工業(yè)現(xiàn)場總線技術(shù)在高爐系統(tǒng)中的應(yīng)用

一 前言

工業(yè)現(xiàn)場總線技術(shù)是近年來自動化行業(yè)最為關(guān)注的技術(shù)之一，給自動化控制技術(shù)帶來了很大的進步。傳統(tǒng)的現(xiàn)場級控制系統(tǒng)系統(tǒng)不開放、可集成性差、而且可靠性不易保證?，F(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(shè)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(shè)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(lǐng)域有明顯的優(yōu)勢，如集成性高、組態(tài)簡單、設(shè)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(shè)備管理功能得以實現(xiàn)?，F(xiàn)場總線已廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，如電力監(jiān)控、能源管理等。

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(dǎo)致主控樓失火，將爐頂布料和熱風(fēng)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(fù)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(fù)了生產(chǎn)，使高爐提前十幾天恢復(fù)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?，F(xiàn)場總線技術(shù)在武鋼煉鐵廠的應(yīng)用，使得高爐的電氣設(shè)備在控制和穩(wěn)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，在煉鐵廠取得了良好的效果。

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(fēng)爐系統(tǒng)、爐前出鐵場系統(tǒng)和INBA渣處理系統(tǒng)等構(gòu)成，生產(chǎn)工藝復(fù)雜，分散點多，環(huán)境條件特殊，對電氣設(shè)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(shè)備與控制器之間的連接是一對一(一個I/O點對設(shè)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(guān)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(shè)備多，且比較分散，信號進入PLC后，必須經(jīng)過A/D、D/A的轉(zhuǎn)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(biāo)準(zhǔn)。采用Profibus標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)，不同的制造商所生產(chǎn)的設(shè)備部須對其接口進行特別調(diào)整就可通信，Profibus可用于高速并對時間苛求的數(shù)據(jù)傳輸，也可用于大范圍的復(fù)雜通信場合。

Profibus根據(jù)應(yīng)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(shè)備級分散I/O之間的通信設(shè)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(gòu)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(luò)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(dāng)主站得到總線控制權(quán)(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(shè)備，典型的從站包括輸入輸出設(shè)備，控制器，驅(qū)動器和測量變送器。他們沒有總線控制權(quán)，僅對接收到的信息給予確認或當(dāng)主站發(fā)出請求時向從站發(fā)送信息。

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(shè)備作為網(wǎng)絡(luò)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(luò)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(shè)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(shè)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(zhuǎn)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(shè)備的運行。通過Turck公司提供的GSD文件，采用ProSoft Configuration Builder總線配置軟件，完成對總線的配置，然后利用施耐德PLC編程軟件Concept導(dǎo)入配置后的文件，然后通過程序完成對總線設(shè)備的監(jiān)控和操作。組態(tài)圖如圖3：