基于FF總線和NCS-3000系列產(chǎn)品實現(xiàn)球團豎爐控制系統(tǒng)的設(shè)計

一．概述

冶金行業(yè)中運用精料技術(shù)是高爐冶煉技術(shù)進步的具體體現(xiàn)，使用球團礦來代替鐵礦和部分燒結(jié)礦是高爐精料技術(shù)的發(fā)展，采用高鹼度燒結(jié)礦加酸性球團礦的配料來進行高爐冶煉，從而達到增產(chǎn)節(jié)支的目的。

豎爐球團的生產(chǎn)是一個較復(fù)雜的包括專門設(shè)備的電氣聯(lián)鎖和過程控制的工業(yè)燒結(jié)過程，集配料、烘干、造球、燒結(jié)、成品運輸和除塵與一體。老式豎爐以手工操作為主，各種報表都是由操作工手工制作，工人的勞動強度較大，數(shù)據(jù)信息的可靠性差，難以作為指導(dǎo)生產(chǎn)的依據(jù)；工段間生產(chǎn)信息交流具有大滯后性；由于人工看表操作，在豎爐崗位不時出現(xiàn)過燒和欠燒的情況，布料排料崗位也不時因給料設(shè)備原因會有布料不均，卸料不勻的情況，使得產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，爐體壽命受到嚴(yán)重影響，同時，設(shè)備利用率低，生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)管理不完善，也造成了生產(chǎn)原料的浪費，增加了生產(chǎn)成本。近年來， DCS 或 PLC 控制系統(tǒng)的的應(yīng)用取代了手動操作，逐步實現(xiàn)了豎爐造球系統(tǒng)的分散控制和集中監(jiān)控，但現(xiàn)場底層傳感器和數(shù)據(jù)采集器之間多采用一對一物理連線和模擬信號傳輸導(dǎo)致大量布線，信號傳輸?shù)目垢蓴_能力也較差。隨著自動控制技術(shù)，計算機技術(shù)和微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，現(xiàn)場總線技術(shù)的不斷創(chuàng)新，過程控制系統(tǒng)由第四代的 DCS 發(fā)展至今的 FCS 系統(tǒng)（現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)），被稱為第五代過程控制系統(tǒng)?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的應(yīng)用避免了智能現(xiàn)場儀表與智能控制室儀表之間的非智能連接，從而使現(xiàn)場智能儀表的各種智能功能得到淋漓盡致地發(fā)揮，同時，節(jié)省大量線纜，降低了施工和維護的成本。我們根據(jù)豎爐造球生產(chǎn)的基本工藝（見圖 1）設(shè)計了現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用沈陽中科博微公司 NCS-3000 系列產(chǎn)品， 以 FF 現(xiàn)場總線技術(shù)為核心，結(jié)合工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)和 OPC 技術(shù)，以工控機和 PC 機為系統(tǒng)組態(tài)、編程、監(jiān)控、維護和管理的一體化平臺，形成以網(wǎng)絡(luò)集成自動化系統(tǒng)為基礎(chǔ)的企業(yè)信息系統(tǒng)。由于采用現(xiàn)場總線技術(shù)，避免了現(xiàn)場智能儀表與控制室智能控制器/儀表之間的非智能連接， 使現(xiàn)場智能儀表的各種智能功能得到淋漓盡致地發(fā)揮，體現(xiàn)出現(xiàn)場總線在過程控制中的優(yōu)勢；保留了對常規(guī)儀表信號的處理功能，提供相應(yīng)的常規(guī) IO 卡件進行處理，可以隨時方便地過渡到現(xiàn)場總線，保護用戶原有投資；NCS-3000 的分布控制單元可執(zhí)行 IEC1161-3 梯形圖編程語言，完成各種邏輯控制，能夠構(gòu)成完整的控制系統(tǒng)；同時，作為國內(nèi)首家通過現(xiàn)場總線基金會一致性和互操作性測試的產(chǎn)品， NCS-3000 系統(tǒng)與其它廠商的設(shè)備實現(xiàn)了良好的互連和互操作，可對市場上取得 FF 認(rèn)證的產(chǎn)品兼容。 NCS-3000 系統(tǒng)較好解決了傳統(tǒng) DCS 及 PLC 系統(tǒng)中存在的問題，實現(xiàn)了工廠底層設(shè)備狀態(tài)、車間級監(jiān)控和工廠級信息管理的信息集成。

二．現(xiàn)場總線技術(shù)及 NCS-3000系統(tǒng)

現(xiàn)場總線技術(shù)是近十年來興起的新技術(shù)，是二十一世紀(jì)工廠自動化必不可少的關(guān)鍵技術(shù)，它是用于現(xiàn)場儀表與控制室儀表之間實現(xiàn)全分散、全數(shù)字化、智能式、雙向、多變量、多站信息交換的一種通信系統(tǒng)，是信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與工業(yè)控制技術(shù)結(jié)合的集中體現(xiàn)。目前國際上流行的現(xiàn)場總線主要有過程現(xiàn)場總線 PROFIBUS 、基金會現(xiàn)場總線 FF， LonWorks 總線， CAN 總線等，世界上許多自動化技術(shù)生產(chǎn)商都推出了支持某種主流現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品。FF 現(xiàn)場總線基金會是可互操作系統(tǒng)協(xié)議 ISP—— 基于德國的 ProfiBus 標(biāo)準(zhǔn)，和工廠儀表世界協(xié)議 WORLD （ WorldFactoryInstrumentationProtocol ） —— 基于法國的 FIP 標(biāo)準(zhǔn)于1994年 6 月合并成立的，包含 100 多個成員單位，負(fù)責(zé)制訂一個綜合 IEC/ISA 標(biāo)準(zhǔn)的國際現(xiàn)場總線。基金會現(xiàn)場總線是國際上幾家現(xiàn)場總線經(jīng)過激烈競爭后形成的一種現(xiàn)場總線，與私有的網(wǎng)絡(luò)總線協(xié)議不同， FF 總線不附屬于任何一個企業(yè)或國家，得到了世界上幾乎所有的著名儀表制造商的支持，同時遵守 IEC 的協(xié)議規(guī)劃，與 IEC 的現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn)和草案基本一致，加上它在技術(shù)上的優(yōu)勢，所以極有希望成為將來的主要國際標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)過十年的發(fā)展，基金會現(xiàn)場總線已經(jīng)形成了一個開放的、全數(shù)字化的工業(yè)通信系統(tǒng)，并在上世紀(jì)末開始進入中國市場，推動了中國的工業(yè)自動化技術(shù)進步，并開始了大型全區(qū)域系統(tǒng)集成的應(yīng)用。

NCS-3000 系統(tǒng)是以現(xiàn)場總線技術(shù)為核心、 OPC 技術(shù)為紐帶的開放的網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)，可將現(xiàn)場總線儀表、模擬儀表、分布式智能 I/O 、 DCS 、和 PLC 等工業(yè)自動化設(shè)備有機地集成在一起，為企業(yè)綜合自動化系統(tǒng)提供了一套全新的解決方案。 NCS-3000 系統(tǒng)具有以下特點：

? 以 FF 現(xiàn)場總線技術(shù)為核心， 將控制任務(wù)下放至工業(yè)現(xiàn)場的智能儀表， 實現(xiàn)了控制功能的徹底分散， 而控制功能的分散意味著危險分散，從而極大地提高了系統(tǒng)的可靠性。

? FF HSE 高速總線和 FF H1 總線相互補充，構(gòu)成企業(yè)綜合自動化系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)平臺?，F(xiàn)場總線儀表、智能 I/O 與計算機之間通過現(xiàn)場總線連成一體，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，可擴展性強，不僅降低了布線成本，而且還具有設(shè)備遠程調(diào)試和自診斷能力，維護方便。

? 不僅支持多種現(xiàn)場總線智能儀表，也支持傳統(tǒng)的模擬儀表、 DCS 和 PLC ，可以在最大程度上保護用戶的已有投資。

? 支持設(shè)備描述技術(shù)，保證了不同廠商現(xiàn)場總線設(shè)備間的客戶操作性，使用戶有很大的設(shè)備選擇空間。

? 可以集成各種流行的工業(yè)自動化設(shè)備和監(jiān)控組態(tài)軟件，是真正開放的網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)。

? 采用 OPC 標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)硬件與軟件及軟件與軟件間的信息集成，充分保證了系統(tǒng)的開放性。

? 支持 Internet ，使用戶可以通過瀏覽器對生產(chǎn)過程進行遠程監(jiān)控。

三．系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計

現(xiàn)場總線技術(shù)的核心是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)， NCS-3000 系統(tǒng)的計算機網(wǎng)絡(luò)是一個實時網(wǎng)絡(luò)，信息處理滿足實時性、完整性、一致性和可靠性的要求。

FF 總線系統(tǒng)的功能體系結(jié)構(gòu)如圖一所示，共分為五個層次。

最底層是 H1 層。它的特點是可以總線供電，可以通過中繼器延長電纜距離；網(wǎng)段的調(diào)度設(shè)備（ LAS ）可以冗余；可以在儀表中運行功能塊，使控制功能分散到現(xiàn)場儀表；可以用于本質(zhì)安全防爆環(huán)境。

第二層是 HSE 層。它是高性能的控制干線，通訊速率達到 100Mbit/s；采用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)；通過聯(lián)接設(shè)備可以集成 H1 子系統(tǒng)； HSE 可以選擇冗余；通過 HSE 不但能夠運行標(biāo)準(zhǔn)的功能塊，而且可以運行靈活功能塊，以滿足批量控制和混合控制的需要。

第三層是 OPC 數(shù)據(jù)交換層 （OPC DX） 。在這一層，服務(wù)器與服務(wù)器之間可以交換數(shù)據(jù)，從而使數(shù)據(jù)可以用于支持各種應(yīng)用軟件包，例如，應(yīng)用于 ERP 系統(tǒng)，資產(chǎn)管理系統(tǒng)（ Asset Management ），歷史數(shù)據(jù)處理，最優(yōu)化算法，數(shù)據(jù)倉庫等，通過 OPC DX 還可以與非 FF 系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交換。

第四層是上述的各種應(yīng)用軟件包在這一層運行。

第五層是 MIS 系統(tǒng)，將過程數(shù)據(jù)用于全廠管理。

根據(jù) FF 總線系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，結(jié)合豎爐造球生產(chǎn)的工藝特點，將豎爐造球控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計如下，見圖二。

如上圖所示，整個系統(tǒng)由配料烘干電氣控制系統(tǒng)、造球篩分電氣控制系統(tǒng)、豎爐本體電氣控制系統(tǒng)、成品運輸電氣控制系統(tǒng)和過程檢測（儀表）控制系統(tǒng)等子系統(tǒng)組成。過程檢測（儀表）控制系統(tǒng)包括若干 H1 子系統(tǒng)，采用總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過 HSE/H1 網(wǎng)關(guān)與網(wǎng)絡(luò)集線器連接；系統(tǒng)中的各電氣控制系統(tǒng)由 NCS-3000 FF 分布式智能 I/O 組成，將傳統(tǒng)的離散數(shù)據(jù)和過程控制中標(biāo)準(zhǔn)的 4 ～ 20mA 模擬儀表信號引入系統(tǒng)，完成安全連鎖等功能；各電氣控制系統(tǒng)、儀表控制系統(tǒng)和上位機，如操作站（人機接口），工程師站（組態(tài)與診斷），生產(chǎn)調(diào)度（企業(yè)資源計劃）工作站和管理工作站等，通過工業(yè)以太網(wǎng)與網(wǎng)絡(luò)集線器連接，采取星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

系統(tǒng)中的操作站、工程師站、生產(chǎn)調(diào)度工作站和管理工作站構(gòu)成系統(tǒng)的生產(chǎn)調(diào)度、計劃管理、信息決策網(wǎng)絡(luò)層，該層網(wǎng)上傳遞的管理數(shù)據(jù)信息量較大，實時性及安全性要求不很高，采用工業(yè)以太網(wǎng)方式互連，使系統(tǒng)具有冗余功能。用戶通過網(wǎng)絡(luò)能將生產(chǎn)決策、計劃、管理、經(jīng)營和調(diào)度等所有功能信息進行有效集成，使工廠各個職能部門和車間成為一個統(tǒng)一的整體。網(wǎng)絡(luò)各計算機主要功能是：操作站的作用是完成系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與處理、數(shù)據(jù)存儲與交換及顯示等功能；工程師站的作用是完成對設(shè)備的組態(tài)、系統(tǒng)工藝參數(shù)的設(shè)定和修改、報警上下限的設(shè)定及系統(tǒng)運行、生產(chǎn)、報警等歷史資料的顯示和查詢功能；生產(chǎn)調(diào)度工作站的作用是實現(xiàn)各車間生產(chǎn)調(diào)度自動化；管理工作站的作用是對系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)進行管理，生成管理所需的各種統(tǒng)計報表并打印。采用 OPC 標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)硬件與軟件及軟件與軟件間的信息集成，具有良好的開放性。自主開發(fā)的組態(tài)及監(jiān)控軟件各種控制算法滿足基本連續(xù)控制、邏輯控制、順序控制的要求；支持在線組態(tài)功能；支持自定義控制算法功能；支持參數(shù)自整定的能力；支持先進控制的能力；支持高級語言環(huán)境的能力。

現(xiàn)場控制網(wǎng)絡(luò)層采用現(xiàn)場總線基金會 FF H1 總線和 FF HSE 總線。儀表控制系統(tǒng)所使用的 FF 智能儀表通過 FF H1 總線按照總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)連接，根據(jù)安裝位置和功能劃分為 8 個網(wǎng)段，每個網(wǎng)段有 8-16 臺設(shè)備，各網(wǎng)段間通過 HSE/H1 接口設(shè)備與 HSE 總線按照星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)連接。 FF 現(xiàn)場總線儀表可構(gòu)成控制回路、能夠提供更多過程信息或更多維護信息，具有設(shè)備遠程調(diào)試和自診斷能力，維護方便。Hl 鏈路主設(shè)備 LAS（ 具有鏈路活動調(diào)度功能的設(shè)備，控制閥、變送器均可以有此功能 ） 可進行冗余配置。傳統(tǒng)的離散數(shù)據(jù)和過程控制中標(biāo)準(zhǔn)的 4 ～20 mA 模擬儀表信號通過NCS-3000 FF 分布式智能 I/O 引入控制系統(tǒng)，F(xiàn)F 分布式智能I/O 的主控制器間通過 FF HSE 總線互聯(lián)，安全連鎖、手 / 自動控制、數(shù)值轉(zhuǎn)換等功能由主控制器實現(xiàn)，各主控制器能獨立運行。

四．系統(tǒng)功能概述

基于 FF 現(xiàn)場總線技術(shù)的球團豎爐控制系統(tǒng)主要功能如下：

? 配料烘干電氣控制系統(tǒng)

配料烘干系統(tǒng)是豎爐焙燒球團的原料供應(yīng)部分，原料配比的精確度可直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量。配料烘干系統(tǒng)由5臺NCS-3000 FF 分布式智能 I/O 控制器來控制，每臺控制器可連接 48 點 DI/DO ，共 240 點， 控制方式有上位機自動控制、上位機手動控制、操作臺手動控制和現(xiàn)場機旁箱手動控制。系統(tǒng)包括精粉倉、電子皮帶、配料盤、皂土倉、螺旋輸送機、葉輪給料機、配料皮帶、烘干皮帶和烘干機等設(shè)備，可 根據(jù)配料要求隨意選擇參與配料的礦倉， 并在線隨時換倉；精粉倉根據(jù)設(shè)定配料量和電子秤采集的反饋量，對圓盤給料機實現(xiàn)變頻調(diào)速，構(gòu)成閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，實時調(diào)節(jié)下料量；皂土倉根據(jù)設(shè)定配料量和從葉輪給料機采集的反饋量，對葉輪給料機實現(xiàn)變頻調(diào)速，構(gòu)成閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，實時調(diào)節(jié)下料量；對配料皮帶、圓盤給料機、電子皮帶、葉輪給料機、螺旋輸送機、烘干皮帶和烘干機實現(xiàn)連鎖順序啟動 / 停止和帶料同時啟動 / 停止。

? 造球篩分電氣控制系統(tǒng)

球團豎爐工藝對造球的均勻程度和球團的密度有較高要求 ， 造球篩分控制系統(tǒng)主要完成造球生產(chǎn)過程的控制 ， 為豎爐本體焙燒提供優(yōu)質(zhì)生球。系統(tǒng)由 6 臺 NCS-3000 FF 分布式智能 I/O 控制器來控制，每臺控制器可連接 48 點 DI/DO ，共 288 點， 控制方式有上位機自動控制、上位機手動控制、操作臺手動控制和現(xiàn)場機旁箱手動控制。系統(tǒng)包括造球料倉、干料倉、配料圓盤、造球圓盤、圓輥篩、 電動卸料器、干料皮帶、返粉皮帶、返球皮帶和球料皮帶等設(shè)備，可 根據(jù)配料要求隨意選擇運行的造球倉并在線隨時換倉；根據(jù)設(shè)定下料量， 對配料圓盤實現(xiàn)變頻調(diào)速，構(gòu)成開環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，實時調(diào)節(jié)造球速度；對配料圓盤、造球圓盤、圓輥篩、 電動卸料器、干料皮帶、返粉皮帶、返球皮帶和球料皮帶 實現(xiàn)連鎖順序啟動 / 停止和帶料同時啟動 / 停止。

? 豎爐本體電氣控制系統(tǒng)

豎爐本體控制系統(tǒng)根據(jù)爐況和生產(chǎn)需要，通過調(diào)節(jié)布料車和布料皮帶的運行，控制球料向豎爐內(nèi)的投放量及投放時機，從而提高豎爐利用率及產(chǎn)品質(zhì)量。系統(tǒng)由 2 臺 NCS-3000 FF 分布式智能 I/O 控制器來控制，每臺控制器可連接 48 點 DI/DO ，共 96 點，控制方式有上位機自動控制、上位機手動控制、操作臺手動控制和現(xiàn)場機旁箱手動控制。系統(tǒng)包括布料皮帶、布料車、六輥和電振給料機等設(shè)備，根據(jù)需要調(diào)節(jié)布料車及布料皮帶運行狀態(tài)；對料皮帶、布料車、六輥和電振給料機 實現(xiàn)連鎖順序啟動 / 停止和帶料同時啟動 / 停止。

? 成品運輸電氣控制系統(tǒng)

豎爐成品系統(tǒng)是豎爐焙燒球團的最后環(huán)節(jié)，主要是對焙燒后的熟球進行冷卻，經(jīng)皮帶輸送到高爐或料場、補球倉。系統(tǒng)由3 臺 NCS-3000 FF 分布式智能 I/O 控制器來控制，每臺控制器可連接 48 點 DI/DO，共 144 點，控制方式有上位機自動控制、上位機手動控制、操作臺手動控制和現(xiàn)場機旁箱手動控制。系統(tǒng)包括鼓風(fēng)機、成品皮帶、補球皮帶、鏈板機、刮板機、振動篩和帶冷機等設(shè)備，對鼓風(fēng)機、成品皮帶、補球皮帶、鏈板機、刮板機、振動篩和帶冷機 實現(xiàn)連鎖順序啟動 / 停止和帶料同時啟動 / 停止。

? 過程檢測（儀表）控制系統(tǒng)

過程檢測（儀表）控制的目的是對生產(chǎn)過程中的主要工序和流程采用自動控制，并且對生產(chǎn)線上的主要工藝參數(shù)如流量，壓力，溫度進行實時采集，實時顯示及實時報警。報警包括上上限，上限，下限，下下限，變化率等。對物料的重量，入爐生球的重量、成品的重量、能源等進行累計和計量，可用于生產(chǎn)調(diào)度和管理。系統(tǒng)由 8 個 FF H1 總線網(wǎng)段組成， 每個網(wǎng)段有 8-16 臺 FF 現(xiàn)場總線智能儀表。由于采用了 FF 現(xiàn)場總線技術(shù)，有很強的模擬信號處理能力，控制策略被下放到現(xiàn)場智能儀表中，以溫度變送器為例，可將多個溫度信號處理后，將信息傳輸給控制器，這樣僅靠儀表設(shè)備所提供的功能塊，就能很方便地構(gòu)成所需要的控制回路，并可隨時診斷出設(shè)備的運行狀態(tài)，做到功能塊的充分冗余，使系統(tǒng)的安全性得到提高；可進行遠程調(diào)試和維護，對現(xiàn)場儀表故障快速診斷及處理。

五．結(jié)論與展望

基于 FF 現(xiàn)場總線的球團豎爐控制系統(tǒng)，以 FF 現(xiàn)場總線作為連接現(xiàn)場智能設(shè)備和自動化系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的底層通信網(wǎng)，利用現(xiàn)場總線作為通信平臺，實現(xiàn)了現(xiàn)場設(shè)備之間以及現(xiàn)場設(shè)備和高層系統(tǒng)之間進行全數(shù)字化通信，體現(xiàn)了過程測控中分散控制、集中管理的思想，達到整個工業(yè)控制系統(tǒng)的全分布式控制和全網(wǎng)絡(luò)化運轉(zhuǎn)。 NCS-3000 系列產(chǎn)品采用 FF 標(biāo)準(zhǔn)，其模塊化設(shè)計使系統(tǒng)的安裝組態(tài)乃至以后的維護變得非常簡單，為工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)的全面自動化和遠程控制提供良好的支持。

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