工業現場總線技術在高爐系統中的應用

一 前言

　　工業現場總線技術是近年來自動化行業最為關注的技術之一，給自動化控制技術帶來了很大的進步。傳統的現場級控制系統系統不開放、可集成性差、而且可靠性不易保證。現場總線控制系統（Fieldbus Control System，FCS）使用一條通信電纜將現場設備（智能化、帶有通信接口）連接，用數字化通信代替4-20mA/24VDC信號，完成現場設備控制、監測、遠程參數化等功能。它具有很多優點，在工業自動化領域有明顯的優勢，如集成性高、組態簡單、設計安裝方便、易于維護和擴展、可以節約軟硬件投資等，使先進的現場設備管理功能得以實現。現場總線已廣泛應用于各個領域，如電力監控、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場總線，這也是全國首例在高爐系統中采用總線。在六號高爐剛投產之初，一場意外導致主控樓失火，將爐頂布料和熱風爐系統幾乎所有電氣線路燒壞，按照傳統的現場級控制方式起碼要半個月的恢復時間，但因為使用了現場總線，電纜數量很少，我們僅用了三天時間就恢復了生產，使高爐提前十幾天恢復生產，突出顯示了高爐現場總線控制系統在維護和搶修方面相對于傳統的現場控制方式的強大優勢。現場總線技術在武鋼煉鐵廠的應用，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 傳統的高爐自動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、卷揚系統、噴煤系統、熱風爐系統、爐前出鐵場系統和INBA渣處理系統等構成，生產工藝復雜，分散點多，環境條件特殊，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控制方式。傳統的現場級與車間級自動化監控及信息集成系統（包括：基于PC、PLC、DCS產品的分布式控制系統），其主要特點之一是，現場層設備與控制器之間的連接是一對一（一個I/O點對設備的一個測控點）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，這種傳統的現場級自動化監控系統有幾個缺點：

　　（1）信息集成能力不強；

　　（2）系統不開放、可集成性差、專業性不強；

　　（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象。

　　由于現場及設備多，且比較分散，信號進入PLC后，必須經過A/D、D/A的轉換過程，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的穩定性和可靠性。

三 基于現場總線的高爐自動化控制系統的原理及特點

　　Profibus 是唯一的全集成H1（過程）和H2（工廠自動化）的現場總線解決方案，是一種不依賴于制造商的開放式現場總線標準。采用Profibus標準系統，不同的制造商所生產的設備部須對其接口進行特別調整就可通信，Profibus可用于高速并對時間苛求的數據傳輸，也可用于大范圍的復雜通信場合。

　　Profibus根據應用特點分為Profibus-DP ， Profibus-FMS ， Profibus-PA三個兼容版本。其中，Profibus-DP（H2）是一種經過優化的高速通信連接，專為自動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的特點為可使分散式數字化控制器從現場層到車間級網絡化，該系統分為主站和從站。主站決定總線的數據通信，當主站得到總線控制權（令牌）時，沒有外界請求也可以主動發送信息。從站為外圍設備，典型的從站包括輸入輸出設備，控制器，驅動器和測量變送器。他們沒有總線控制權，僅對接收到的信息給予確認或當主站發出請求時向從站發送信息。

　　現場總線是以單個分散的、數字化、智能化的測量和控制設備作為網絡節點，用總線相連接，實現相互交換信息，共同完成自動控制功能的網絡系統與控制系統。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。在節省線路與設備的同時，也為武鋼煉鐵廠的以太網系統提供了現場級的控制功能。其原理如下圖2所示：

　　從圖中我們可以看到現場總線主要有以下優點：

　　（1）減少設備（如隔離器、端子點數），節省工程費用。

　　（2）由于免去了D/A及A/D轉換的過程，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場，增加了系統的可靠性。

　　（4）組態簡單，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場的惡劣環境。

四 武鋼煉鐵廠總線監控及組態方式

　　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，PTQ模塊支持工業總線Profibus-DP協議，具有很強的擴展性，機架上掛接一塊PTQ模塊，利用Profibus-DP 協議從工業總線上采集數據、控制現場設備的運行。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導入配置后的文件，然后通過程序完成對總線設備的監控和操作。組態圖如圖3：

　　4.2計算機監控

　　在總線監控畫面中，我們采用Wonderware公司的Intouch軟件進行監控，可以監控每個總線模塊的通訊狀態，當出現總線報警時，我們很快就可以通過總線確認出現故障的設備，有效地提高了故障搶修的時間。

五 應用效果及未來展望

　　采用現場總線避免了大量的點到點的電纜敷設，降低了線路敷設設計的難度和施工的復雜性，節省了投資、安裝、調試及維護的費用，維護方便，減少了高爐休風次數，為煉鐵廠的生產帶來了直接的經濟效益，收到了良好效果。

　　面對工業技術革命的挑戰，我們應該把握機遇。現場總線技術在自動化控制系統中的應用，必將擁有越來越廣泛的領域和空間，對我們的發展起到良好的促進作用。