智能MCC在FCS中的應用

　　一、概述

　　隨著現場總線技術和通信技術的發展，并滲透到自動化控制領域，改變了傳統控制系統架構，使得工業控制技術欣然由自動化向智能化過渡，同時世界各國自動化產品廠商為順應自動化技術變革，紛紛研發出各自的智能化產品，為現場總線技術和通信技術向控制技術滲透提供了豐富的物質支持(包括硬件和軟件)。就MCC而言，在傳統的MCC中植入智能熱繼電器、變頻器、軟啟動器中插接通訊模塊，進線斷路器內嵌入智能元件，現場操作箱設置現場遠程I/O等手段來融接現場總線技術，從而實現傳統MCC順利向智能MCC技術交接，使智能MCC成為一個設備級的自動化控制系統。

　　二、系統架構

　　智能MCC在結構形式上與傳統MCC基本上沒什么區別，可選擇抽屜式或控制柜底板安裝，要區別在于元器件配置、系統控制內核和系統架構上，如圖1所示典型的智能MCC系統應用于FCS的系統結構圖。

　　圖1 系統結構圖

　　從系統結構圖中可看出，在整個系統中，智能MCC只是作為系統的設備級實施對象控制的一個控制單元，與控制器之間通過現場總線進行數據和信息的傳輸和交換，對受控設備進行實時控制和監視，從而實現系統的網絡控制和網絡管理，使現場設備運行在最優狀態。而傳統MCC只能對受控設備進行控制，不能實施管理。

　　三、系統性能特點

　　(1)系統的開放性、互操作性、互換性、可集成性強。智能MCC是在現場總線技術平臺上對受控設備進行控制，而現場總線通訊協議的公開化，決定了系統的開放性。各自動化產品生產商在公開性和一致性的總線標準基礎上研發出各自的產品，并在產品中注入各自專長的技術要素，如把控制車法、工藝流程、配方等集成到通用系統中去。這樣，不同廠家的設備之間可實現無障礙地互連并進行言息交換，使得各類設備之間具有良好的互操作性和互換性，為系統集成和系統優化提供更多的選擇。

　　(2)系統搭接簡潔、規范，易于維護。現場操作箱內設置現場遠程I/O，通過現場總線傳輸現歷指令和狀態，省略了大量的現場控制電纜，特別是對于聯鎖控制較復雜的系統，省略了大量錯綜復雜的設備之間的連線，使得整個系統變得非常簡潔，易于維護。另外，現場智能設備可完成遠程參數設定和修改等參數化工作，也增強了系統的可維護性。控制系統的主回路設備配置可實現標準比，使得系統原理圖模型化，為系統設計、安裝、調試、應用和維護減少大量的重復性勞動，提高了工作效率。

　　(3)系統現場適應性強。智能MCC系統設備較強的互換性增強了系統的適應性，使得其在大大小小的系統中運用自如。現場總線可支持雙絞線、同軸電纜、光纜、射頻、紅外線、電力線等，具有較強的抗干擾能力，能適應各種工礦環境工作。

　　(4)系統準確性和可靠性高。數字化智能MCC嵌入現場總線控制系統具有在線故障診斷、報警、記錄功能，從根本上提高了測量與控制的準確度，減少了傳送誤差。同時，由于系統結構簡潔，連線減少，系統智能設備內部處理功能加強，大大減少了系統故障點和信號的往返傳輸，提高了系統可靠性。

　　(5)系統擴展性好，系統資源利用率高。變頻器、軟啟動器、進線斷路器等設備本身已可完成自動控制的基本功能，使得現場總線已構成一種新的全分布式控制系統的體系結構，具有高度分散性和可擴展性，同時，通過建立友好的系統通信界面，與控制層或管理層網絡連接，實時采集、分析和處理現場信息，隨時診斷設備的運行狀態，優化現場設備的控制，實現系統設備的網絡管理和網絡控制，使整個系統設備一直運行在最優節能狀態，延長了設備的使用壽命，使得系統節約能源的同時也充分利用了設備的有限資源。

　　(6)系統性價比好。 智能MCC系統融入現場總線控制系統后，使得系統結構簡潔，生產成本大大降低，而系統功能大大加強，具有較高的性價比。

　　四、系統應用及配置

　　隨著智能MCC在現場總線控制系統中的應用推廣，其優越的性能特點逐漸被用戶熱捧，并主導自動化控制技術的潮流。下面是該系統在某銅礦濕法提銅廠的應用實例。

　　1.項目簡介

　　濕法提鍋即生物堆浸濕法提鎘技術在冶煉鋼中的應用，特踟對于從同類礦床或晶位低、較難提取的礦床中提煉銅有顯著的效益。濕法提銅工藝由采礦、碎礦、生物堆浸、萃取、電積等主要工藝組成，其中生物堆浸、萃取、電積工藝外加環保工藝控制系統由我公司承建，基于該項目是國家“十五”科技攻關項目，具有行業示范作用，同時該項目規模較大(占地面積約4.5平方公里)，現場儀器儀表設備繁雜且分布面積廣，非常適合運用現場總線控制系統進行系統控制，驅動控制單元選用智能MCC。

　　根據工藝需要，該系統分為三個控制站：噴淋控制站(生物堆浸)、電積萃取控制站和環保控制站，三個控制站之間距離較遠。

　　控制設備：26臺攪拌機，95臺~和輸送泵，遍及全廠的智能儀器儀表，其他的輔助設備

　　2.系統結構圖

　　根據系統控制工藝要求及系統特點搭建系統架構，設計系統控制原理圖，按系統各工藝單元的功能特點和控制要求進行系統分解，對分解后的控制單元進行針對性設計。如上述，本系統可分解為電積萃取、環保和噴淋三個控制子系統，每個控制系統均由控制器、智能MCC、現場操作箱和現場智能設備組成，現場設備與控制器之間建立Profibus-DP現場總線，傳輸數據和交換信息，個子系統的控制器通過PROFIBUS總線與管理級上位機連接，實現系統的網絡管理和網絡控制。系統結構圖如圖2所示。

　　3.智能MCC系統配置

　　> 工作站、控制器和軟件配置

　　整個系統配置基本上選用目前市場上性價比較好的Siemens設備，控制器選用s7-400系列產品，總線協議采用PROFIBUS標準協議。

　　工作站選用工控機，完成對控制系統生產線操作、監控、報表、編程等工作。軟件主要包括操作系統軟件和組態工具軟件，操作系統采用Windows 2000，組態工具軟件采用SIMATIC程序管理器，現場設備驅動軟件。

　　SIMATIC程序管理器采用了現代化的軟件體系結構，對項目進行管理、處理、歸檔和建立文件，在軟件開發方面，采用了面向對象的技術。在項目管理上，以系統硬件和工藝過程兩個不同的視角，同時進行管理。這兩個視角在程序管理器中分別稱為標準分級(Standard Hierarchy)和工藝分級( Plant Hierarchy)。其中，標準分級主要管理系統的硬件，如控制器、系統總線、I,O系統等;工藝分級主要管理工藝過程，它將整個工廠按工藝過程的要求，分為各礦子系統，然后將各子系統映射到控制器上。與傳統DCS系統相比，組態直接面向工藝過程。在SIMATIC程序管理器下，有多種組態工具可以使用，無論采用何種組態工具，生成的組態數據都自動存到一個同一的數據庫中。這些組態工具是：CFC(連續功能圖)、SFC(順序功能圖)、STEP7(SIMATIC S7系列PLC編程語言)、SCL(結構化的控制語言)和WinCC(SIMATIC視窗控制中心)等。

　　> 智能MCC控制柜配置

　　智能MCC控制柜選用Siemens公司推出的采用模塊化技術的SIVACON抽屜式控制柜，控制柜內配置具有通訊功能的3WL系列的進線斷路器、3UF5系列智能熱繼電器和帶通訊模塊的MM4系列的變頻器對系統進行控制。

　　特別值得一提的是智能MCC中3UF5系列智能熱繼電器在總線控制系統中的應用，對系統架構的簡化起著無以替代的作用。3UF5系列智能熱繼電器是一種基于微處理器的多功能固態繼電器，除了具有環境溫度補償保護功能外，還具有其他的先進功能，如報警診斷、變頻、電流測量、I/O性能和直接Profibus-DP網絡連接。另外，還具有附加的零序接地故障保護功能、正溫度系數PTC熱敏電阻輸入端子以及附加的I/O性能。3UF5系列智能熱繼電器實時采集運行電動機的相關參數，并作基本的數據分析進行狀態診斷，根據診斷結果作相應的處理以避免電動機在非正常情況下連續運行，保護電動機，同時，通過PROFIBUS-DP現場總線實時上傳電動機運行的狀態信息，對運行電動機進行網絡管理和網絡控制，以保證電機運行在最優化狀態。

　　對3UF5系列智能熱繼電器系統對參數進行初始化、實現網絡控制和網絡管理時，需要配置Win_SIMOCODE-DP/Professional軟件來驅動。

　　> 現場操作箱配置

　　按國家現行的有關設計規范，對電動機控制應至少設置現場機旁和遠程兩種控制模式，現場操作箱的設置實現設備現場控制。現場操作箱面板設置按鈕、指示燈等執行元件和狀態元件，操箱內配置SIEMENS公司生產的ET200L系列現場I/O，可駁接到PROFIBUS-DP總線上。如果點不夠用，可選擇可擴展的ET200L-SC現場I/O。

　　> 現場智能儀器儀表配置

　　根據整個系統的工藝要求，現場需要配置一定數量的儀器儀表和傳感器，這些現場設備有機械式或非智能型的，其狀態信號直接接入現場操作箱內的現場I/O，也有智能型的，掛按PROFIBUS-DP總線上傳輸和交換現場數據和狀態信息。

　　> 網絡連接及電纜敷設

　　根據現場的工礦條件和現場設備布置情況，并遵循網絡通信電纜敷設路徑盡可能短的原則，設計系統最優網絡拓撲結構圖，網絡連接按設計圖紙執行。網絡介質材料主要包括通信電纜、分支器、終端等材料，可根據系統大小及通訊距離的長短選擇合適的相關產品。

　　五、系統投資比較

　　1.節約系統投資成本

　　智能MCC應用于現場總線控制系統中，在系統搭建過程中，現場智能儀器儀表設備強大的自治功能，省略了相當數量的變送器和獨立的控制器及計算單元;傳輸信息的數字化，省略了模擬信號傳輸中信號調理、轉換、隔離技術等功能單元及其復雜接線;現場操作箱內設置現場遠程I/O省略了實現“現場，遠程”兩地控制的大量控制電纜;另外，可以用工控PC作為操作站。這樣，用戶節約了大筆工程前期投資成本。

　　2.節約工程成本

　　省略了大量控制電纜的同時，也大大減少了端子、槽盒、橋架等輔助材料的投入，減少了工量，加快了工程進度;系統的模型化和標準化，為系統設計、安裝和調試減少大量的重復性勞動將來對系統進行擴展或新增測控設備時，只要在原有的現場總線上就近掛載就可以了，省去了增設新電纜的麻煩。據有關典型試驗工程的測算資料，可節約安裝費用60 c以上。

　　3.節約維護成本

　　由于智能熱繼電器、變頻器、軟啟動器等現場級智能設備，具有自診斷與簡單故障處理的能力并通過現場總線將相關信息進行上傳，用戶可以查詢所有運行設備的診斷維護信息，實現數字似防性維護及定點維修，以便減少故障停機次數和故障停機時間;電纜數量大大減少，故障點也大大減少，既節約了系統的維護成本，又提高了系統設備利用率。

　　4.提高企業經濟效益

　　由系統本身性能特點決定，系統投入成本降低了，而系統功能加強了，尤其是“定點維護，少故障停機時間”，使得企業生產效率提高，正負反差對比，大大提高了該系統的性價比，滿足了業追求“在有限的資源上實現利潤最大化”的目標。

　　六、結束語

　　現場總線技術以其先進性、實用性、可靠性、開放性、高性價比的優點，必然成為未來自動化技術發展的主流，一些具有重大影響的網絡新技術必將進一步融合到現場總線技術之中，同時也為自動化系統集成商開發面向行業應用的成套技術和自動化系統提供了機會。智能MCC作為嫁接在現場總線上關鍵的驅動控制單元，對自動化產品制造商來說，自主開發具有現場通訊功能的智能元器件和集成化智能設備，將具有良好的市場前景;對于自動化系統集成商來說，充分利用這些智能設備和現場總線技術，針對各行業特點進行系統集成，開發自主控制系統，將會收獲良好的市場收盈。