采用現(xiàn)場總線和PLC技術實現(xiàn)高爐自動化控制系統(tǒng)的設計

一、引言

工業(yè)現(xiàn)場總線技術是近幾年自動化行業(yè)最為關注的技術之一，給各行各業(yè)的自動化控制技術帶來了一次質(zhì)的飛躍。

現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（Fieldbus Control System，F(xiàn)CS）是由各種現(xiàn)場儀表通過互連與控制室內(nèi)人機界面所組成的系統(tǒng)；一個全分散、全數(shù)字化、全開放和可互操作的生產(chǎn)過程自動控制系統(tǒng)。也正是由于這些特點，以現(xiàn)場總線作為技術支撐的FCS在工業(yè)自動化領域有明顯的優(yōu)勢，諸如很高的精確性、組志簡單、設計安裝方便、易于維護和擴展、可以節(jié)約軟硬件投資等，被稱為第五代控制系統(tǒng)，成為當今工業(yè)自動化發(fā)展的必然趨勢。它使過程控制領域的自動化裝置由DCS向FCS過渡，DDC（直接數(shù)字控制）功能將徹底分散到現(xiàn)場，使先進的現(xiàn)場設備管理功能得以實現(xiàn)。現(xiàn)場總線已廣泛應用于各個領域，如電力監(jiān)控、能源管理、自動測試系統(tǒng)等等。

我廠高爐生產(chǎn)主要由高爐系統(tǒng)、噴煤系統(tǒng)、熱風系統(tǒng)、卷揚系統(tǒng)及槽下部分等構成，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。將開放、成熟的德國TURCK公司的工業(yè)現(xiàn)場總線技術應用到5＃高爐生產(chǎn)中去，在我公司取得了良好的效果。

二、高爐自動化控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀

我公司以前的高爐生產(chǎn)自動化控制系統(tǒng)采用美國GE 公司的Series 90－70／30的 PLC設備，此設備運行穩(wěn)定，可靠性高?，F(xiàn)場設備的各種開關及模擬信號通過信號電纜匯到PLC模板處，供PLC采集，進行處理，然后輸出，控制現(xiàn)場設備運轉，來滿足高爐生產(chǎn)的需要。如圖1所示：

圖1DCS控制圖

從上圖可以看出：

整個系統(tǒng)的關鍵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從轉換過程，且精確度有所降低，這樣就迫使PLC 的掃描周期加長，不利于主機騰出手來從事優(yōu)化工作，使整個主機性能下降，直接威脅到高爐各種信號的實時性。

另外，現(xiàn)場及設備所處的環(huán)境特殊，與之相連接的電纜比較多，維護量大，故障率高，影響到整個高爐自動化控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

三、現(xiàn)場總線的選用

1. 現(xiàn)場總線的優(yōu)點

PY fibllsoP現(xiàn)場總線是Pr。fiblls現(xiàn)場總線的一個性能優(yōu)化版本，專門用于自動化系統(tǒng)與分布式外圍設備之間的臨界通信任務。這種總線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。

德國TURCK公司開發(fā)的工業(yè)現(xiàn)場總線是現(xiàn)場儀表、設備與控制室系統(tǒng)之間的一種開放、全數(shù)字化、雙向通信與多站的通信系統(tǒng)，為我廠已建成的千兆位以大網(wǎng)系統(tǒng)提供了現(xiàn)場級的控制功能。這次我煉鐵廠5＃高爐大修選用TURCK公司的工業(yè)現(xiàn)場總線，可避免幾千個檢 測點和控制點的檢測信號匯集到DCS 的入日處所造成的信號堵塞，從而把60％以上的控制功能下放到現(xiàn)場儀表，增加了系統(tǒng)的安全性和可靠性。

采用現(xiàn)場總線主要有以下優(yōu)點：

（1）可以減少1／2—2／3的隔離器、端子柜、I／O柜、l／O終端，這樣大大節(jié)省了10裝置及裝置室的空間；

（2）由于免去了D／A及A／D轉換的過程，使信號精確度可以從±0．5％提高到±0．1％；

（3）由于可以將PID功能植入到變送器或執(zhí)行器中去，使控制周期大為縮短。目前可以從DCS的每秒調(diào)節(jié)2－3次增加到每秒10－20次，從而改善了調(diào)節(jié)性能；

（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。

2.5＃高爐大修工業(yè)現(xiàn)場總線的組態(tài)方式

為使TURCK公司開發(fā)的工業(yè)現(xiàn)場總線產(chǎn)品更好地應用到生產(chǎn)中去，必須使之與高爐主 PLC（GE公司 series 90．30）系統(tǒng)有機地結合在一起。

5＃高爐系統(tǒng)由高爐、熱風、噴煤、卷揚及槽下（包括除塵）部分組成。每個部分都負責一定的區(qū)域，它們之間既相互獨立，又密不可分，相互聯(lián)系。任何一個環(huán)節(jié)出問題，都將導致高爐的直接休風，影響生產(chǎn)。

為此，以上各個部分都配有自己獨立的 series 90－30 PLC控制系統(tǒng)，且從各自的PLC 總線接口分別架設一條工業(yè)現(xiàn)場總線到各自所負責的區(qū)域。PLC通過各自的總線系統(tǒng)采集現(xiàn)場的實時數(shù)據(jù)進行處理及控制。這樣，就可以使復雜的高爐生產(chǎn)系統(tǒng)分成五部分總線來設計，避免總線的連接過于復雜，有利于工業(yè)現(xiàn)場總線優(yōu)勢的發(fā)揮。5＃高爐總線布置圖如圖2：

圖2 5＃高爐總線布置圖

高爐各個部分的PLC之間利用已建成的千兆位局域網(wǎng)進行通訊，相互聯(lián)系。把現(xiàn)場的實時數(shù)據(jù)提供給操作者進行參考，由此判斷爐況。

（1）與PLC的總線接口

GE公司的主PLC設備，支持工業(yè)總線Profibus-DP協(xié)議，具有很強的擴展性，機架上掛接一塊總線接口PBM模板，利用Profibus-DP 協(xié)議來完成從工業(yè)總線上采集數(shù)據(jù)、傳遞信息的任務，控制現(xiàn)場設備的運行。

為使PBM模板能夠正常工作，要求CPU的軟件版本在8.0以上，因而PLC 主處理模塊采用GE 公司新推出的IC693 CPU364。為保持其兼容性，使用GE公司自己開發(fā)的Vesapro組態(tài)軟件，通過Turck公司提供的GSD文件來完成對總線的配置。

組態(tài)圖如圖3：

圖3 組態(tài)圖

（2）總線的連接方式

數(shù)字量輸入／輸出模板的每個模板都有電源接口、總線接口，以及連至現(xiàn)場設備的控制接口。我們采用“點保護”方式，這樣由于各模板上的點相互獨立，不會因為其它點的故障而導致整個系統(tǒng)的停止運行，符合了高爐生產(chǎn)的特殊需要。而模擬量輸人／輸出模板采用的是“組保護”方式，通過隔離器，經(jīng)總線電纜連至PLC。

總線模板支持最高12Mbd 的通訊速率，它可以自動調(diào)節(jié)到主站的通訊速率，模板地址由保護蓋下的兩個旋鈕開關來設定，它可設定為0—99。

Profibus-DP總線由M12 eurofast＠接插件連接，電源由5針7/8ˊˊ minifast＠接插件連接。如圖4所示：

圖4

其中有二根專用電纜：

a. 電源電纜

采用一棵專用的電源電纜為各總線模塊供電，通過總線供電單元來實現(xiàn)。該供電單元由總線電源及總線輔助電源構成。分別通過兩路直流24V電源單獨供電。這樣，數(shù)字量輸入／輸出模塊可直接利用總線電源進行工作，而模擬量輸入／輸出模塊除自身利用總線電源外，還可利用總線輔助電源，對現(xiàn)場的智能化儀表進行供電，方便至極。每個模塊上均有一個綠／紅的指示燈（LED）指示ON狀態(tài)或短路狀態(tài)，易于觀察和查找故障。

b. 總線電纜

使用Profibus-DP協(xié)議進行通訊的專用總線通訊電纜，采用先進的全屏蔽設計，以防止信號的干擾。它把分散在現(xiàn)場的各個模塊連接在一起，共用一條總線，以數(shù)字方式進行通信與傳送，能夠達到信息的采集、傳輸，處理最佳的集成與協(xié)調(diào)。然后，通過總線模板（PBM）與PLC 設備相連接，每條總線的末端加上終端電阻。若總線掛接的模塊過多，需加總線中繼器。

四、應用效果及未來展望

采用現(xiàn)場總線避免了大量的點到點的電纜敷設，降低了線路敷設設計的難度和施工的復雜性，節(jié)省了投資、安裝、調(diào)試及維護的費用，減少了高爐休風次數(shù)，為我廠的生產(chǎn)帶來了直接的經(jīng)濟效益，收到了良好效果。

面對對世界技術革命的挑戰(zhàn)，我們應該把握機遇，縮短與西方國家的距離?，F(xiàn)場總線技術在自動化控制系統(tǒng)中的應用，必將擁有越來越廣泛的領域和空間，對我們的發(fā)展起到良好的促進作用。

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