DCS/FCS在煉鋼廠連鑄工藝中的應用分析

【本文摘要】:
　　針對典型DCS（集散控制系統）/FCS（現場總線控制系統）在我廠煉鋼工藝中的應用，主要從整個生產網絡配置的角度介紹DCS和FCS兩大工業控制系統，以及在煉鋼廠的網絡示意配置。Infi90是DCS中應用比較廣泛的系統之一，Siemens系列是FCS中比較典型的系統，通過在煉鋼工藝中的網絡配置，對集散控制系統和現場總線控制系統進行比較分析。
　　【關鍵詞】:
　　煉鋼工藝、集散控制系統（DCS）、令牌環網、INFI90、現場總線控制系統（FCS）、Siemens S7、 PROFIBUS-DP（Decentralized Periphery）
　【Abstract】
　　aim at the application of DCS/FCS on the CCM’s technics in our plant,introduce the typical network configuration and difference from DCS/FCS.Infi90,a type of DCS,used widely in 1970s， Siemens is a type of FCS and used widely now.
　【Key words】
　　Techincs of steel making、Distributed control system、Token ring、Infi90、Field control bus system、Siemens PLC S7、PROFIBUS-DP
1．前言
梅山煉鋼廠于1999年4月份作為起步全連鑄鋼廠開工一次性成功,創世界冶金工業開工史上同類企業的先進范例(全世界只有梅山煉鋼廠和美國的Nucor公司作為起步全連鑄鋼廠開工一次性成功) ,作為寶鋼三大基地普碳鋼基地，梅山現可以生產6大類30多個鋼種,并且開發出高附加值的鋼種,如冷軋用鋼、焊瓶鋼、管線鋼、集裝箱板鋼等,其中汽車大梁鋼、焊瓶鋼、集裝箱板鋼已成為梅山品牌.連鑄機有效作業率和臺時產量也獲得全國第一的榮譽.2003年以前，整個煉鋼過程均以貝利公司Infi90作為控制系統，2002年煉鋼廠在連鑄工藝中新增以SIEMENS PLC為控制系統的2號連鑄機，并于2003年2月份投產，設計拉速為2.4m/m，集世界最先進控制技術，在今年生產計劃中，將發揮主導作用。煉鋼流程如圖1所示：
　　
　　圖1 煉鋼工藝流程圖
2．DCS、INFI90以及煉鋼廠生產網絡配置圖
DCS集散控制系統是以微處理器為基礎的集中管理和分散控制系統。功能上分層為現場控制級、過程裝置控制級、車間操作管理級、全廠優化和調度管理級等，隨之形成了生產中的不同分工和相關的職能部門，使生產線與服務線實現一條龍。IEEE802.4令牌總線傳輸方式和IEEE802.5令牌環網傳輸方式的通信協議在DCS系統中應用最廣，令牌環網的工作原理是在一閉環網中利用唯一的“令牌TOKEN”短幀不停的在環路中流動，尋找需要發送信息的站，只有截獲該TOKEN才有權發送；而且只要有一個站發送信息，環路中就不再有空閑的令牌流動，從而在重載下可以高效地工作，截獲后將令牌的獨特標志轉變為信息幀的標志，轉一圈后，必然回到發送的源站點，檢查返回數據，診斷發送成功與否。釋放令牌，繼續流動尋找。
INFI90是貝利公司開發的典型DCS系統，上世紀70年代以來，得到廣泛的應用，成為當時過程工業自動化控制的主流代表，以其人員分散、地域分散、功能分散、危險分散、設備分散及操作分散，來提高設備的可利用率。煉鋼廠連鑄環路中共分散有有22（12＋9＋APMS）個站點；每個站點有1～3個控制器（MFP）組成過程裝置控制級；HMI實現車間操作等等均以其DCS功能定義來構成一個完善的生產網絡。NIS/NPM構成的站站間以令牌協議傳輸，下掛的19個控制器形成CONTROLWAY通訊，子模件間有其擴展總線，管理層又依靠TCP/IP進行監視，因此各層眾多獨立的協議也是DCS一大缺陷。該系統在煉鋼廠不斷完善中發揮到了淋漓盡致，其網絡配置示意圖如圖2。
　　
　　
　3．FCS、Siemens S7以及煉鋼生產網絡配置圖
現場總線是將自動化最底層的現場控制器和現場智能儀表設備互連的實時控制通訊網絡，遵循ISO的OSI開放系統互連參考模型的全部或部分通訊協議。FCS現場控制系統則把單個分散的測量控制設備變成網絡節點，共同完成自控任務的網絡系統與控制系統，所以說現場總線既是通信網絡，又是自控系統。煉鋼廠以典型總線類型西門子Profibus－DP作為生產網。其數據傳輸類型是RS485傳輸,支持9.6K~12M的通信速率和中繼器（REPEATER）的擴展功能，支持基于光纖傳輸介質的通信；也支持點對點、總線及環形光纖網。控制器可配置成雙機熱備及冗余通信模式，用于對可靠性要求很高的場合, 控制器或主站控制器基于通用工業PC機、Windows NT軟硬件平臺。總線接口一般采用PCI總線的PROFIBUS網卡（如CP1613）。煉鋼廠只以1.5MDP的通訊速率、光纖傳輸介質Repeater擴展、雙機熱備、總線鏈路而形成生產網，如圖3。
Profibus-DP主要用于工業自動化系統的高速數據傳送，實現調節和控制功能，是一種高速低成本通訊，用于設備級控制系統與分散式I/O的通訊；CP443-1是以TCP/IP協議進行通訊，下掛EWS工程師站、服務器等等，CP443-5則是以PROFIBUS協議下掛VVVF、ET200等工控產品，其網絡簡單，容易維護；由于輸入、輸出模件ET200是總線傳輸形式，安在現場的節點，節省了大量的信號線纜，這也正是有別于DCS的最大優勢所在。
煉鋼廠2號連鑄主系統使用6個PLC處理器，雙服務器熱備，其中VVVF擁有兩條總線，用于與PLC信息通訊和專機讀取、下裝變頻參數.
　　
　　
4.DCS/FCS比較
　　(1).開放性和可互操作性
開放性FCS將打破DCS大型廠家的壟斷，給中小企業發展帶來了平等競爭的機遇。可互操作性實現控制產品的“即插即用”功能，從而使不同廠家的工控產品可以互換和替換。
　(2).分散性
徹底的分散性意味著系統具有較高的可靠性和靈活性，系統很容易進行重組和擴建，且易于維護。
　(3).低成本
衡量一套控制系統的總體成本，不僅考慮其造價，而且應該考察系統安裝調試尤其是運行維護整個生命周期內總投入。相對DCS而言，FCS開放的體系結構和OEM技術將大大縮短開發周期，降低開發成本，且徹底分散的分布式結構將1對1模擬信號傳輸方式變為1對N的數字信號傳輸方式，節省了模擬信號傳輸過程中大量的A/D、D/A轉換裝置，網絡協議傳輸取代大量的信號線布線中的安裝成本，可靠的性能降低了維護費用。因此從總體上來看，FCS的成本大大低于DCS的成本。
從維護角度看，FCS以其協議統一、互相兼容、合理可靠方便生產;從成本角度，更是FCS取代DCS的理由。
　5．結束語。
可以說，開放性、分散化和低成本是傳統的自動控制系統產生劃時代的變革因素，其深度和廣度將超過歷史上任何一次變革，必將開創自動控制的新紀元，由于需要適應工業控制系統的分散化、網絡化、智能化的發展方向，TCP/IP以太網必將是今后生產網（包括現場控制級、過程裝置控制級、車間操作管理級、全廠優化和調度管理級之間）、辦公網和WWW一體化工業系統控制、真正實現開放性的最佳選擇。