基于現(xiàn)場總線的電氣自動化設(shè)備管理系統(tǒng)

0 引言

FCS現(xiàn)場總線是連接控制設(shè)備與上層自動化控制設(shè)備之間的雙向串行鏈路，以其結(jié)構(gòu)和布線簡單、數(shù)字傳輸準確可靠、現(xiàn)場信息豐富等特點，在工廠自動化控制中得到越來越廣泛的應(yīng)用。它的全數(shù)字化、雙向傳輸、多點通訊，逐步取代之前在工業(yè)中廣泛應(yīng)用的DCS集散控制系統(tǒng)。FCS現(xiàn)場總線有很多國際標準，本文采用的是其中的Profibus-DP標準，它是一種用于工廠自動化車間級監(jiān)控和現(xiàn)場設(shè)備層數(shù)據(jù)通信與控制的現(xiàn)場總線技術(shù)?？蓪崿F(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備層到車間級監(jiān)控的分散式數(shù)字控制和現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)，為實現(xiàn)工廠綜合自動化和現(xiàn)場工藝設(shè)備智能化提供了可行的解決方案。

本文的工藝設(shè)備主要分為三類，一類是只需要起停控制的設(shè)備，包括除塵器、皮帶運輸機、攪拌電機等?？刂颇康氖潜ＷC正常順序開停車，以及故障或非正常狀況下的連鎖停車。另一類是需要調(diào)速的設(shè)備，包括泵類、風機類、給料機等設(shè)備。控制目的是參與到液位、流量、壓力等的閉環(huán)控制中，以保持運行工況的穩(wěn)定性。第三類是自成系統(tǒng)的設(shè)備，比如破碎機、球磨機、陶瓷過濾機等。這類設(shè)備相對較為獨立，其信息主要是用于監(jiān)測，或加入少量的控制。對于前兩類設(shè)備，與之相連的直接控制設(shè)備是變頻器、軟起動器、馬達保護器等控制器。這些控制器接收PLC通過DP總線發(fā)出的指令，同時又將設(shè)備運行或故障信息反饋給PLC，并在上位機監(jiān)控畫面顯示這些狀態(tài)。上位機畫面包含有豐富的信息，包括設(shè)備起停操作界面、運行狀態(tài)信息、趨勢曲線等，通過對數(shù)據(jù)庫信息進行統(tǒng)計分析、處理，還可以在上位機中得到生產(chǎn)設(shè)備的歷史曲線、臺時、整機效率計算，電量水量統(tǒng)計等，實現(xiàn)工廠過程數(shù)據(jù)可視化及設(shè)備管理。不難看出，設(shè)備控制順序是上位機——PLC——控制器——現(xiàn)場設(shè)備。

1 設(shè)備控制與管理

依據(jù)控制順序由低到高，分階段介紹。

1.1 控制器與現(xiàn)場設(shè)備

對現(xiàn)場設(shè)備的電氣控制分為就地和總線兩種方式。就地控制時，現(xiàn)場設(shè)備起停依賴于動力站的變頻器、軟起動器、馬達保護器等控制器接收安裝在設(shè)備近旁的就地操作箱上的起停按鈕或頻率給定裝置發(fā)出的信號;遠程控制時，設(shè)備起停則依賴于控制器通過DP總線接收的上位機畫面發(fā)給PLC的指令。無論這兩種哪種控制方式，PLC都可以通過DP總線讀到控制器中存放的設(shè)備運行或故障狀態(tài)。就地和總線切換過程要使設(shè)備平穩(wěn)的保持原有狀態(tài)，這種保持，除了像軟起和馬達保護器這些工頻運行的設(shè)備不能因轉(zhuǎn)換而停車或啟動外，對于正在以某個頻率運行的變頻設(shè)備，切換時還要維持運行頻率不變，即無擾切換。由于總線控制的加入，在外部電路及參數(shù)設(shè)置方面對切換電路予以充分考慮，使得就地/總線無擾切換比用DCS方式更加可靠。

無擾切換電路設(shè)計，在沒有采用FCS之前，主要通過遠程就地切換繼電器與主回路接觸器通斷的時間差，來保證遠程就地切換瞬間設(shè)備啟動回路或運行回路不斷電。即切換過程要保證主回路接觸器線圈失電、觸點斷開的時間，要大于切換繼電器線圈得電、觸點閉合的時間。如選用ABB的AL系列接觸器，配以菲尼克斯PLC—RSC繼電器，前者線圈失電觸點釋放時間為10—17ms，后者線圈得電觸點閉合響應(yīng)時間為7 ms。因此，理論上，繼電器切換時，接觸器不會斷電。但這種控制方式較難保證100%成功率，而且對繼電器和主接觸器品牌和性能的要求很高。

FCS系統(tǒng)，從電路及程序上，充分考慮切換的順暢。以變頻回路為例?？偩€/就地切換開關(guān)不影響就地啟動繼電器的動作，通過變頻器運行輸出繼電器，以及總線/就地停止繼電器，來保持給變頻器的啟動信號維持切換之前的狀態(tài)。為了保持變頻器切換前后頻率不變，配合以智能操作器，此操作器可顯示變頻器的頻率給定值sV和頻率反饋值MV。無論總線還是就地，MV都對應(yīng)于變頻器的實際頻率反饋值。SV則不同。就地時，SV顯示操作器給變頻器的頻率設(shè)定值;總線時，SV顯示的是MV通過操作器自身變送輸出的值，與此時PLC通過總線設(shè)置給變頻器的頻率給定值基本一致。在就地切換到總線的瞬間，PLC通過總線將頻率實時數(shù)據(jù)傳輸給變頻器作為頻率給定信號;在總線切換到就地的瞬間，則是利用操作器自身的無擾切換功能，操作器接收轉(zhuǎn)換信號后，瞬間將顯示的sV的值輸出給變頻器作為給定頻率，從而實現(xiàn)雙方向的可靠的無擾切換。

1.2 PLC與控制器

控制器主要包括變頻器、軟起動器、馬達保護器等。為實現(xiàn)總線控制，需設(shè)置控制器參數(shù)。除了基本的額定電壓、頻率、電流、功率因數(shù)、總線地址等的設(shè)置外，對于變頻器，還需要設(shè)置起停模式(如慣性、斜坡等)、加減速時間、控制信號源、頻率源等;軟起動器需要設(shè)置起停模式(如電壓、力矩)、升降壓時間、限流倍數(shù)、保護類別、輸入輸出功能等;馬達保護器需要設(shè)置操作模式、保護設(shè)置、控制設(shè)置等。初始設(shè)置一般是通過控制器本身的鍵盤完成。也可以由PLC通過DP總線對控制器參數(shù)進行設(shè)置和修改，并對控制器的特性進行連續(xù)監(jiān)測與控制。

為對不同控制方式的電機進行統(tǒng)一管理，PLC中設(shè)置統(tǒng)一的電機控制變量，包括電機控制類型、控制字、狀態(tài)字、頻率設(shè)定、頻率反饋、電機電流、電機功率、故障代碼。其中電機控制類型中顯示變頻器控制、軟起動器控制、電機保護器控制、普通電機控制等信息?？刂谱种邪ㄆ鹜ｋ姍C、故障復(fù)位。狀態(tài)字包括運行/停止、總線/就地、故障、急停、合閘/分閘等信息。頻率設(shè)定和頻率反饋對應(yīng)于變頻器，電機電流、功率、故障代碼對應(yīng)于所有總線控制設(shè)備。故障代碼是FCS較DCS優(yōu)勢之處，PLC通過總線讀取故障代碼后，可以對現(xiàn)場裝置進行遠方診斷，快速判斷故障原因，排查故障。

1.3 上位機與PLC

上位機與PLC的通訊，采用DAServer作為接口，DAServer根據(jù)設(shè)定時間比如1000ms來讀寫需要與PLC交互的數(shù)據(jù)。上位機則是以事件形式讀取接口中的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)信息的讀寫，需要上位機進行解碼及編碼，以對應(yīng)到特定位，實現(xiàn)PLC中控制字及狀態(tài)字在上位機畫面的顯示。

點擊主畫面的電機標識，即可以通過該設(shè)備的指針指向相應(yīng)電機的連接變量。圖1為某臺設(shè)備的電機控制窗口，電機的主要狀態(tài)和控制均顯示在圖中。

圖1 電機控制窗口

對于上文提到的自成系統(tǒng)的如球磨機等設(shè)備，由于自身存在很完備的監(jiān)控系統(tǒng)，通過通訊讀取需要特別關(guān)注的參數(shù)以顯示在畫面中。如球磨機的潤滑油站、離合器、慢驅(qū)電機、主電機等的狀態(tài)、報警等信息，軸瓦及定子溫度、油壓油流、振動等信息，陶瓷過濾機的循環(huán)泵、加酸泵、真空泵等相關(guān)信息。

1.4 上位機與服務(wù)器

上位機與PLC之間的通訊使得畫面可以獲得設(shè)備運行的實時數(shù)據(jù)。如若需要生產(chǎn)的歷史數(shù)據(jù)或關(guān)鍵的性能指標，則需要從服務(wù)器中獲得數(shù)據(jù)。各PLC設(shè)備將總線傳輸?shù)呐c生產(chǎn)密切相關(guān)的設(shè)備數(shù)據(jù)存儲到服務(wù)器，上位機利用ActiveFactory分析報表工具讀取服務(wù)器的歷史數(shù)據(jù)，以跟蹤生產(chǎn)信息，并對信息進行分析、計算、處理，得到生產(chǎn)設(shè)備的歷史曲線、臺時、整機效率、耗電量、用水量等。工廠過程數(shù)據(jù)可視化后，管理人員能夠在詳細的數(shù)據(jù)趨勢及信息基礎(chǔ)上，采取行動優(yōu)化生產(chǎn)過程。生成數(shù)據(jù)報表及設(shè)備管理報表，提高生產(chǎn)績效。

2 總結(jié)

本文介紹了利用FCS中的Profibus-DP總線實現(xiàn)電氣設(shè)備智能管理控制系統(tǒng)，通過無擾切換電路設(shè)計、現(xiàn)場設(shè)備的數(shù)據(jù)采集、集中控制、設(shè)備管理等，使得系統(tǒng)的可維護性增強，減輕了生產(chǎn)操作的難度和強度，通過在實際中的應(yīng)用，展示出FCS的優(yōu)越性。