基金會現場總線FF技在高爐循環水泵站自動化控制系統中的應用
一。概述
1．方案的目的及范圍
中國科學院沈陽自動化研究所以及中科博微自動化技術有限公司非常榮幸能為西林鋼鐵集團有限公司高爐循環水泵站自動化控制系統提供技術方案。我們深信本項目為我們公司提供了很好的機會證實了我們早期積極靈活的態度是為了以必要的適應性 , 技巧性 ,以及專業精神 , 從而項目順利完成。
本文檔詳細描述了我們針對要求的 PLC 控制系統、在線儀表及監視控制自動化設備所選擇的標的物的總說明、詳細技術參數和供貨范圍技術方案的背景。
２．技術方案的背景
我們的技術方案基于以下文檔資料：
西林鋼鐵集團有限公司高爐循環水泵站自動化控制系統 招標文件并保證本方案中的技術細節均符合招標文件中的各項要求。
根據黑龍江省西林鋼鐵集團有限公司高爐循環水泵站自動化控制系統 招標文件及我公司在焦化實施工作中的實際經驗，結合國內外現代化高爐循環水自動系統的先進技術和發展趨勢，充分發揮我公司的綜合實力，使該自動控制系統達到國際先進水平前提下，基礎自動化控制系統的配置達到二十一世紀的國內先進水平，做到電、儀自動化控制系統一體化， 在保證系統總體技術方案的完整性、先進性、合理性，在總體上降低用戶的投資，為用戶提供最優化的產品及服務。以最優化的用戶構造成本及總運行成本，實現最優化的產品布局和服務，并考慮最優價格性能比而編制的，最終實現用戶經濟效益和社會效益的最大化。
３．控制系統概要
Quantum 系列 PLC 簡介
根據設計要求，本系統采用法國施耐德電氣公司的 MODICON TSX QUANTUM 自動化平臺，各分站 CPU 采用 140CPU43412A ，系統內所有 PLC 模塊均為 QUANTUM 系列模塊，均可實現帶電插拔。典型應用包括：控制連網與互鎖、數據采集、程序上裝 / 下裝，遠程在線編程，與操作員接口之間的連接和主機數據采集。
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品之一。 984 系列可編程序控制器共有 18 個型號 , 可處理的開關量 I/O 從 256 到 16384 點 , 但用戶只需掌握一套指令系統、一種體系結構和一套編程軟件 , 即可應用于各種型號 , 系統的兼容性也減少了用戶最初選擇系統所承擔的風險。在系統進行升級改型時 , 仍可繼續使用原有的 I/O 系統 , 原系統的應用軟件原則上可繼續使用。
Quantum 可編程序控制器繼承了 984 向下兼容的特點 , 硬件上仍可使用 984 的 800I/O 系統 , 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、可擴展的體系結構 , 可用于工業和制造過程的實時控制 , 能夠滿足中型至大型控制系統的控制要求。系統包括 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 系統的組成如圖所示。
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 PLC 的工作過程都是在CPU 模塊的統一指揮和協調下進行的。 CPU 模塊的主要任務是按一定的規律或要求讀入被控對象的各種工作狀態 , 然后根據用戶編制的應用程序要求去處理有關數據 , 最后再向被控制對象送出相應的控制 （ 驅動 ） 信號。 CPU 模塊與被控制對象之間的聯系是通過各種 I/O（Input/Output） 接口實現的。
PLC 的 CPU 模塊通常是指 PLC 中的主控板 , 它與一般計算機系統中的 CPU 概念不同 , 后者常用 CPU 表示一個中央處理器 , 即它是一塊集成芯片。事實上 , 在一個中型或大型 PLC 的中央處理模板上 , 不僅有 CPU 集成芯片 , 而且還有一定數量的 ROM 或 EPROM（ 儲存系統的操作系統 ） 和 RAM（ 儲存少量的數據或用戶程序 ）
在中型或大型的 PLC 中常裝有兩個中央處理器 : 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 （byte） 指令理 , 并實現各種控制作用 （ 包括對位處理器 ' 的控制 ） 。而位處理器是輔助處理器 , 它主要處理位式 （bit） 信息 , 其主要特點是它在處理位式信息時 , 速度可以很高。在小型 PLC 中 , 往往只用一個處理器同時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區 ;
（2） 用掃描方式接收源自被控對象的狀態信號 , 并存入相應的數據區 （ 輸入映像區 ）;
（3） 檢查用戶程序的語法錯誤 , 并給出錯誤信息 ;
（4） 監測系統狀態及電源系統 ;
（5） 執行用戶程序 , 完成各種數據的處理、傳輸和存儲等功能 ;
（6） 根據數據處理的結果 , 刷新輸出狀態表 , 完成對各種外部設備的實時控制和其他輔助工作 （ 如顯示和打印等 ） 。
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 模塊內含有執行存儲器、應用程序存儲器、通訊端口以及 CPU 狀態、通訊端口狀態 LED 指示燈。 LED 狀態指示燈顯示 CPU 本身及所有通訊端口的工作是否正常 , 以便及時進行故障檢修。 Quantum CPU 使用閃速存儲器 （Flash Memory） 技術 , 支持控制器的執行存儲器和指令集。操作系統的升級可通過 Modbus 和 Modbus Pius 通訊端口直接下裝給 CPIJ 的閃速存儲器 , 代替、更換 EPROM 芯片或執行卡執行現場修改。對于較復雜的過程控制 ,Quantum CPU 可通過過程控制功能庫 （Process Control Function Libray, 簡寫為 PCFL）, 由協處理器配合完成過程控制中較復雜的代數及數學運算。 Quantum 系列 CPU 使用電池后備的 RAM, 以保護用戶應用程序 , 電池安裝在 CPU 模塊正面 , 當控制器運行時即可投入使用。
在 CPU 的前面板還裝有兩個 3 位置滑動開關 , 左邊的開關是用來保護存儲器的 , 當開關在上面位置時起保護作用。右邊的 3 位置滑動開關用來選擇設定 Modbus（RS-232C） 通信參數 , 包括 ASCII 通信端口參數、 RTU 通信端口參數和有效通信端口參數。
CPU 模塊前面板上都有標準的 Modbus 和 Modbus Plus 通信接口 , 以支持兩種聯網方案 ,CPU 前面板上的 LED 指示燈用于指示其工作狀態。 CPU 模塊的后面板上裝有兩個旋轉開關 , 它們用于設置 Modbus Plus 節點和 Modbus 端口地址 , 有效地址為 1～640 。 SWl 設置地址高位 （ 十位 ）,SW2 設置低位 （ 個位 ） 。如果節點地址選為 0 或大于 64,Modbus+LED 將維持常亮 , 以指示所選地址元效。對于 Modbus 端口 , 包括波特率、數據位、停止位、奇偶校驗位、站地址以及協議等端口均設置在控制器配置中。缺省時 , 端口設置編程參數為 :9600,E,8,1,RTU,model 。 CPU 面板上的開關能將端口設置為調制解調器工作方式 :2400, E, 7, 1, ASCII 。
Quantum CPU 技術性能見表 2-1 。
Quantum CPU 模塊包括一個 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用程序生成提供工具 , 這些基于 984 指令集的指令確保各項應用的兼容易于組合。梯形圖邏輯指令見表 2-2 。
開關量和模擬量 I/O 模塊
開關量 I/O 模塊的主要作用是實現 PLC 與外部設備之間數字信號的連接。它完成電平轉換、電氣隔離、串 / 并型數據轉換、碼字錯誤檢測以及提供具有足夠驅動能力的各種數字驅動信號等工作 , 有時還可提供各種中斷和通訊等方面的控制信號。開關量 I/0 模塊通常配置有相應的 LED 狀態顯示器 , 以利于操作人員的監測。
開關量 I/O 的輸入信號常來自按扭、開關和繼電器觸點等實際開關量 , 也可以是各種外設或被控制對象送來的數字量。它的數字輸出信號主要是以繼電器觸點或與 TTL 電平兼容的數字電平形式提供的。模擬量 I/O 模塊主要實現 PLC 與外部 I/O 裝置之間模擬信號的連接。其中模擬量輸入模塊主要完成阻抗匹配、 I/V 轉換、小信號放大、信號濾波以及 A/D 轉換等功能 , 實現將被控對象送出的模擬量轉換成 PLC 易于處理的數字量的作用。模擬量輸出模塊主要完成阻抗匹配、功率放大和波形校正等功能 , 以便向被控對象提供正常工作所需要的模擬控制 （ 驅動 ） 信號。
在一些高精度和高抗干擾的 PLC 系統中 , 模擬量 I/0 模塊也需要有光電隔離措施。由于模擬信號的隔離問題遠比數字信號隔離困難 , 因此常在模擬量 I/O 模塊上只配置若干具有隔離措施的端口 , 以降低系統的復雜度和成本。需要指出的是 : 在模擬量 I/O 模塊中 , 模擬信號一般不能用光電藕合器作隔離 , 因為它不能保證良好的線性度 , 因此往往采用成本較高的隔離放大器來實現隔離作用。模擬量 I/O 模塊中的數字邏輯部分可以采用光電隔離器來隔離。無論是開關量 I/O 模塊 , 還是模擬量 I/O 模塊 , 通常均應根據實際控制的要求和有關的技術指標來進行配置和選擇。
Quantum 系列 PLC 使用全范圍、高性能的 I/O 模塊 , 符合國際上認可的 IEC 電氣標準 , 確保惡劣工作環境下的可靠性。 Quantum 的 I/O 模塊允許 " 帶電插拔 ", 這種特性為現場運行維護帶來了許多方便。
所有的 Quantum PLC I/O 模塊均可使用編程軟件實現軟件配置。 I/O 的軟件配置允許用戶為每個模塊配置 I/O 地址。軟件尋址使現有系統在加入模塊或改變 I/O 配置時 , 無需從物理上改變應用程序。軟件配置的另一個優點是刪除空槽 , 這是由用物理地址系統來建立地址映像的限制而造成的。 I/O Map 的概念是基于智能模塊的擴充 , 該智能模塊需要地址范圍以外的額外信息。
Quantum 系列 PLC 的 I/O 模塊如圖 2-3 所示。每個模塊都有 LED 信息 , 包括現有的 I/O 狀態和現場接線故障、熔斷器斷開、超過量程等信息。每一個 I/O 模塊需要一個單獨的 I/O 接線端子 P/N 140 XTS 002 00 。所有的 I/O 模塊使用同樣的連接端子 , I/O 端子有 （20） #14 標準線和 （40）#16 標準線 , 采用 THHN 級絕緣。
Quantum 系列 PLC 的 I/O 模塊類型一覽表如表 2-3 所示。
1．方案的目的及范圍
中國科學院沈陽自動化研究所以及中科博微自動化技術有限公司非常榮幸能為西林鋼鐵集團有限公司高爐循環水泵站自動化控制系統提供技術方案。我們深信本項目為我們公司提供了很好的機會證實了我們早期積極靈活的態度是為了以必要的適應性 , 技巧性 ,以及專業精神 , 從而項目順利完成。
本文檔詳細描述了我們針對要求的 PLC 控制系統、在線儀表及監視控制自動化設備所選擇的標的物的總說明、詳細技術參數和供貨范圍技術方案的背景。
２．技術方案的背景
我們的技術方案基于以下文檔資料：
西林鋼鐵集團有限公司高爐循環水泵站自動化控制系統 招標文件并保證本方案中的技術細節均符合招標文件中的各項要求。
根據黑龍江省西林鋼鐵集團有限公司高爐循環水泵站自動化控制系統 招標文件及我公司在焦化實施工作中的實際經驗，結合國內外現代化高爐循環水自動系統的先進技術和發展趨勢，充分發揮我公司的綜合實力，使該自動控制系統達到國際先進水平前提下，基礎自動化控制系統的配置達到二十一世紀的國內先進水平，做到電、儀自動化控制系統一體化， 在保證系統總體技術方案的完整性、先進性、合理性，在總體上降低用戶的投資，為用戶提供最優化的產品及服務。以最優化的用戶構造成本及總運行成本，實現最優化的產品布局和服務，并考慮最優價格性能比而編制的，最終實現用戶經濟效益和社會效益的最大化。
３．控制系統概要
Quantum 系列 PLC 簡介
根據設計要求，本系統采用法國施耐德電氣公司的 MODICON TSX QUANTUM 自動化平臺，各分站 CPU 采用 140CPU43412A ，系統內所有 PLC 模塊均為 QUANTUM 系列模塊，均可實現帶電插拔。典型應用包括：控制連網與互鎖、數據采集、程序上裝 / 下裝，遠程在線編程，與操作員接口之間的連接和主機數據采集。
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品之一。 984 系列可編程序控制器共有 18 個型號 , 可處理的開關量 I/O 從 256 到 16384 點 , 但用戶只需掌握一套指令系統、一種體系結構和一套編程軟件 , 即可應用于各種型號 , 系統的兼容性也減少了用戶最初選擇系統所承擔的風險。在系統進行升級改型時 , 仍可繼續使用原有的 I/O 系統 , 原系統的應用軟件原則上可繼續使用。
Quantum 可編程序控制器繼承了 984 向下兼容的特點 , 硬件上仍可使用 984 的 800I/O 系統 , 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、可擴展的體系結構 , 可用于工業和制造過程的實時控制 , 能夠滿足中型至大型控制系統的控制要求。系統包括 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 系統的組成如圖所示。
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 PLC 的工作過程都是在CPU 模塊的統一指揮和協調下進行的。 CPU 模塊的主要任務是按一定的規律或要求讀入被控對象的各種工作狀態 , 然后根據用戶編制的應用程序要求去處理有關數據 , 最后再向被控制對象送出相應的控制 （ 驅動 ） 信號。 CPU 模塊與被控制對象之間的聯系是通過各種 I/O（Input/Output） 接口實現的。
PLC 的 CPU 模塊通常是指 PLC 中的主控板 , 它與一般計算機系統中的 CPU 概念不同 , 后者常用 CPU 表示一個中央處理器 , 即它是一塊集成芯片。事實上 , 在一個中型或大型 PLC 的中央處理模板上 , 不僅有 CPU 集成芯片 , 而且還有一定數量的 ROM 或 EPROM（ 儲存系統的操作系統 ） 和 RAM（ 儲存少量的數據或用戶程序 ）
在中型或大型的 PLC 中常裝有兩個中央處理器 : 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 （byte） 指令理 , 并實現各種控制作用 （ 包括對位處理器 ' 的控制 ） 。而位處理器是輔助處理器 , 它主要處理位式 （bit） 信息 , 其主要特點是它在處理位式信息時 , 速度可以很高。在小型 PLC 中 , 往往只用一個處理器同時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區 ;
（2） 用掃描方式接收源自被控對象的狀態信號 , 并存入相應的數據區 （ 輸入映像區 ）;
（3） 檢查用戶程序的語法錯誤 , 并給出錯誤信息 ;
（4） 監測系統狀態及電源系統 ;
（5） 執行用戶程序 , 完成各種數據的處理、傳輸和存儲等功能 ;
（6） 根據數據處理的結果 , 刷新輸出狀態表 , 完成對各種外部設備的實時控制和其他輔助工作 （ 如顯示和打印等 ） 。
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 模塊內含有執行存儲器、應用程序存儲器、通訊端口以及 CPU 狀態、通訊端口狀態 LED 指示燈。 LED 狀態指示燈顯示 CPU 本身及所有通訊端口的工作是否正常 , 以便及時進行故障檢修。 Quantum CPU 使用閃速存儲器 （Flash Memory） 技術 , 支持控制器的執行存儲器和指令集。操作系統的升級可通過 Modbus 和 Modbus Pius 通訊端口直接下裝給 CPIJ 的閃速存儲器 , 代替、更換 EPROM 芯片或執行卡執行現場修改。對于較復雜的過程控制 ,Quantum CPU 可通過過程控制功能庫 （Process Control Function Libray, 簡寫為 PCFL）, 由協處理器配合完成過程控制中較復雜的代數及數學運算。 Quantum 系列 CPU 使用電池后備的 RAM, 以保護用戶應用程序 , 電池安裝在 CPU 模塊正面 , 當控制器運行時即可投入使用。
在 CPU 的前面板還裝有兩個 3 位置滑動開關 , 左邊的開關是用來保護存儲器的 , 當開關在上面位置時起保護作用。右邊的 3 位置滑動開關用來選擇設定 Modbus（RS-232C） 通信參數 , 包括 ASCII 通信端口參數、 RTU 通信端口參數和有效通信端口參數。
CPU 模塊前面板上都有標準的 Modbus 和 Modbus Plus 通信接口 , 以支持兩種聯網方案 ,CPU 前面板上的 LED 指示燈用于指示其工作狀態。 CPU 模塊的后面板上裝有兩個旋轉開關 , 它們用于設置 Modbus Plus 節點和 Modbus 端口地址 , 有效地址為 1～640 。 SWl 設置地址高位 （ 十位 ）,SW2 設置低位 （ 個位 ） 。如果節點地址選為 0 或大于 64,Modbus+LED 將維持常亮 , 以指示所選地址元效。對于 Modbus 端口 , 包括波特率、數據位、停止位、奇偶校驗位、站地址以及協議等端口均設置在控制器配置中。缺省時 , 端口設置編程參數為 :9600,E,8,1,RTU,model 。 CPU 面板上的開關能將端口設置為調制解調器工作方式 :2400, E, 7, 1, ASCII 。
Quantum CPU 技術性能見表 2-1 。
Quantum CPU 模塊包括一個 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用程序生成提供工具 , 這些基于 984 指令集的指令確保各項應用的兼容易于組合。梯形圖邏輯指令見表 2-2 。
開關量和模擬量 I/O 模塊
開關量 I/O 模塊的主要作用是實現 PLC 與外部設備之間數字信號的連接。它完成電平轉換、電氣隔離、串 / 并型數據轉換、碼字錯誤檢測以及提供具有足夠驅動能力的各種數字驅動信號等工作 , 有時還可提供各種中斷和通訊等方面的控制信號。開關量 I/0 模塊通常配置有相應的 LED 狀態顯示器 , 以利于操作人員的監測。
開關量 I/O 的輸入信號常來自按扭、開關和繼電器觸點等實際開關量 , 也可以是各種外設或被控制對象送來的數字量。它的數字輸出信號主要是以繼電器觸點或與 TTL 電平兼容的數字電平形式提供的。模擬量 I/O 模塊主要實現 PLC 與外部 I/O 裝置之間模擬信號的連接。其中模擬量輸入模塊主要完成阻抗匹配、 I/V 轉換、小信號放大、信號濾波以及 A/D 轉換等功能 , 實現將被控對象送出的模擬量轉換成 PLC 易于處理的數字量的作用。模擬量輸出模塊主要完成阻抗匹配、功率放大和波形校正等功能 , 以便向被控對象提供正常工作所需要的模擬控制 （ 驅動 ） 信號。
在一些高精度和高抗干擾的 PLC 系統中 , 模擬量 I/0 模塊也需要有光電隔離措施。由于模擬信號的隔離問題遠比數字信號隔離困難 , 因此常在模擬量 I/O 模塊上只配置若干具有隔離措施的端口 , 以降低系統的復雜度和成本。需要指出的是 : 在模擬量 I/O 模塊中 , 模擬信號一般不能用光電藕合器作隔離 , 因為它不能保證良好的線性度 , 因此往往采用成本較高的隔離放大器來實現隔離作用。模擬量 I/O 模塊中的數字邏輯部分可以采用光電隔離器來隔離。無論是開關量 I/O 模塊 , 還是模擬量 I/O 模塊 , 通常均應根據實際控制的要求和有關的技術指標來進行配置和選擇。
Quantum 系列 PLC 使用全范圍、高性能的 I/O 模塊 , 符合國際上認可的 IEC 電氣標準 , 確保惡劣工作環境下的可靠性。 Quantum 的 I/O 模塊允許 " 帶電插拔 ", 這種特性為現場運行維護帶來了許多方便。
所有的 Quantum PLC I/O 模塊均可使用編程軟件實現軟件配置。 I/O 的軟件配置允許用戶為每個模塊配置 I/O 地址。軟件尋址使現有系統在加入模塊或改變 I/O 配置時 , 無需從物理上改變應用程序。軟件配置的另一個優點是刪除空槽 , 這是由用物理地址系統來建立地址映像的限制而造成的。 I/O Map 的概念是基于智能模塊的擴充 , 該智能模塊需要地址范圍以外的額外信息。
Quantum 系列 PLC 的 I/O 模塊如圖 2-3 所示。每個模塊都有 LED 信息 , 包括現有的 I/O 狀態和現場接線故障、熔斷器斷開、超過量程等信息。每一個 I/O 模塊需要一個單獨的 I/O 接線端子 P/N 140 XTS 002 00 。所有的 I/O 模塊使用同樣的連接端子 , I/O 端子有 （20） #14 標準線和 （40）#16 標準線 , 采用 THHN 級絕緣。
Quantum 系列 PLC 的 I/O 模塊類型一覽表如表 2-3 所示。
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