一．概述

　　冶金行業中運用精料技術是高爐冶煉技術進步的具體體現，使用球團礦來代替鐵礦和部分燒結礦是高爐精料技術的發展，采用高鹼度燒結礦加酸性球團礦的配料來進行高爐冶煉，從而達到增產節支的目的。
　　豎爐球團的生產是一個較復雜的包括專門設備的電氣聯鎖和過程控制的工業燒結過程，集配料、烘干、造球、燒結、成品運輸和除塵與一體。老式豎爐以手工操作為主，各種報表都是由操作工手工制作，工人的勞動強度較大，數據信息的可靠性差，難以作為指導生產的依據；工段間生產信息交流具有大滯后性；由于人工看表操作，在豎爐崗位不時出現過燒和欠燒的情況，布料排料崗位也不時因給料設備原因會有布料不均，卸料不勻的情況，使得產品質量不穩定，爐體壽命受到嚴重影響，同時，設備利用率低，生產工藝和生產管理不完善，也造成了生產原料的浪費，增加了生產成本。近年來， DCS 或 PLC 控制系統的的應用取代了手動操作，逐步實現了豎爐造球系統的分散控制和集中監控，但現場底層傳感器和數據采集器之間多采用一對一物理連線和模擬信號傳輸導致大量布線，信號傳輸的抗干擾能力也較差。隨著自動控制技術，計算機技術和微電子技術的迅猛發展，現場總線技術的不斷創新，過程控制系統由第四代的 DCS 發展至今的 FCS 系統（現場總線控制系統），被稱為第五代過程控制系統。現場總線控制系統的應用避免了智能現場儀表與智能控制室儀表之間的非智能連接，　從而使現場智能儀表的各種智能功能得到淋漓盡致地發揮，同時，節省大量線纜，降低了施工和維護的成本。我們根據豎爐造球生產的基本工藝（見圖 1）設計了現場總線控制系統。該系統采用沈陽中科博微公司 NCS-3000 系列產品， 以 FF 現場總線技術為核心，結合工業以太網技術和 OPC 技術，以工控機和 PC 機為系統組態、編程、監控、維護和管理的一體化平臺，形成以網絡集成自動化系統為基礎的企業信息系統。由于采用現場總線技術，避免了現場智能儀表與控制室智能控制器/儀表之間的非智能連接， 使現場智能儀表的各種智能功能得到淋漓盡致地發揮，體現出現場總線在過程控制中的優勢；保留了對常規儀表信號的處理功能，提供相應的常規 IO 卡件進行處理，可以隨時方便地過渡到現場總線，保護用戶原有投資；NCS-3000 的分布控制單元可執行 IEC1161-3 梯形圖編程語言，完成各種邏輯控制，能夠構成完整的控制系統；同時，作為國內首家通過現場總線基金會一致性和互操作性測試的產品， NCS-3000 系統與其它廠商的設備實現了良好的互連和互操作，可對市場上取得 FF 認證的產品兼容。 NCS-3000 系統較好解決了傳統 DCS 及 PLC 系統中存在的問題，實現了工廠底層設備狀態、車間級監控和工廠級信息管理的信息集成。

二．現場總線技術及 NCS-3000系統

　　現場總線技術是近十年來興起的新技術，是二十一世紀工廠自動化必不可少的關鍵技術，它是用于現場儀表與控制室儀表之間實現全分散、全數字化、智能式、雙向、多變量、多站信息交換的一種通信系統，是信息技術、網絡技術與工業控制技術結合的集中體現。目前國際上流行的現場總線主要有過程現場總線 PROFIBUS 、基金會現場總線 FF， LonWorks 總線， CAN 總線等，世界上許多自動化技術生產商都推出了支持某種主流現場總線標準的產品。FF 現場總線基金會是可互操作系統協議 ISP-- 基于德國的 ProfiBus 標準，　和工廠儀表世界協議 WORLD （ WorldFactoryInstrumentationProtocol ） -- 基于法國的 FIP 標準于1994年 6 月合并成立的，包含 100 多個成員單位，負責制訂一個綜合 IEC/ISA 標準的國際現場總線。基金會現場總線是國際上幾家現場總線經過激烈競爭后形成的一種現場總線，與私有的網絡總線協議不同， FF 總線不附屬于任何一個企業或國家，得到了世界上幾乎所有的著名儀表制造商的支持，同時遵守 IEC 的協議規劃，與 IEC 的現場總線國際標準和草案基本一致，加上它在技術上的優勢，所以極有希望成為將來的主要國際標準。經過十年的發展，　基金會現場總線已經形成了一個開放的、全數字化的工業通信系統，并在上世紀末開始進入中國市場，推動了中國的工業自動化技術進步，并開始了大型全區域系統集成的應用。

　　NCS-3000 系統是以現場總線技術為核心、 OPC 技術為紐帶的開放的網絡化控制系統，可將現場總線儀表、模擬儀表、分布式智能 I/O 、 DCS 、和 PLC 等工業自動化設備有機地集成在一起，為企業綜合自動化系統提供了一套全新的解決方案。 NCS-3000 系統具有以下特點：

以 FF 現場總線技術為核心， 將控制任務下放至工業現場的智能儀表， 實現了控制功能的徹底分散， 而控制功能的分散意味著危險分散，從而極大地提高了系統的可靠性。

FF HSE 高速總線和 FF H1 總線相互補充，構成企業綜合自動化系統的網絡平臺。現場總線儀表、智能 I/O 與計算機之間通過現場總線連成一體，系統結構簡單，可擴展性強，不僅降低了布線成本，而且還具有設備遠程調試和自診斷能力，維護方便。

不僅支持多種現場總線智能儀表，也支持傳統的模擬儀表、 DCS 和 PLC ，可以在最大程度上保護用戶的已有投資。

支持設備描述技術，保證了不同廠商現場總線設備間的客戶操作性，使用戶有很大的設備選擇空間。

可以集成各種流行的工業自動化設備和監控組態軟件，是真正開放的網絡化控制系統。

采用 OPC 標準，實現硬件與軟件及軟件與軟件間的信息集成，充分保證了系統的開放性。

支持 Internet ，使用戶可以通過瀏覽器對生產過程進行遠程監控。

三．系統網絡結構設計

　　現場總線技術的核心是網絡技術， NCS-3000 系統的計算機網絡是一個實時網絡，信息處理滿足實時性、完整性、一致性和可靠性的要求。

　　FF 總線系統的功能體系結構如圖一所示，共分為五個層次。

　　最底層是 H1 層。它的特點是可以總線供電，可以通過中繼器延長電纜距離；網段的調度設備（ LAS ）可以冗余；可以在儀表中運行功能塊，使控制功能分散到現場儀表；可以用于本質安全防爆環境。

　　第二層是 HSE 層。它是高性能的控制干線，通訊速率達到 100Mbit/s；采用標準以太網設備和網絡；通過聯接設備可以集成 H1 子系統； HSE 可以選擇冗余；通過 HSE 不但能夠運行標準的功能塊，而且可以運行靈活功能塊，以滿足批量控制和混合控制的需要。

　　第三層是 OPC 數據交換層 (OPC DX) 。在這一層，服務器與服務器之間可以交換數據，從而使數據可以用于支持各種應用軟件包，例如，應用于 ERP 系統，資產管理系統（ Asset Management ），歷史數據處理，最優化算法，數據倉庫等，通過 OPC DX 還可以與非 FF 系統進行數據交換。

　　第四層是上述的各種應用軟件包在這一層運行。

　　第五層是 MIS 系統，將過程數據用于全廠管理。

圖一 FF 總線系統體系結構

　　根據 FF 總線系統體系結構，結合豎爐造球生產的工藝特點，將豎爐造球控制系統結構設計如下，見圖二。

圖二 豎爐造球控制系統體系結構

　　如上圖所示，整個系統由配料烘干電氣控制系統、造球篩分電氣控制系統、豎爐本體電氣控制系統、成品運輸電氣控制系統和過程檢測（儀表）控制系統等子系統組成。過程檢測（儀表）控制系統包括若干 H1 子系統，采用總線拓撲結構，通過 HSE/H1 網關與網絡集線器連接；系統中的各電氣控制系統由 NCS-3000 FF 分布式智能 I/O 組成，將傳統的離散數據和過程控制中標準的 4 ～ 20mA 模擬儀表信號引入系統，完成安全連鎖等功能；各電氣控制系統、儀表控制系統和上位機，如操作站（人機接口），工程師站（組態與診斷），　生產調度（企業資源計劃）工作站和管理工作站等，通過工業以太網與網絡集線器連接，采取星型拓撲結構。

　　系統中的操作站、工程師站、生產調度工作站和管理工作站構成系統的生產調度、計劃管理、信息決策網絡層，該層網上傳遞的管理數據信息量較大，實時性及安全性要求不很高，采用工業以太網方式互連，使系統具有冗余功能。用戶通過網絡能將生產決策、計劃、管理、經營和調度等所有功能信息進行有效集成，使工廠各個職能部門和車間成為一個統一的整體。網絡各計算機主要功能是：操作站的作用是完成系統的數據采集與處理、數據存儲與交換及顯示等功能；工程師站的作用是完成對設備的組態、系統工藝參數的設定和修改、報警上下限的設定及系統運行、生產、報警等歷史資料的顯示和查詢功能；生產調度工作站的作用是實現各車間生產調度自動化；管理工作站的作用是對系統實時數據和歷史數據進行管理，　生成管理所需的各種統計報表并打印。采用 OPC 標準，實現硬件與軟件及軟件與軟件間的信息集成，具有良好的開放性。自主開發的組態及監控軟件各種控制算法滿足基本連續控制、邏輯控制、順序控制的要求；支持在線組態功能；支持自定義控制算法功能；支持參數自整定的能力；支持先進控制的能力；支持高級語言環境的能力。

　　現場控制網絡層采用現場總線基金會 FF H1 總線和 FF HSE 總線。儀表控制系統所使用的 FF 智能儀表通過 FF H1 總線按照總線拓撲結構連接，根據安裝位置和功能劃分為 8 個網段，每個網段有 8-16 臺設備，各網段間通過 HSE/H1 接口設備與 HSE 總線按照星型拓撲結構連接。 FF 現場總線儀表可構成控制回路、能夠提供更多過程信息或更多維護信息，具有設備遠程調試和自診斷能力，維護方便。Hl 鏈路主設備 LAS( 具有鏈路活動調度功能的設備，控制閥、變送器均可以有此功能 ) 可進行冗余配置。傳統的離散數據和過程控制中標準的 4 ～20 mA 模擬儀表信號通過NCS-3000 FF 分布式智能 I/O 引入控制系統，FF 分布式智能I/O 的主控制器間通過 FF HSE 總線互聯，安全連鎖、手 / 自動控制、數值轉換等功能由主控制器實現，各主控制器能獨立運行。

四．系統功能概述

　　基于 FF 現場總線技術的球團豎爐控制系統主要功能如下：

　　配料烘干電氣控制系統

　　配料烘干系統是豎爐焙燒球團的原料供應部分，　原料配比的精確度可直接影響產品的質量。配料烘干系統由5臺NCS-3000 FF 分布式智能 I/O 控制器來控制，每臺控制器可連接 48 點 DI/DO ，共 240 點， 控制方式有上位機自動控制、上位機手動控制、操作臺手動控制和現場機旁箱手動控制。系統包括精粉倉、電子皮帶、配料盤、皂土倉、螺旋輸送機、葉輪給料機、配料皮帶、烘干皮帶和烘干機等設備，可 根據配料要求隨意選擇參與配料的礦倉， 并在線隨時換倉；精粉倉根據設定配料量和電子秤采集的反饋量，對圓盤給料機實現變頻調速，構成閉環調節系統，實時調節下料量；皂土倉根據設定配料量和從葉輪給料機采集的反饋量，對葉輪給料機實現變頻調速，構成閉環調節系統，實時調節下料量；對配料皮帶、圓盤給料機、電子皮帶、葉輪給料機、螺旋輸送機、烘干皮帶和烘干機實現連鎖順序啟動 / 停止和帶料同時啟動 / 停止。

　　造球篩分電氣控制系統

　　球團豎爐工藝對造球的均勻程度和球團的密度有較高要求 , 造球篩分控制系統主要完成造球生產過程的控制 , 為豎爐本體焙燒提供優質生球。系統由 6 臺 NCS-3000 FF 分布式智能 I/O 控制器來控制，每臺控制器可連接 48 點 DI/DO ，共 288 點， 控制方式有上位機自動控制、上位機手動控制、操作臺手動控制和現場機旁箱手動控制。系統包括造球料倉、干料倉、配料圓盤、造球圓盤、圓輥篩、 電動卸料器、干料皮帶、返粉皮帶、返球皮帶和球料皮帶等設備，可 根據配料要求隨意選擇運行的造球倉并在線隨時換倉；根據設定下料量， 對配料圓盤實現變頻調速，構成開環調節系統，實時調節造球速度；對配料圓盤、造球圓盤、圓輥篩、 電動卸料器、干料皮帶、返粉皮帶、返球皮帶和球料皮帶 實現連鎖順序啟動 / 停止和帶料同時啟動 / 停止。

　　豎爐本體電氣控制系統

　　豎爐本體控制系統根據爐況和生產需要，通過調節布料車和布料皮帶的運行，控制球料向豎爐內的投放量及投放時機，從而提高豎爐利用率及產品質量。系統由 2 臺 NCS-3000 FF 分布式智能 I/O 控制器來控制，每臺控制器可連接 48 點 DI/DO ，共 96 點，控制方式有上位機自動控制、上位機手動控制、操作臺手動控制和現場機旁箱手動控制。系統包括布料皮帶、布料車、六輥和電振給料機等設備，根據需要調節布料車及布料皮帶運行狀態；對料皮帶、布料車、六輥和電振給料機 實現連鎖順序啟動 / 停止和帶料同時啟動 / 停止。

　　成品運輸電氣控制系統

　　豎爐成品系統是豎爐焙燒球團的最后環節，主要是對焙燒后的熟球進行冷卻，經皮帶輸送到高爐或料場、補球倉。系統由3 臺 NCS-3000 FF 分布式智能 I/O 控制器來控制，每臺控制器可連接 48 點 DI/DO，共 144 點，控制方式有上位機自動控制、上位機手動控制、操作臺手動控制和現場機旁箱手動控制。系統包括鼓風機、成品皮帶、補球皮帶、鏈板機、刮板機、振動篩和帶冷機等設備，對鼓風機、成品皮帶、補球皮帶、鏈板機、刮板機、振動篩和帶冷機 實現連鎖順序啟動 / 停止和帶料同時啟動 / 停止。

　　過程檢測（儀表）控制系統

過程檢測（儀表）控制的目的是對生產過程中的主要工序和流程采用自動控制，　并且對生產線上的主要工藝參數如流量，壓力，溫度進行實時采集，實時顯示及實時報警。報警包括上上限，上限，下限，下下限，變化率等。對物料的重量，入爐生球的重量、成品的重量、能源等進行累計和計量，可用于生產調度和管理。系統由 8 個 FF H1 總線網段組成， 每個網段有 8-16 臺 FF 現場總線智能儀表。由于采用了 FF 現場總線技術，有很強的模擬信號處理能力，控制策略被下放到現場智能儀表中，以溫度變送器為例，可將多個溫度信號處理后，將信息傳輸給控制器，這樣僅靠儀表設備所提供的功能塊，就能很方便地構成所需要的控制回路，并可隨時診斷出設備的運行狀態，做到功能塊的充分冗余，使系統的安全性得到提高；可進行遠程調試和維護，對現場儀表故障快速診斷及處理。

五．結論與展望

基于 FF 現場總線的球團豎爐控制系統，以 FF 現場總線作為連接現場智能設備和自動化系統的數字式、雙向傳輸、多分支結構的底層通信網，利用現場總線作為通信平臺，實現了現場設備之間以及現場設備和高層系統之間進行全數字化通信，體現了過程測控中分散控制、集中管理的思想，達到整個工業控制系統的全分布式控制和全網絡化運轉。 NCS-3000 系列產品采用 FF 標準，其模塊化設計使系統的安裝組態乃至以后的維護變得非常簡單，為工業企業生產的全面自動化和遠程控制提供良好的支持。