工業(yè)現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)在高爐系統中的應用

一 前言

工業(yè)現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)是近年來(lái)自動(dòng)化行業(yè)最為關(guān)注的技術(shù)之一，給自動(dòng)化控制技術(shù)帶來(lái)了很大的進(jìn)步。傳統的現場(chǎng)級控制系統系統不開(kāi)放、可集成性差、而且可靠性不易保證。現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(Fieldbus Control System，FCS)使用一條通信電纜將現場(chǎng)設備(智能化、帶有通信接口)連接，用數字化通信代替4-20mA/24VDC信號，完成現場(chǎng)設備控制、監測、遠程參數化等功能。它具有很多優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域有明顯的優(yōu)勢，如集成性高、組態(tài)簡(jiǎn)單、設計安裝方便、易于維護和擴展、可以節約軟硬件投資等，使先進(jìn)的現場(chǎng)設備管理功能得以實(shí)現?，F場(chǎng)總線(xiàn)已廣泛應用于各個(gè)領(lǐng)域，如電力監控、能源管理等。

武鋼煉鐵廠(chǎng)從2003年六號高爐新建工程開(kāi)始嘗試使用現場(chǎng)總線(xiàn)，這也是全國首例在高爐系統中采用總線(xiàn)。在六號高爐剛投產(chǎn)之初，一場(chǎng)意外導致主控樓失火，將爐頂布料和熱風(fēng)爐系統幾乎所有電氣線(xiàn)路燒壞，按照傳統的現場(chǎng)級控制方式起碼要半個(gè)月的恢復時(shí)間，但因為使用了現場(chǎng)總線(xiàn)，電纜數量很少，我們僅用了三天時(shí)間就恢復了生產(chǎn)，使高爐提前十幾天恢復生產(chǎn)，突出顯示了高爐現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統在維護和搶修方面相對于傳統的現場(chǎng)控制方式的強大優(yōu)勢?，F場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)在武鋼煉鐵廠(chǎng)的應用，使得高爐的電氣設備在控制和穩定性上得到了很大提高，目前已經(jīng)在其它各高爐得到推廣，在煉鐵廠(chǎng)取得了良好的效果。

二 傳統的高爐自動(dòng)化控制系統的現狀及不足

高爐系統主要由爐頂上料系統、槽上和槽下供料系統、卷?yè)P系統、噴煤系統、熱風(fēng)爐系統、爐前出鐵場(chǎng)系統和INBA渣處理系統等構成，生產(chǎn)工藝復雜，分散點(diǎn)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(dòng)化系統非常龐雜，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的現場(chǎng)控制方式。傳統的現場(chǎng)級與車(chē)間級自動(dòng)化監控及信息集成系統(包括：基于PC、PLC、DCS產(chǎn)品的分布式控制系統)，其主要特點(diǎn)之一是，現場(chǎng)層設備與控制器之間的連接是一對一(一個(gè)I/O點(diǎn)對設備的一個(gè)測控點(diǎn))所謂I/O接線(xiàn)方式，信號傳遞4-20mA(傳送模擬量信息)或24VDC(傳送開(kāi)關(guān)量信息)信號。如圖1所示：

從圖我們可以看出，這種傳統的現場(chǎng)級自動(dòng)化監控系統有幾個(gè)缺點(diǎn)：

(1)信息集成能力不強;

(2)系統不開(kāi)放、可集成性差、專(zhuān)業(yè)性不強;

(3)可靠性不易保證，它的主要缺點(diǎn)在于主機入口處的瓶頸現象。

由于現場(chǎng)及設備多，且比較分散，信號進(jìn)入PLC后，必須經(jīng)過(guò)A/D、D/A的轉換過(guò)程，且精確度有所降低，迫使PLC 的掃描周期加長(cháng)，使整個(gè)主機性能下降，威脅到高爐各種信號的實(shí)時(shí)性。影響到高爐控制系統的穩定性和可靠性。

三 基于現場(chǎng)總線(xiàn)的高爐自動(dòng)化控制系統的原理及特點(diǎn)

Profibus 是唯一的全集成H1(過(guò)程)和H2(工廠(chǎng)自動(dòng)化)的現場(chǎng)總線(xiàn)解決方案，是一種不依賴(lài)于制造商的開(kāi)放式現場(chǎng)總線(xiàn)標準。采用Profibus標準系統，不同的制造商所生產(chǎn)的設備部須對其接口進(jìn)行特別調整就可通信，Profibus可用于高速并對時(shí)間苛求的數據傳輸，也可用于大范圍的復雜通信場(chǎng)合。

Profibus根據應用特點(diǎn)分為Profibus-DP ， Profibus-FMS ， Profibus-PA三個(gè)兼容版本。其中，Profibus-DP(H2)是一種經(jīng)過(guò)優(yōu)化的高速通信連接，專(zhuān)為自動(dòng)控制系統和設備級分散I/O之間的通信設計的，可用于分布式控制系統的高速數據傳輸，其傳輸速率可達12Mbit/s，一般構成單主站系統。

Profibus的特點(diǎn)為可使分散式數字化控制器從現場(chǎng)層到車(chē)間級網(wǎng)絡(luò )化，該系統分為主站和從站。主站決定總線(xiàn)的數據通信，當主站得到總線(xiàn)控制權(令牌)時(shí)，沒(méi)有外界請求也可以主動(dòng)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(dòng)器和測量變送器。他們沒(méi)有總線(xiàn)控制權，僅對接收到的信息給予確認或當主站發(fā)出請求時(shí)向從站發(fā)送信息。

現場(chǎng)總線(xiàn)是以單個(gè)分散的、數字化、智能化的測量和控制設備作為網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)，用總線(xiàn)相連接，實(shí)現相互交換信息，共同完成自動(dòng)控制功能的網(wǎng)絡(luò )系統與控制系統。它適合于替代價(jià)格昂貴的 24V DC和 4～20mA測量信號平行傳輸線(xiàn)路。在節省線(xiàn)路與設備的同時(shí)，也為武鋼煉鐵廠(chǎng)的以太網(wǎng)系統提供了現場(chǎng)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場(chǎng)總線(xiàn)主要有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)減少設備(如隔離器、端子點(diǎn)數)，節省工程費用。

(2)由于免去了D/A及A/D轉換的過(guò)程，使信號精確度r提高。

(3)可以避免上千個(gè)檢測點(diǎn)和控制點(diǎn)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場(chǎng)，增加了系統的可靠性。

(4)組態(tài)簡(jiǎn)單，安裝、運行、維護簡(jiǎn)便;

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

四 武鋼煉鐵廠(chǎng)總線(xiàn)監控及組態(tài)方式

4.1與PLC的總線(xiàn)接口

武鋼煉鐵廠(chǎng)采用施耐德PLC(Quantum系列)，它采用PTQ模塊對總線(xiàn)進(jìn)行組態(tài)，PTQ模塊支持工業(yè)總線(xiàn)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(xiàn)上采集數據、控制現場(chǎng)設備的運行。通過(guò)Turck公司提供的GSD文件，采用ProSoft Configuration Builder總線(xiàn)配置軟件，完成對總線(xiàn)的配置，然后利用施耐德PLC編程軟件Concept導入配置后的文件，然后通過(guò)程序完成對總線(xiàn)設備的監控和操作。組態(tài)圖如圖3：

4.2計算機監控

在總線(xiàn)監控畫(huà)面中，我們采用Wonderware公司的Intouch軟件進(jìn)行監控，可以監控每個(gè)總線(xiàn)模塊的通訊狀態(tài)，當出現總線(xiàn)報警時(shí)，我們很快就可以通過(guò)總線(xiàn)確認出現故障的設備，有效地提高了故障搶修的時(shí)間。