在高爐自動化控制系統(tǒng)中現(xiàn)場總線技術有什么應用？

一前言

工業(yè)現(xiàn)場總線技術是近年來自動化行業(yè)最為關注的技術之一，給自動化控制技術帶來了很大的進步?，F(xiàn)場總線（Fieldbus）是近年來迅速發(fā)展起來的一種工業(yè)數(shù)據(jù)總線，它主要解決工業(yè)現(xiàn)場的智能化儀器儀表、控制器、執(zhí)行機構等現(xiàn)場設備間的數(shù)字通信以及這些現(xiàn)場控制設備和高級控制系統(tǒng)之間的信息傳遞問題。由于現(xiàn)場總線簡單、可靠、經(jīng)濟實用等一系列突出的優(yōu)點，因而受到了許多標準團體和計算機廠商的高度重視。現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（Fieldbus Control System，F(xiàn)CS）使用一條通信電纜將現(xiàn)場設備（智能化、帶有通信接口）連接，用數(shù)字化通信代替4-20mA/24VDC 信號，完成現(xiàn)場設備控制、監(jiān)測、遠程參數(shù)化等功能。它具有很多優(yōu)點，在工業(yè)自動化領域有明顯的優(yōu)勢，如集成性高、組態(tài)簡單、設計安裝方便、易于維護和擴展、可以節(jié)約軟硬件投資等，使先進的現(xiàn)場設備管理功能得以實現(xiàn)?，F(xiàn)場總線（Fieldbus）是20世紀80年代末、90年代初國際上發(fā)展形成的，用于現(xiàn)場總線技術過程自動化、制造自動化、樓宇自動化等領域的現(xiàn)場智能設備互連通訊網(wǎng)絡。它作為工廠數(shù)字通信網(wǎng)絡的基礎，溝通了生產(chǎn)過程現(xiàn)場及控制設備之間及其與更高控制管理層次之間的聯(lián)系。它不僅是一個基層網(wǎng)絡，而且還是一種開放式、新型全分布控制系統(tǒng)。

武鋼煉鐵廠從2003年六號高爐新建工程開始嘗試使用現(xiàn)場總線，這也是全國首例在高爐系統(tǒng)中采用總線。在六號高爐剛投產(chǎn)之初，一場意外導致主控樓失火，將爐頂布料和熱風爐系統(tǒng)幾乎所有電氣線路燒壞，按照傳統(tǒng)的現(xiàn)場級控制方式起碼要半個月的恢復時間，但因為使用了現(xiàn)場總線，電纜數(shù)量很少，我們僅用了三天時間就恢復了生產(chǎn)，使高爐提前十幾天恢復生產(chǎn)，突出顯示了高爐現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)在維護和搶修方面相對于傳統(tǒng)的現(xiàn)場控制方式的強大優(yōu)勢。

二傳統(tǒng)的高爐自動化控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀及不足

高爐系統(tǒng)主要由爐頂上料系統(tǒng)、槽上和槽下供料系統(tǒng)、卷揚系統(tǒng)、噴煤系統(tǒng)、熱風爐系統(tǒng)、爐前出鐵場系統(tǒng)和INBA渣處理系統(tǒng)等構成，生產(chǎn)工藝復雜，分散點多，環(huán)境條件特殊，對電氣設備的要求非常高，這就造成了電氣自動化系統(tǒng)非常龐雜，故障率高，維護量大。

目前我國高爐所采用的控制基本上是傳統(tǒng)的現(xiàn)場控制方式。傳統(tǒng)的現(xiàn)場級與車間級自動化監(jiān)控及信息集成系統(tǒng)（包括：基于PC、PLC、DCS產(chǎn)品的分布式控制系統(tǒng)），其主要特點之一是，現(xiàn)場層設備與控制器之間的連接是一對一（一個I/O點對設備的一個測控點）所謂I/O接線方式，信號傳遞4-20mA（傳送模擬量信息）或24VDC（傳送開關量信息）信號。如圖1所示：

從圖我們可以看出，這種傳統(tǒng)的現(xiàn)場級自動化監(jiān)控系統(tǒng)有幾個缺點：

（1）信息集成能力不強；

（2）系統(tǒng)不開放、可集成性差、專業(yè)性不強；

（3）可靠性不易保證，它的主要缺點在于主機入口處的瓶頸現(xiàn)象。

由于現(xiàn)場及設備多，且比較分散，信號進入PLC后，必須經(jīng)過A/D、D/A的轉換過程，且精確度有所降低，迫使PLC 的掃描周期加長，使整個主機性能下降，威脅到高爐各種信號的實時性。影響到高爐控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

三基于現(xiàn)場總線的高爐自動化控制系統(tǒng)的原理及特點

Profibus 是唯一的全集成H1（過程）和H2（工廠自動化）的現(xiàn)場總線解決方案，是一種不依賴于制造商的開放式現(xiàn)場總線標準。PROFIBUS，是一種國際化。開放式。不依賴于設備生產(chǎn)商的現(xiàn)場總線標準。PROFIBUS傳送速度可在 9.6kbaud~12Mbaud范圍內選擇且當總線系統(tǒng)啟動時，所有連接到總線上的裝置應該被設成相同的速度。廣泛適用于制造業(yè)自動化、流程工業(yè)自動化和樓宇、交通電力等其他領域自動化。PROFIBUS是一種用于工廠自動化車間級監(jiān)控和現(xiàn)場設備層數(shù)據(jù)通信與控制的現(xiàn)場總線技術?？蓪崿F(xiàn)現(xiàn)場設備層到車間級監(jiān)控的分散式數(shù)字控制和現(xiàn)場通信網(wǎng)絡，從而為實現(xiàn)工廠綜合自動化和現(xiàn)場設備智能化提供了可行的解決方案。

Profibus根據(jù)應用特點分為Profibus-DP ， Profibus-FMS ， Profibus-PA三個兼容版本。其中，Profibus-DP（H2）是一種經(jīng)過優(yōu)化的高速通信連接，專為自動控制系統(tǒng)和設備級分散I/O之間的通信設計的，可用于分布式控制系統(tǒng)的高速數(shù)據(jù)傳輸，其傳輸速率可達12Mbit/s，一般構成單主站系統(tǒng)。

Profibus的特點為可使分散式數(shù)字化控制器從現(xiàn)場層到車間級網(wǎng)絡化，該系統(tǒng)分為主站和從站。主站決定總線的數(shù)據(jù)通信，當主站得到總線控制權（令牌）時，沒有外界請求也可以主動發(fā)送信息。從站為外圍設備，典型的從站包括輸入輸出設備，控制器，驅動器和測量變送器。

現(xiàn)場總線是以單個分散的、數(shù)字化、智能化的測量和控制設備作為網(wǎng)絡節(jié)點，用總線相連接，實現(xiàn)相互交換信息，共同完成自動控制功能的網(wǎng)絡系統(tǒng)與控制系統(tǒng)。它適合于替代價格昂貴的 24V DC和 4～20mA測量信號平行傳輸線路。在節(jié)省線路與設備的同時，也為武鋼煉鐵廠的以太網(wǎng)系統(tǒng)提供了現(xiàn)場級的控制功能。其原理如下圖2所示：

從圖中我們可以看到現(xiàn)場總線主要有以下優(yōu)點：

（1）減少設備（如隔離器、端子點數(shù)），節(jié)省工程費用。

（2）由于免去了D/A及A/D轉換的過程，使信號精確度r提高。

（3）可以避免上千個檢測點和控制點的檢測信號匯集到DCS 的入口處所造成的信號堵塞，而是把控制功能下放到現(xiàn)場，增加了系統(tǒng)的可靠性。

（4）組態(tài)簡單，安裝、運行、維護簡便；

（5）采用IP67的防護等級，使之完全適合高爐現(xiàn)場的惡劣環(huán)境。

四武鋼煉鐵廠總線監(jiān)控及組態(tài)方式

4.1與PLC的總線接口

武鋼煉鐵廠采用施耐德PLC（Quantum系列），它采用PTQ模塊對總線進行組態(tài)，PTQ模塊支持工業(yè)總線Profibus-DP協(xié)議，具有很強的擴展性，機架上掛接一塊PTQ模塊，利用Profibus-DP 協(xié)議從工業(yè)總線上采集數(shù)據(jù)、控制現(xiàn)場設備的運行。通過Turck公司提供的GSD文件，PROFIBUS – DP的DP即Decentralized Periphery。它具有高速低成本，用于設備級控制系統(tǒng)與分散式I／O的通信。它與PROFIBUS－PA（Process Automation ）、PROFIBUS-FMS （Fieldbus Message Specification ）共同組成了PROFIBUS標準。組態(tài)圖如圖3：

4.2計算機監(jiān)控

在總線監(jiān)控畫面中，我們采用Wonderware公司的Intouch軟件進行監(jiān)控，可以監(jiān)控每個總線模塊的通訊狀態(tài)，當出現(xiàn)總線報警時，我們很快就可以通過總線確認出現(xiàn)故障的設備，有效地提高了故障搶修的時間。Intouch 一種工業(yè)自動化組態(tài)軟件，Wonderware公司產(chǎn)品。Wonderware 公司成立于 1987 年，是在制造運營系統(tǒng)率先推出 Microsoft Windows 平臺的人機界面（HMI）自動化軟件的先鋒。世界第一家推出組態(tài)軟件的公司。InTouch HMI軟件用于可視化和控制工業(yè)生產(chǎn)過程。它為工程師提供了一種易用的開發(fā)環(huán)境和廣泛的功能，使工程師能夠快速地建立、測試和部署強大的連接和傳遞實時信息的自動化應用。InTouch軟件是一個開放的、可擴展的人機界面，為定制應用程序設計提供了靈活性，同時為工業(yè)中的各種自動化設備提供了連接能力。