Zusammenfassung: Angesichts der Probleme unzureichender Kommunikationsleistung, schwieriger Wartung, häufiger Störungen und des niedrigen Automatisierungsgrades des ursprünglichen automatisierten Steuerungssystems des 25-Tonnen-Konverters der Jinan Iron and Steel Group (Jinan Steel) schlägt dieser Beitrag Systemverbesserungen vor. Es wurden mehrere SPS-Systeme und eine mehrschichtige Netzwerkkommunikation entworfen sowie Anwendungssoftware für das Sauerstofflanzensystem, das Schüttgutsystem und das Gasrückgewinnungssystem entwickelt. Dies ermöglichte die unabhängige automatische Steuerung der Teilsysteme, verbesserte den Gesamtautomatisierungsgrad und schuf die Voraussetzungen für eine intelligente Stahlerzeugung und ein automatisiertes Management. Schlüsselwörter: Konverter; Automatisiertes Steuerungssystem; Modbus Plus-Netzwerk; SPS 1 Einleitung Das erste Stahlwerk der Jinan Iron and Steel Group Corporation (im Folgenden: Erstes Stahlwerk Jinan Steel) verfügt über drei 25-Tonnen-Konverter, die 1991 mit einer geplanten Jahreskapazität von 850.000 Tonnen in Betrieb genommen wurden. Aufgrund der damaligen technologischen Beschränkungen war der Automatisierungsgrad des Konvertersystems vergleichsweise niedrig. In den letzten Jahren hat Jinan Steel umfangreiche Forschung, Modifizierung und Weiterentwicklung des automatisierten Steuerungssystems des 25-t-Konverters durchgeführt. Dadurch wurde der Ausstattungsstandard des automatisierten Steuerungssystems deutlich verbessert und die Produktionsanforderung von 2,4 Millionen Tonnen Stahl pro Jahr erfüllt. 2. Nachrüstungskonzept für das automatisierte Steuerungssystem des Konverters 2.1 Prozessanforderungen an die Konvertersteuerung Das automatisierte Steuerungssystem des 25-t-Konverters besteht aus dem Hauptkonvertersteuerungsbereich, dem Peripheriegerätesteuerungsbereich und dem Energieträgersteuerungsbereich. Es umfasst: Steuerung und Positionsanzeige der Konverterkörperneigung, Steuerung und Positionsanzeige der Sauerstofflanze, Steuerung und Anzeige der Schüttgutzufuhr, Steuerung der Konverterwasserkühltür, Steuerung der Abzugshaube, Steuerung der Staubabsaugung und Gasrückgewinnung, Steuerung der Verdampfungskühlung sowie die Instrumentensteuerung für Energieträger wie Sauerstoff, Stickstoff, Gas und Kühlwasser. Diese Systeme führen nicht nur verschiedene Prozessschritte aus, sondern sind auch miteinander verbunden und bilden ein eng integriertes Ganzes, das eine kontinuierliche Produktion in 25-Minuten-Zyklen ermöglicht. 2.2 Problemanalyse Das ursprüngliche automatisierte Steuerungssystem des 25-t-Konverters war in zwei Hauptteile unterteilt. Ein Teil war der Hauptkonverterkörperbereich mit einer 984-SPS. Jeder Konverter verfügte über eine Hauptstation und zwei E/A-Unterstationen, die hauptsächlich die Konverterneigung, die Positionierung der Sauerstofflanze, das Hochdruckkühlwasser, das Stickstoffdichtungssystem, die Schüttgutzufuhr, das Anheben der Abzugshaube sowie die externe Verriegelung der Sauerstofflanzen und der Neigung steuerten. Der andere Teil war das verteilte Instrumentierungssystem MICON-200, ein Satz pro Konverter. Es steuerte hauptsächlich die Verriegelung des Sauerstofflanzenversorgungssystems und des Sauerstofflanzentransportsystems, die automatische Anpassung und Regelung der Stickstoff- und Argonzufuhrsysteme für die Bodenblasung sowie die automatische Verriegelung des Schüttgutwiege- und -zuführungssystems. Es übernahm die Überwachung, Alarmanzeige und dynamische Bildschirmdarstellung des gesamten Konvertersystems und war über die UI-Karte der Kommunikationseinheit C-200 mit der Haupt-SPS 984 verbunden. Das ursprüngliche Automatisierungssteuerungssystem des 25-t-Konverters: Nach der Inbetriebnahme des 25-t-Konverters im Jahr 1991 traten einige Probleme im Automatisierungssystem auf, hauptsächlich: (1) Die Kommunikationsleistung zwischen der System-SPS und MICON-200 war unzureichend. Eine Vielzahl wichtiger Signale und Verriegelungspunkte, die zwischen der SPS und dem MICON-200 übertragen werden, sind über Kabel direkt mit dem E/A-Modul des Schleifenreglers P-200 und der SPS verbunden. Dies ist kompliziert und unzuverlässig. (2) Die Wartung ist schwierig. Das MICON-200-System stellt hohe Anforderungen an die Umgebungsbedingungen, hat eine kurze Lebensdauer und eine geringe Flexibilität der Steuerplatine. (3) Das SPS-System ist nicht optimal konfiguriert, insbesondere am Produktionsstandort der E/A-Station, wo starker Rauch und Staub zu zahlreichen Ausfällen führen. (4) Das System weist einen niedrigen Automatisierungsgrad auf, mit vielen externen Relaisverriegelungen und einer mangelhaften Integration der drei elektrischen Systeme. 2.3 Anforderungen an die Modifizierung (1) Aus praktischen Gründen sollte das automatische Steuerungssystem des Umrichters an die tatsächliche Produktion und Wartung vor Ort angepasst werden. (2) Es sollte eine hohe Unabhängigkeit aufweisen. Die drei Umrichter sollten voneinander unabhängig sein, und auch die Steuerungssysteme desselben Umrichters sollten einen gewissen Grad an Unabhängigkeit aufweisen. (3) Es sollte einen gewissen Entwicklungsstand aufweisen. Nach der Modifizierung soll das System einen hohen Automatisierungsgrad aufweisen und die Voraussetzungen für die zukünftige Realisierung intelligenter Stahlerzeugung und automatisierter Steuerung schaffen. (4) Es soll wirtschaftlich rentabel sein und eine hohe Input-Output-Effizienz aufweisen. 2.4 Modifizierungsplan (1) Einsatz mehrerer SPS-Systeme zur Ausführung ihrer jeweiligen, relativ unabhängigen Steuerungsfunktionen. (2) Einsatz mehrschichtiger Netzwerkkommunikation zur Vermeidung von Systemausfällen aufgrund von Kommunikationsfehlern. (3) Realisierung eines industriellen Steuerungsmodus, der elektrische, instrumentelle und Computersysteme integriert. (4) Das System kann Daten mit dem Informationsverteilungsnetz und dem Stahlerzeugungsmanagementnetz austauschen. (5) Es verfügt über ein einfaches Fehlerdiagnosesystem zur Verbesserung der Fehlerbehebungsgeschwindigkeit. Modifiziertes Umrichterautomatisierungssystem 3 Inhalt der Systemmodifikation 3.1 Umrichter-SPS-Steuerungssystem Wie in Abbildung 2 dargestellt, besteht das gesamte Umrichterautomatisierungssystem aus mehreren SPS. Die Haupt-SPS jedes Umrichters verwendet einen Quantum-140CPU21304-Host und verfügt über 2 Remote-I/O-Substationen. Die Anlage verfügt über drei Überwachungsstationen, die hauptsächlich die Überwachung und Steuerung von Sauerstofflanzengas und -wasser, des Schüttgutsystems sowie des Gasrückgewinnungssystems übernehmen. Die Antriebs-SPS jedes Konverters basiert auf einem 984-E685-Host und verfügt über eine Überwachungsstation, die die Frequenzumrichter für die Konverterneigung und das Heben der Sauerstofflanze steuert und den Betrieb überwacht. Der gemeinsame Bereich der drei Konverter besteht ebenfalls aus mehreren SPS. Die SPS für Vergasung, Beschickung usw. basieren auf einem 984-685-Host und verfügen über eine Überwachungsstation, die die Überwachung und Steuerung des Vergasungskühlsystems und des Beschickungssystems der drei Konverter übernimmt. Durch den Wegfall aller Sekundärinstrumente ist die Integration der drei elektrischen Systeme realisiert. Die Stahlwiege-SPS verwendet eine 984-685-Haupteinheit und ist primär für das Wiegen und Anzeigen des flüssigen Stahls aus den drei Konvertern zuständig. Die Informations-SPS verwendet eine Quantum140CPU21304-Haupteinheit, und drei Überwachungsstationen sind eingerichtet, um Produktionsinformationen des Stahlwerks zu übertragen und zu überwachen. Die Wahl der 984- oder Quantum-SPS erfolgte hauptsächlich, um die vorhandene 984-SPS weiter zu nutzen und den Nachrüstungsaufwand zu reduzieren. 3.2 Kommunikationsnetzwerkstruktur Das Kommunikationsnetzwerk des Umrichterautomatisierungssystems ist mehrschichtig aufgebaut und besteht primär aus einem Modbus Plus (MB+)-Netzwerk, um Interferenzen zwischen den Systemen zu minimieren. Das Modbus Plus-Netzwerk verwendet kostengünstige Twisted-Pair-Kabel, um die Kommunikation zwischen Computer, Steuerung und anderen Datenquellen zu ermöglichen. Redundante Koaxialkabel dienen der Kommunikation zwischen der Haupt-SPS, der Verdampfungs-SPS und den entfernten E/A-Stationen über Kommunikationsmodule. Die Kommunikation zwischen jeder SPS und der Überwachungsstation innerhalb jedes Umrichters erfolgt durch Hinzufügen eines Kommunikationsmoduls NOM zur SPS und Installation einer SA85-Netzwerkkarte an der Überwachungsstation. Dadurch wird ein Modbus Plus-Netzwerk mit der Modbus Plus-Schnittstelle des NOM-Moduls gebildet. Die hierarchische Netzwerkgliederung erfolgt über das NOM-Modul, die Segmentierung des Modbus Plus-Netzwerks über eine Netzwerkbrücke. Auf diese Weise verfügt das Kommunikationsnetzwerk zwischen den drei Umrichtern über drei Plus-Netzwerksegmente und zweistufige Netzwerkeinstellungen. Dies verbessert die Gesamtbetriebsgeschwindigkeit des Netzwerks und reduziert das Ausfallrisiko im Steuerungssystem der Hauptproduktionsanlagen. Das gesamte Umrichter-Plus-Netzwerk zeichnet sich durch folgende Merkmale aus: (1) Die Netzwerkplanung und -gestaltung ist einfach und übersichtlich, die Installation unkompliziert und kostengünstig. (2) Jedes SPS-System im Netzwerk fungiert als gleichwertige MB+-Netzwerk-Slave-Station und liefert die Überwachungsparameter. Jeder Überwachungsrechner ist als gleichwertige MB+-Netzwerk-Master-Station fungiert und verwaltet die Token in der Netzwerkkommunikation. Jeder Überwachungsrechner kann den von jedem SPS-System im MB+-Netzwerk gesteuerten Produktionsprozess überwachen. (3) Dank seiner Peer-to-Peer-Architektur kann jedes Überwachungssystem jedes SPS-System beliebig überwachen. Dadurch dient jeder Überwachungsrechner als Backup für die anderen, und die Netzwerkkomponenten lassen sich problemlos erweitern und austauschen. (4) Das Netzwerk bietet eine hohe Kommunikationsrate und starke Echtzeit-Steuerungsfähigkeit und verursacht keine Steuerungsverzögerungen. Darüber hinaus kann das Kommunikationsnetzwerk über das PLC-Ethernet-Modul NOE mit dem Produktionsinformationsnetzwerk verbunden werden. Zusammen mit den von der Gießanlage übertragenen Informationen bildet es eine solide technische Grundlage für ein umfassendes und fortschrittliches Produktionsprozessmanagementmodell. 3.3 Entwicklung der Anwendungssoftware Die Anwendungssoftware für die Konverterautomatisierung umfasst im Wesentlichen: (1) Entwicklung spezifischer SPS-Steuerungsprogramme: Hierbei werden die Parameter festgelegt und die Steuerungsmethoden entsprechend den Prozessanforderungen ausgewählt. Zudem werden spezifische geschlossene PID-Regelungen und andere Steuerungen für das Regelobjekt implementiert. Durch den Einsatz eines Multi-SPS-Systems erfüllt die Reaktionszeit der CPU die Anforderungen an Prozessanpassung und -steuerung vollständig. (2) Entwicklung des Betriebssystems und des Prozesssteuerungsmodells für die Überwachungsstation: Die industrielle Automatisierungssoftware der FIX-Serie dient hauptsächlich der Entwicklung der Überwachungsstation mit Prozessablaufdiagramm für das Regelobjekt. Das Prozesssteuerungsmodell wird mit der Microsoft SQL 7.0-Datenbank und der Programmiersprache VB entwickelt. 3.3.1 Software-Design des Sauerstofflanzensystems Die Überwachungsstation, die Haupt-SPS und die Übertragungs-SPS sind in zwei Steuermodi programmiert: „automatisch“ und „manuell“. Die Hauptaufgabe der Übertragungs-SPS besteht darin, den Sollwert für die Lanzenposition oder den manuellen Sollwert für die Geschwindigkeit von der Überwachungsstation zu empfangen, spezielle Punktsignale aus dem Feld, Signale des Sauerstofflanzen-Übertragungsgeräts sowie von der Haupt-SPS gesendete Signale für Wasser, Gas, Spannung und andere Verriegelungen der Sauerstofflanze zu empfangen und Befehle an den Frequenzumrichter der Sauerstofflanze zu senden, um diese unter Einhaltung aller Bewegungsbedingungen anzuheben, abzusenken oder anzuhalten sowie die Bremse der Sauerstofflanze zu öffnen. Das Lanzenbewegungsprogramm empfängt im automatischen Steuermodus den Sollwert für die Lanzenposition, speichert ihn im internen Register, vergleicht ihn mit der vom Encoder erfassten Ist-Position der Lanze und bestimmt so die Hub- und Senkgeschwindigkeit. Das entsprechende Steuersignal wird an den Steueranschluss des Frequenzumrichters gesendet. Gleichzeitig passt die Sauerstofflanze in Verbindung mit der entsprechenden Bremsbetätigung die vorgegebene Hub- und Senkgeschwindigkeit während des Hub- und Senkvorgangs kontinuierlich an die Ist-Position der Lanze an, um eine präzise Positionierung zu gewährleisten. Im manuellen Steuermodus steuert der Bediener Hub-, Senk- und Stoppvorgänge sowie die Hub- und Senkgeschwindigkeit anhand der Lanzenpositionsanzeige. Die Hauptaufgaben der Haupt-SPS sind: die Erfassung aller analogen Größen des Sauerstofflanzensystems und die Durchführung einer PID-Regelung bestimmter analoger Größen gemäß den Prozessanforderungen; das Senden von Verriegelungssignalen an die Antriebs-SPS und der Empfang von Lanzenpositionssignalen von dieser. Die Sauerstoffdurchflussregelung wird anhand einer Standardformel auf Basis der empfangenen Soll-Lanzenposition, der erfassten Sauerstofftemperatur, des Drucks, der Durchflusssignale und der akustischen Schlackenbildungssignale berechnet; der berechnete Durchflusswert dient als Eingangswert für die PID-Regelung. Ebenso erfolgt die Kühlwasserregelung mittels PID-Regelung auf Basis der Ein- und Auslasswassertemperaturen, der Sollwerte für den Durchfluss und des Drucks. Die Steuerung schaltet automatisch zwischen Sauerstoff und Stickstoff um, basierend auf dem Anbohrsignal und dem Lanzenpositionssignal, und verhindert Schlackenspritzer zum Schutz des Ofens. Die Überwachungsstation empfängt und zeigt die von der Haupt-SPS und der Antriebs-SPS gesendeten Verriegelungszustände der Sauerstofflanze an. Sowohl im automatischen als auch im manuellen Modus sendet das System den Sollwert für die Lanzenposition oder die manuell eingestellte Geschwindigkeit an die Übertragungs-SPS und empfängt und zeigt die tatsächliche Lanzenposition an. Verschiedene Prozessparameter werden während des Blasprozesses dynamisch dargestellt. Entsprechend den Prozessanforderungen werden mehrere Datentabellen für automatische Sauerstofflanzenprogramme im Überwachungsrechner gespeichert. Im Automatikmodus können nach Auswahl eines Programms gemäß den Blasanforderungen die Einstellung und Anpassung der Lanzenposition und des Sauerstoffdurchflusses während des gesamten Schmelzprozesses automatisch erfolgen. 3.3.2 Die Software des Schüttgutsystems programmiert die Haupt-SPS und die Überwachungsstation im automatischen und manuellen Modus. Sie dient der Steuerung von 8 Vibrationsförderern, 4 Wiegebehältern und 4 Luftventilen gemäß den Prozessanforderungen. Im Automatikmodus werden mehrere vom Prozess vorgegebene Förderprogramme im Überwachungsrechner hinterlegt. Nach Auswahl eines Programms wird während des Blasprozesses die Fördermenge zeitabhängig an die Haupt-SPS übermittelt. Die SPS steuert die Materialzufuhr und -wiegung automatisch gemäß den Sollwerten. Der gesamte Zufuhrvorgang wird auf der Überwachungsstation angezeigt. Im manuellen Modus erfolgt die Bedienung über die Tastatur der Überwachungsstation basierend auf der dynamischen Anzeige der Materialzufuhr. Die Betriebsinformationen werden an die Haupt-SPS übertragen, welche die Materialzufuhr steuert. Die Anwendungssoftware für den Konverter umfasst außerdem Software für das Kippsystem, das Verdampfungs- und Reinigungssystem, die Gasrückgewinnung, das Hochdruckgebläsesystem und das Fehlerdiagnosesystem. 4. Fazit: Der Produktionsplan des 25-Tonnen-Konverters von Jinan Iron and Steel ist sehr eng getaktet, sodass die Modifizierung des Automatisierungssystems nur während der wenigen jährlichen Wartungsintervalle erfolgen kann. Da das Automatisierungssystem mehrschichtig vernetzt ist und mehrere SPSen nutzt, eignet sich die schrittweise Umstellung in mehreren Phasen mit jeweils eigener, betriebsabhängiger Steuerung. Gasrückgewinnung, Verdampfungs- und Reinigungssteuerung, das Bodengebläsesystem und das Hochdruckgebläsesystem arbeiten bereits vollautomatisch. Die Optimierung und Steuerung der Sauerstofflanze und der Materialzuführungssysteme sind im Gange, wodurch ein intelligentes Stahlerzeugungsmodell weiter verfeinert und entwickelt wird. Die intelligente Stahlerzeugung wird realisiert, sobald der richtige Zeitpunkt gekommen ist.