基于現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的電氣自動(dòng)化設(shè)備管理系統(tǒng)

0 引言

FCS現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)是連接控制設(shè)備與上層自動(dòng)化控制設(shè)備之間的雙向串行鏈路，以其結(jié)構(gòu)和布線(xiàn)簡(jiǎn)單、數(shù)字傳輸準(zhǔn)確可靠、現(xiàn)場(chǎng)信息豐富等特點(diǎn)，在工廠自動(dòng)化控制中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。它的全數(shù)字化、雙向傳輸、多點(diǎn)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(chǎng)總線(xiàn)有很多國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，本文采用的是其中的Profibus-DP標(biāo)準(zhǔn)，它是一種用于工廠自動(dòng)化車(chē)間級(jí)監(jiān)控和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層數(shù)據(jù)通信與控制的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)?？蓪?shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層到車(chē)間級(jí)監(jiān)控的分散式數(shù)字控制和現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)，為實(shí)現(xiàn)工廠綜合自動(dòng)化和現(xiàn)場(chǎng)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(lèi)，一類(lèi)是只需要起?？刂频脑O(shè)備，包括除塵器、皮帶運(yùn)輸機(jī)、攪拌電機(jī)等。控制目的是保證正常順序開(kāi)停車(chē)，以及故障或非正常狀況下的連鎖停車(chē)。另一類(lèi)是需要調(diào)速的設(shè)備，包括泵類(lèi)、風(fēng)機(jī)類(lèi)、給料機(jī)等設(shè)備?？刂颇康氖菂⑴c到液位、流量、壓力等的閉環(huán)控制中，以保持運(yùn)行工況的穩(wěn)定性。第三類(lèi)是自成系統(tǒng)的設(shè)備，比如破碎機(jī)、球磨機(jī)、陶瓷過(guò)濾機(jī)等。這類(lèi)設(shè)備相對(duì)較為獨(dú)立，其信息主要是用于監(jiān)測(cè)，或加入少量的控制。對(duì)于前兩類(lèi)設(shè)備，與之相連的直接控制設(shè)備是變頻器、軟起動(dòng)器、馬達(dá)保護(hù)器等控制器。這些控制器接收PLC通過(guò)DP總線(xiàn)發(fā)出的指令，同時(shí)又將設(shè)備運(yùn)行或故障信息反饋給PLC，并在上位機(jī)監(jiān)控畫(huà)面顯示這些狀態(tài)。上位機(jī)畫(huà)面包含有豐富的信息，包括設(shè)備起停操作界面、運(yùn)行狀態(tài)信息、趨勢(shì)曲線(xiàn)等，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析、處理，還可以在上位機(jī)中得到生產(chǎn)設(shè)備的歷史曲線(xiàn)、臺(tái)時(shí)、整機(jī)效率計(jì)算，電量水量統(tǒng)計(jì)等，實(shí)現(xiàn)工廠過(guò)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(jī)——PLC——控制器——現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)設(shè)備

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的電氣控制分為就地和總線(xiàn)兩種方式。就地控制時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備起停依賴(lài)于動(dòng)力站的變頻器、軟起動(dòng)器、馬達(dá)保護(hù)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(hào);遠(yuǎn)程控制時(shí)，設(shè)備起停則依賴(lài)于控制器通過(guò)DP總線(xiàn)接收的上位機(jī)畫(huà)面發(fā)給PLC的指令。無(wú)論這兩種哪種控制方式，PLC都可以通過(guò)DP總線(xiàn)讀到控制器中存放的設(shè)備運(yùn)行或故障狀態(tài)。就地和總線(xiàn)切換過(guò)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(dá)保護(hù)器這些工頻運(yùn)行的設(shè)備不能因轉(zhuǎn)換而停車(chē)或啟動(dòng)外，對(duì)于正在以某個(gè)頻率運(yùn)行的變頻設(shè)備，切換時(shí)還要維持運(yùn)行頻率不變，即無(wú)擾切換。由于總線(xiàn)控制的加入，在外部電路及參數(shù)設(shè)置方面對(duì)切換電路予以充分考慮，使得就地/總線(xiàn)無(wú)擾切換比用DCS方式更加可靠。

無(wú)擾切換電路設(shè)計(jì)，在沒(méi)有采用FCS之前，主要通過(guò)遠(yuǎn)程就地切換繼電器與主回路接觸器通斷的時(shí)間差，來(lái)保證遠(yuǎn)程就地切換瞬間設(shè)備啟動(dòng)回路或運(yùn)行回路不斷電。即切換過(guò)程要保證主回路接觸器線(xiàn)圈失電、觸點(diǎn)斷開(kāi)的時(shí)間，要大于切換繼電器線(xiàn)圈得電、觸點(diǎn)閉合的時(shí)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(xiàn)圈失電觸點(diǎn)釋放時(shí)間為10—17ms，后者線(xiàn)圈得電觸點(diǎn)閉合響應(yīng)時(shí)間為7 ms。因此，理論上，繼電器切換時(shí)，接觸器不會(huì)斷電。但這種控制方式較難保證100%成功率，而且對(duì)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€(xiàn)/就地切換開(kāi)關(guān)不影響就地啟動(dòng)繼電器的動(dòng)作，通過(guò)變頻器運(yùn)行輸出繼電器，以及總線(xiàn)/就地停止繼電器，來(lái)保持給變頻器的啟動(dòng)信號(hào)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(wú)論總線(xiàn)還是就地，MV都對(duì)應(yīng)于變頻器的實(shí)際頻率反饋值。SV則不同。就地時(shí)，SV顯示操作器給變頻器的頻率設(shè)定值;總線(xiàn)時(shí)，SV顯示的是MV通過(guò)操作器自身變送輸出的值，與此時(shí)PLC通過(guò)總線(xiàn)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(xiàn)的瞬間，PLC通過(guò)總線(xiàn)將頻率實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸給變頻器作為頻率給定信號(hào);在總線(xiàn)切換到就地的瞬間，則是利用操作器自身的無(wú)擾切換功能，操作器接收轉(zhuǎn)換信號(hào)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(shí)現(xiàn)雙方向的可靠的無(wú)擾切換。

1.2 PLC與控制器

控制器主要包括變頻器、軟起動(dòng)器、馬達(dá)保護(hù)器等。為實(shí)現(xiàn)總線(xiàn)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(xiàn)地址等的設(shè)置外，對(duì)于變頻器，還需要設(shè)置起停模式(如慣性、斜坡等)、加減速時(shí)間、控制信號(hào)源、頻率源等;軟起動(dòng)器需要設(shè)置起停模式(如電壓、力矩)、升降壓時(shí)間、限流倍數(shù)、保護(hù)類(lèi)別、輸入輸出功能等;馬達(dá)保護(hù)器需要設(shè)置操作模式、保護(hù)設(shè)置、控制設(shè)置等。初始設(shè)置一般是通過(guò)控制器本身的鍵盤(pán)完成。也可以由PLC通過(guò)DP總線(xiàn)對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行設(shè)置和修改，并對(duì)控制器的特性進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)與控制。

為對(duì)不同控制方式的電機(jī)進(jìn)行統(tǒng)一管理，PLC中設(shè)置統(tǒng)一的電機(jī)控制變量，包括電機(jī)控制類(lèi)型、控制字、狀態(tài)字、頻率設(shè)定、頻率反饋、電機(jī)電流、電機(jī)功率、故障代碼。其中電機(jī)控制類(lèi)型中顯示變頻器控制、軟起動(dòng)器控制、電機(jī)保護(hù)器控制、普通電機(jī)控制等信息?？刂谱种邪ㄆ鹜ｋ姍C(jī)、故障復(fù)位。狀態(tài)字包括運(yùn)行/停止、總線(xiàn)/就地、故障、急停、合閘/分閘等信息。頻率設(shè)定和頻率反饋對(duì)應(yīng)于變頻器，電機(jī)電流、功率、故障代碼對(duì)應(yīng)于所有總線(xiàn)控制設(shè)備。故障代碼是FCS較DCS優(yōu)勢(shì)之處，PLC通過(guò)總線(xiàn)讀取故障代碼后，可以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)裝置進(jìn)行遠(yuǎn)方診斷，快速判斷故障原因，排查故障。

1.3 上位機(jī)與PLC

上位機(jī)與PLC的通訊，采用DAServer作為接口，DAServer根據(jù)設(shè)定時(shí)間比如1000ms來(lái)讀寫(xiě)需要與PLC交互的數(shù)據(jù)。上位機(jī)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(xiě)，需要上位機(jī)進(jìn)行解碼及編碼，以對(duì)應(yīng)到特定位，實(shí)現(xiàn)PLC中控制字及狀態(tài)字在上位機(jī)畫(huà)面的顯示。

點(diǎn)擊主畫(huà)面的電機(jī)標(biāo)識(shí)，即可以通過(guò)該設(shè)備的指針指向相應(yīng)電機(jī)的連接變量。圖1為某臺(tái)設(shè)備的電機(jī)控制窗口，電機(jī)的主要狀態(tài)和控制均顯示在圖中。

圖1 電機(jī)控制窗口

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

1.4 上位機(jī)與服務(wù)器

上位機(jī)與PLC之間的通訊使得畫(huà)面可以獲得設(shè)備運(yùn)行的實(shí)時(shí)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(biāo)，則需要從服務(wù)器中獲得數(shù)據(jù)。各PLC設(shè)備將總線(xiàn)傳輸?shù)呐c生產(chǎn)密切相關(guān)的設(shè)備數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到服務(wù)器，上位機(jī)利用ActiveFactory分析報(bào)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(duì)信息進(jìn)行分析、計(jì)算、處理，得到生產(chǎn)設(shè)備的歷史曲線(xiàn)、臺(tái)時(shí)、整機(jī)效率、耗電量、用水量等。工廠過(guò)程數(shù)據(jù)可視化后，管理人員能夠在詳細(xì)的數(shù)據(jù)趨勢(shì)及信息基礎(chǔ)上，采取行動(dòng)優(yōu)化生產(chǎn)過(guò)程。生成數(shù)據(jù)報(bào)表及設(shè)備管理報(bào)表，提高生產(chǎn)績(jī)效。

2 總結(jié)

本文介紹了利用FCS中的Profibus-DP總線(xiàn)實(shí)現(xiàn)電氣設(shè)備智能管理控制系統(tǒng)，通過(guò)無(wú)擾切換電路設(shè)計(jì)、現(xiàn)場(chǎng)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(hù)性增強(qiáng)，減輕了生產(chǎn)操作的難度和強(qiáng)度，通過(guò)在實(shí)際中的應(yīng)用，展示出FCS的優(yōu)越性。