現(xiàn)場(chǎng)總線FF技在高爐循環(huán)水泵站控制系統(tǒng)中的應(yīng)用
一、概述
1.方案的目的及范圍
中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所以及中科博微自動(dòng)化技術(shù)有限公司非常榮幸能為西林鋼鐵集團(tuán)有限公司高爐循環(huán)水泵站自動(dòng)化控制系統(tǒng)提供技術(shù)方案。我們深信本項(xiàng)目為我們公司提供了很好的機(jī)會(huì)證實(shí)了我們?cè)缙诜e極靈活的態(tài)度是為了以必要的適應(yīng)性 , 技巧性 ,以及專業(yè)精神 , 從而項(xiàng)目順利完成。
本文檔詳細(xì)描述了我們針對(duì)要求的 PLC 控制系統(tǒng)、在線儀表及監(jiān)視控制自動(dòng)化設(shè)備所選擇的標(biāo)的物的總說明、詳細(xì)技術(shù)參數(shù)和供貨范圍技術(shù)方案的背景。
２.技術(shù)方案的背景
我們的技術(shù)方案基于以下文檔資料：
西林鋼鐵集團(tuán)有限公司高爐循環(huán)水泵站自動(dòng)化控制系統(tǒng) 招標(biāo)文件并保證本方案中的技術(shù)細(xì)節(jié)均符合招標(biāo)文件中的各項(xiàng)要求。
根據(jù)黑龍江省西林鋼鐵集團(tuán)有限公司高爐循環(huán)水泵站自動(dòng)化控制系統(tǒng) 招標(biāo)文件及我公司在焦化實(shí)施工作中的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合國內(nèi)外現(xiàn)代化高爐循環(huán)水自動(dòng)系統(tǒng)的先進(jìn)技術(shù)和發(fā)展趨勢(shì)，充分發(fā)揮我公司的綜合實(shí)力，使該自動(dòng)控制系統(tǒng)達(dá)到國際先進(jìn)水平前提下，基礎(chǔ)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的配置達(dá)到二十一世紀(jì)的國內(nèi)先進(jìn)水平，做到電、儀自動(dòng)化控制系統(tǒng)一體化， 在保證系統(tǒng)總體技術(shù)方案的完整性、先進(jìn)性、合理性，在總體上降低用戶的投資，為用戶提供最優(yōu)化的產(chǎn)品及服務(wù)。以最優(yōu)化的用戶構(gòu)造成本及總運(yùn)行成本，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化的產(chǎn)品布局和服務(wù)，并考慮最優(yōu)價(jià)格性能比而編制的，最終實(shí)現(xiàn)用戶經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益的最大化。
３.控制系統(tǒng)概要
Quantum 系列 PLC 簡介
根據(jù)設(shè)計(jì)要求，本系統(tǒng)采用法國施耐德電氣公司的 MODICON TSX QUANTUM 自動(dòng)化平臺(tái)，各分站 CPU 采用 140CPU43412A ，系統(tǒng)內(nèi)所有 PLC 模塊均為 QUANTUM 系列模塊，均可實(shí)現(xiàn)帶電插拔。典型應(yīng)用包括：控制連網(wǎng)與互鎖、數(shù)據(jù)采集、程序上裝 / 下裝，遠(yuǎn)程在線編程，與操作員接口之間的連接和主機(jī)數(shù)據(jù)采集。
Quantum 系列可編程序控制器是 MODICON 公司于 1994 年推出的 984 換代產(chǎn)品。 MODICON 公司的 984 系列可編程序控制器曾是世界上主要的可編程序控制器產(chǎn)品之一。 984 系列可編程序控制器共有 18 個(gè)型號(hào) , 可處理的開關(guān)量 I/O 從 256 到 16384 點(diǎn) , 但用戶只需掌握一套指令系統(tǒng)、一種體系結(jié)構(gòu)和一套編程軟件 , 即可應(yīng)用于各種型號(hào) , 系統(tǒng)的兼容性也減少了用戶最初選擇系統(tǒng)所承擔(dān)的風(fēng)險(xiǎn)。在系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改型時(shí) , 仍可繼續(xù)使用原有的 I/O 系統(tǒng) , 原系統(tǒng)的應(yīng)用軟件原則上可繼續(xù)使用。
Quantum 可編程序控制器繼承了 984 向下兼容的特點(diǎn) , 硬件上仍可使用 984 的 800I/O 系統(tǒng) , 軟件上可使用 984 的基本指令、功能指令和 Modsoft 編程軟件。
Quantum 可編程序控制器具有模塊化、可擴(kuò)展的體系結(jié)構(gòu) , 可用于工業(yè)和制造過程的實(shí)時(shí)控制 , 能夠滿足中型至大型控制系統(tǒng)的控制要求。系統(tǒng)包括 CPU 模塊、 I/O 模塊、通信模塊、智能模塊、電源模塊和底板。典型的 Quantum 系統(tǒng)的組成如圖所示。
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Quantum 硬件模塊及編程軟件
CPU模塊
中央處理模塊 (Central Processing Unit, 簡稱 CPU 模塊 ) 是可編程控制器的核心部件 , 整個(gè) PLC 的工作過程都是在CPU 模塊的統(tǒng)一指揮和協(xié)調(diào)下進(jìn)行的。 CPU 模塊的主要任務(wù)是按一定的規(guī)律或要求讀入被控對(duì)象的各種工作狀態(tài) , 然后根據(jù)用戶編制的應(yīng)用程序要求去處理有關(guān)數(shù)據(jù) , 最后再向被控制對(duì)象送出相應(yīng)的控制 ( 驅(qū)動(dòng) ) 信號(hào)。 CPU 模塊與被控制對(duì)象之間的聯(lián)系是通過各種 I/O(Input/Output) 接口實(shí)現(xiàn)的。
PLC 的 CPU 模塊通常是指 PLC 中的主控板 , 它與一般計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的 CPU 概念不同 , 后者常用 CPU 表示一個(gè)中央處理器 , 即它是一塊集成芯片。事實(shí)上 , 在一個(gè)中型或大型 PLC 的中央處理模板上 , 不僅有 CPU 集成芯片 , 而且還有一定數(shù)量的 ROM 或 EPROM( 儲(chǔ)存系統(tǒng)的操作系統(tǒng) ) 和 RAM( 儲(chǔ)存少量的數(shù)據(jù)或用戶程序 )
在中型或大型的 PLC 中常裝有兩個(gè)中央處理器 : 字處理器和位處理器。其中字處理器是主處理器 , 它完成字節(jié) (byte) 指令理 , 并實(shí)現(xiàn)各種控制作用 ( 包括對(duì)位處理器 ' 的控制 ) 。而位處理器是輔助處理器 , 它主要處理位式 (bit) 信息 , 其主要特點(diǎn)是它在處理位式信息時(shí) , 速度可以很高。在小型 PLC 中 , 往往只用一個(gè)處理器同時(shí)完成這兩方面的工作。
具體地說 ,PLC 的 CPU 模塊主要完成下述各項(xiàng)工作 :
(1) 接收用戶從編程器輸人的用戶程序 , 并將它們存人用戶存儲(chǔ)區(qū) ;
(2) 用掃描方式接收源自被控對(duì)象的狀態(tài)信號(hào) , 并存入相應(yīng)的數(shù)據(jù)區(qū) ( 輸入映像區(qū) );
(3) 檢查用戶程序的語法錯(cuò)誤 , 并給出錯(cuò)誤信息 ;
(4) 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)狀態(tài)及電源系統(tǒng) ;
(5) 執(zhí)行用戶程序 , 完成各種數(shù)據(jù)的處理、傳輸和存儲(chǔ)等功能 ;
(6) 根據(jù)數(shù)據(jù)處理的結(jié)果 , 刷新輸出狀態(tài)表 , 完成對(duì)各種外部設(shè)備的實(shí)時(shí)控制和其他輔助工作 ( 如顯示和打印等 ) 。
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Quantum CPU 模塊如圖 2-2 所示。
CPU 模塊安裝在 Quantum 本地 I/O 底板上 , 是單槽位控制器。 CPU 模塊內(nèi)含有執(zhí)行存儲(chǔ)器、應(yīng)用程序存儲(chǔ)器、通訊端口以及 CPU 狀態(tài)、通訊端口狀態(tài) LED 指示燈。 LED 狀態(tài)指示燈顯示 CPU 本身及所有通訊端口的工作是否正常 , 以便及時(shí)進(jìn)行故障檢修。 Quantum CPU 使用閃速存儲(chǔ)器 (Flash Memory) 技術(shù) , 支持控制器的執(zhí)行存儲(chǔ)器和指令集。操作系統(tǒng)的升級(jí)可通過 Modbus 和 Modbus Pius 通訊端口直接下裝給 CPIJ 的閃速存儲(chǔ)器 , 代替、更換 EPROM 芯片或執(zhí)行卡執(zhí)行現(xiàn)場(chǎng)修改。對(duì)于較復(fù)雜的過程控制 ,Quantum CPU 可通過過程控制功能庫 (Process Control Function Libray, 簡寫為 PCFL), 由協(xié)處理器配合完成過程控制中較復(fù)雜的代數(shù)及數(shù)學(xué)運(yùn)算。 Quantum 系列 CPU 使用電池后備的 RAM, 以保護(hù)用戶應(yīng)用程序 , 電池安裝在 CPU 模塊正面 , 當(dāng)控制器運(yùn)行時(shí)即可投入使用。
在 CPU 的前面板還裝有兩個(gè) 3 位置滑動(dòng)開關(guān) , 左邊的開關(guān)是用來保護(hù)存儲(chǔ)器的 , 當(dāng)開關(guān)在上面位置時(shí)起保護(hù)作用。右邊的 3 位置滑動(dòng)開關(guān)用來選擇設(shè)定 Modbus(RS-232C) 通信參數(shù) , 包括 ASCII 通信端口參數(shù)、 RTU 通信端口參數(shù)和有效通信端口參數(shù)。
CPU 模塊前面板上都有標(biāo)準(zhǔn)的 Modbus 和 Modbus Plus 通信接口 , 以支持兩種聯(lián)網(wǎng)方案 ,CPU 前面板上的 LED 指示燈用于指示其工作狀態(tài)。 CPU 模塊的后面板上裝有兩個(gè)旋轉(zhuǎn)開關(guān) , 它們用于設(shè)置 Modbus Plus 節(jié)點(diǎn)和 Modbus 端口地址 , 有效地址為 1~640 。 SWl 設(shè)置地址高位 ( 十位 ),SW2 設(shè)置低位 ( 個(gè)位 ) 。如果節(jié)點(diǎn)地址選為 0 或大于 64,Modbus+LED 將維持常亮 , 以指示所選地址元效。對(duì)于 Modbus 端口 , 包括波特率、數(shù)據(jù)位、停止位、奇偶校驗(yàn)位、站地址以及協(xié)議等端口均設(shè)置在控制器配置中。缺省時(shí) , 端口設(shè)置編程參數(shù)為 :9600,E,8,1,RTU,model 。 CPU 面板上的開關(guān)能將端口設(shè)置為調(diào)制解調(diào)器工作方式 :2400, E, 7, 1, ASCII 。
Quantum CPU 技術(shù)性能見表 2-1 。
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Quantum CPU 模塊包括一個(gè) 80 多條指令的指令集。這些指令為離散量處理、模擬量處理和過程控制的應(yīng)用程序生成提供工具 , 這些基于 984 指令集的指令確保各項(xiàng)應(yīng)用的兼容易于組合。梯形圖邏輯指令見表 2-2 。
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