定為2年，但改造后的柔性光纜耐磨度、抗拉扯能力均較DP電纜提升很多，更換周期可延至5年，在很大程度上節(jié)約了設(shè)備維護(hù)費用。改造前后設(shè)備情況對比見表2。

表2 改造前后設(shè)備情況對比Table 2 Comparison of Equipment Conditions before and after Upgrading

3.2 效益分析

（1）經(jīng)濟(jì)效益

干熄焦的直接經(jīng)濟(jì)效益即日產(chǎn)蒸汽創(chuàng)效=日產(chǎn)蒸汽總價值-除鹽水成本-電耗成本=干熄焦日產(chǎn)蒸汽×蒸汽單價-干熄焦日產(chǎn)蒸汽量×除鹽水折合比×除鹽水單價-日消耗電量×電耗單價=1 331×3.3×28.27-1 331×1.2×7-42 000×0.52≈91 150 元。

由于干熄焦系統(tǒng)停產(chǎn)，朝陽鋼鐵為維持生產(chǎn)必定組織濕熄焦生產(chǎn)。統(tǒng)計可知，干熄焦較濕熄焦成本降低約100元/t，銷售價格高50元/t，因此干熄焦較濕熄焦利潤高150元/t。據(jù)生產(chǎn)事故統(tǒng)計，改造前因提升機(jī)通訊故障導(dǎo)致的干熄焦停機(jī)時間為29 h。已知焦化廠日產(chǎn)焦炭約3 000 t，改造后未發(fā)生通訊故障導(dǎo)致停機(jī)的情況，由此可計算得出經(jīng)濟(jì)效益=（29/24）×91 150 元+（29/24）×150×3 000=653 889元。

此次改造共投入85 320元，則改造的最終直接年收益為=653 889-85 320=568 569元≈57萬元。

（2）運行效益

干熄焦為朝陽鋼鐵的重要生產(chǎn)工序，不僅關(guān)系焦炭的產(chǎn)出質(zhì)量，且由于其鍋爐產(chǎn)生的蒸汽為熱電的3機(jī)組提供蒸汽，保證干熄焦提升機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定運行即保證了全公司的電力平衡。

（3）環(huán)保效益

改造后未發(fā)生通訊故障導(dǎo)致停機(jī)的情況，避免了朝陽鋼鐵為維持生產(chǎn)組織濕熄焦生產(chǎn)，污染物排放增多的情況，環(huán)保效益顯著。

4 結(jié)語

鞍鋼集團(tuán)朝陽鋼鐵有限公司干熄焦提升機(jī)PLC控制系統(tǒng)原應(yīng)用DP電纜通訊，常發(fā)生通訊報警甚至故障停機(jī)，為解決此問題，進(jìn)行了以柔性光纜代替?zhèn)鹘y(tǒng)DP電纜完成干熄焦提升機(jī)PLC控制系統(tǒng)地面站與空中操作室分站間通訊的應(yīng)用實踐，開創(chuàng)了國內(nèi)柔性光纜在干熄焦提升機(jī)使用的先例。運行至今未出現(xiàn)通訊報警故障，干熄焦系統(tǒng)穩(wěn)定運行，改造當(dāng)年直接經(jīng)濟(jì)效益約為57萬元，不僅保證了全公司的電力平衡，同時環(huán)保效益顯著，值得推廣和借鑒。