一種基于現場(chǎng)總線(xiàn)與以太網(wǎng)技術(shù)的自動(dòng)化控制系統設計

鋼廠(chǎng)板坯庫/加熱爐區自動(dòng)化控制系統
鋼廠(chǎng)板坯庫/加熱爐區自動(dòng)化控制系統由基礎自動(dòng)化控制系統、過(guò)程與管理控制系統組成。通過(guò)將兩種現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)ProfiBus和ControlNet相結合，從而實(shí)現L1級網(wǎng)絡(luò )中儀表、電氣控制系統的通信；同時(shí)通過(guò)采用以太網(wǎng)技術(shù)實(shí)現基礎自動(dòng)化系統和過(guò)程與管理控制系統之間的通信。

基礎自動(dòng)化控制系統
基礎自動(dòng)化控制系統包括加熱爐電氣PLC控制系統和加熱爐儀表DCS控制系統。采用美國RockWell Automation 公司開(kāi)發(fā)的Processlogix混合型控制器用于加熱爐儀表控制系統(每座加熱爐采用一套)；采用該公司開(kāi)發(fā)的Controllogix控制器用于加熱爐電氣傳動(dòng)的控制(每座加熱爐采用一套)。儀表、電氣控制系統通過(guò)雙重化的ControlNet與操作站的服務(wù)器連接，從而構成儀電一體化控制系統。
在系統配置上采用了兩臺互為冗余的ProcessLogix服務(wù)器:SERVER A和SERVER B。
儀表DCS控制系統的配置
儀表DCS硬件系統采用ProcessLogix系列。根據工藝要求及現場(chǎng)設備布置特點(diǎn)，每個(gè)加熱爐各設1個(gè)DCS控制站，通過(guò)ControlNet接本地I/O控制機架，分別用于加熱爐6段燃燒控制、爐壓控制、兩套助燃風(fēng)機、一套稀釋風(fēng)機、煙道、換熱器和冷卻水的過(guò)程檢測和控制。
電氣PLC控制系統配置
電氣PLC硬件系統采用ControlLogix系列。根據工藝要求及現場(chǎng)設備布置特點(diǎn)，設5個(gè)PLC控制站，分別完成板坯庫、1號加熱爐、2號加熱爐、1號加熱爐液壓站、2號加熱爐液壓站的電氣控制功能。

圖1 2號加熱爐電氣PLC控制系統配置

圖1為其中2號加熱爐PLC的配置情況。PLC控制器分別控制該加熱爐的裝鋼機、步進(jìn)梁、出鋼機、液壓站和其它公輔設施，并通過(guò)ControlNet總線(xiàn)連接遠程I/O站，實(shí)現對現場(chǎng)信號的采集及信號輸出。同時(shí)通過(guò)兩條冗余的ControlNet總線(xiàn)與儀表DCS系統通信，通過(guò)ProfiBus DP與ABB公司的ASC600型變頻裝置通信，實(shí)現對裝鋼機/出鋼機、加熱爐前后輥道的控制。
過(guò)程與管理控制系統
L2級一方面要完成實(shí)時(shí)性較強的過(guò)程控制功能，如鋼坯跟蹤、裝出鋼設定等，另一方面要完成實(shí)時(shí)性要求低的軋制計劃編制和板坯庫數據管理功能，因此，根據工藝特點(diǎn)和控制功能分散從而降低危險性的要求，過(guò)程與管理控制系統由加熱爐過(guò)程控制機和板坯庫控制機組成，各計算機之間通過(guò)以太網(wǎng)通信。
加熱爐計算機通過(guò)訪(fǎng)問(wèn)兩臺冗余服務(wù)器SERVERA，SERVERB，實(shí)現與基礎自動(dòng)化系統的數據交換，板坯庫計算機則不通過(guò)服務(wù)器，而是通過(guò)以太網(wǎng)直接與板坯庫PLC通信。因為板坯庫計算機負責向庫內吊車(chē)發(fā)出操作指令，這些吊車(chē)和由L1級PLC控制的輥道之間有十分密切的信號聯(lián)鎖，如果通過(guò)中間L1級網(wǎng)絡(luò )，往往因通信丟失或延遲，使聯(lián)鎖失敗，造成難以想象的后果。
通信的一些特點(diǎn)
本自動(dòng)化系統由L1，L2兩級構成，包含三種通信網(wǎng)絡(luò )。操作站采用服務(wù)器/客戶(hù)端結構，服務(wù)器和客戶(hù)端之間采用TCP/IP協(xié)議的以太網(wǎng)連接。出爐操作室(3CS)設兩套HMI(1、2號操作站)，對加熱爐的儀表-電氣進(jìn)行集中監控和操作(每臺操作站均可對儀表、電氣進(jìn)行操作)；加熱爐基礎自動(dòng)化控制系統的四臺HMI操作站和兩臺冗余配置的ProcessLogix服務(wù)器，以及二級計算機均建立在同一個(gè)工業(yè)以太網(wǎng)上，共同構成三電自動(dòng)化控制系統?；A自動(dòng)化控制系統通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)與二級計算機進(jìn)行通訊。
以太網(wǎng)通信
目前，解決以太網(wǎng)實(shí)時(shí)性問(wèn)題的一種方法是采用以太網(wǎng)和UDP/IP協(xié)議相結合的技術(shù)。本系統采用通用的以太網(wǎng)技術(shù)與TCP/IP協(xié)議相結合，實(shí)現L2級內部以及L2與L1之間的通信。L2級內部通過(guò)5類(lèi)雙絞線(xiàn)實(shí)現連接；L2交換機與距離較遠、且須穿越電纜溝道的L1設備之間，通過(guò)光纜進(jìn)行連接。
ControlNet 通信
ControlNet是一種高速確定性網(wǎng)絡(luò )，用于對時(shí)間有苛刻要求的應用場(chǎng)合的信息傳輸。同時(shí)，它允許傳送對時(shí)間無(wú)苛刻要求的報文數據，但不會(huì )對有時(shí)間苛刻要求的數據傳送造成沖擊。它支持混合系統結構(主/從、多主和對等設備的任意混合)。
本系統采用ControlNet總線(xiàn)主要基于以下三個(gè)理由：
(1)作為L(cháng)1級控制器之間信息交換的通道，方便儀控DCS與電控PLC之間的通信。
傳統意義上的DCS系統，如HONEYWELL公司的DCS要實(shí)現與PLC之間的通信是極為困難的。但在本系統中，由于ControlNet的使用，ProcessLogix控制器與ControlLogix控制器之間的通信只須簡(jiǎn)單組態(tài)即可完成。
(2)實(shí)現數據的實(shí)時(shí)傳輸。對承擔信號采集任務(wù)的遠程I/O站及控制器之間需要進(jìn)行實(shí)時(shí)交換的信息，通過(guò)通信組態(tài)軟件設定為定周期讀寫(xiě)方式，使這些信號傳輸不會(huì )延遲。
(3)調試與維護方便。在任何一個(gè)ControlNet通信模塊上，都可以實(shí)現程序的上裝和下載。這意味著(zhù)，將筆記本電腦接到主站或現場(chǎng)遠程I/O站的通信模塊上都可以進(jìn)行調試或維護。對于像加熱爐爐底、液壓站等通話(huà)效果較差的場(chǎng)合，提供此種手段，是非常必要的。
雖然ControlNet具有以上的優(yōu)點(diǎn)，并且傳輸率最快可達5Mbps、支持周期與非周期掃描方式。但是，ControlNet總線(xiàn)通常用于控制器與遠程I/O之間的通信或控制器之間的通信，而不用于控制器與傳動(dòng)裝置之間的通信。因此，在控制器與傳動(dòng)裝置之間的通信必須考慮用另一種現場(chǎng)總線(xiàn)實(shí)現。
ProfiBus DP通信
ProfiBus DP用于設備級的高速數據傳送，中央控制器通過(guò)高速串行線(xiàn)同分散的現場(chǎng)設備(如I/O、驅動(dòng)器、閥門(mén)等)進(jìn)行通信，通信速率為9.6kbps ~ 12Mbps，傳輸介質(zhì)采用RS-485雙絞線(xiàn)、電纜或光纜，支持單主或多主系統，總線(xiàn)上最多站點(diǎn)數為126個(gè)。
本系統中ProfiBus DP總線(xiàn)完成PLC與變頻裝置的通信，并采用主從方式通信：在PLC主機架配置型號為PFB-SST-CLX的ProfiBus通信模塊(SST公司生產(chǎn))，作為ProfiBus DP主站，以輪詢(xún)方式對下屬各從站(變頻裝置)進(jìn)行定周期掃描和讀寫(xiě)。該模塊同時(shí)通過(guò)ControlNet背板總線(xiàn)實(shí)現與ControlLogix的通信。這樣，ControlLogix在一個(gè)掃描周期只須對PFB-SST-CLX模塊進(jìn)行一次讀寫(xiě)，就可將下達給變頻器的指令傳送到PFB-SST-CLX模塊對應的數據區，并將各變頻器返回的狀態(tài)信號從對應的數據區取出，從而實(shí)現對下屬每個(gè)變頻裝置的監控。
事實(shí)上，對本系統而言，PLC制造商RockWell公司推薦的傳動(dòng)系統接入方案是采用DeviceNet總線(xiàn)。最終我們決定采用ProfiBus總線(xiàn)實(shí)現PLC與變頻裝置的通信，是基于以下三點(diǎn)因素：
(1)速度方面的考慮。雖然通信速度快慢與使用介質(zhì)的長(cháng)度、類(lèi)型和站點(diǎn)數量及數據傳送量等因素有關(guān)。但我們注意到：DeviceNet的數據傳輸率最快為1.5Mbps，ProfiBus的數據傳輸率最快可達12Mbps。
(2)調試和維護方面的考慮。SIEMENS自動(dòng)化設備級通信解決方案—ProfiBus總線(xiàn)，已被廣泛采用。企業(yè)的管理人員和技術(shù)人員對該總線(xiàn)的調試以及維護有一定了解，故傾向于采用ProfiBus現場(chǎng)總線(xiàn)的方案。
(3)系統可擴展方面的考慮。在電氣傳動(dòng)領(lǐng)域，不管是直流還是交流的傳動(dòng)裝置，大多支持ProfiBus通信，而DeviceNet在該領(lǐng)域的支持率相對較低。為以后系統升級或擴容的方便起見(jiàn)，我們采用ProfiBus。
當然，如果采用DeviceNet，就不必在ControlLogix機架上插入第三方生產(chǎn)的模塊。最初調試階段的難度和工作量會(huì )大為減小，特別是可以避免寫(xiě)一些語(yǔ)句不多但極難理解的通信程序。但是，這些細小的損失和ProfiBus的其它好處相比是微不足道的。

結語(yǔ)
根據以上系統方案，通過(guò)硬件設計、軟件編程、施工、調試及試運行后，該廠(chǎng)首期建設的2號加熱爐已投入生產(chǎn),效果良好。二期1號加熱爐正在建設之中?！?/P>

參考文獻
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后勤工程學(xué)院自動(dòng)化系 王朝霞
重慶鋼鐵設計研究總院自動(dòng)化二室 茍國忠 何茂松