工业现场总线技术在高炉系统上的应用

一 前言

    工业现场总线技术是近年来自动化行业最为关注的技术之一，给自动化控制技术带来了很大的进步。传统的现场级控制系统系统不开放、可集成性差、而且可靠性不易保证。现场总线控制系统（Fieldbus Control System，FCS）使用一条通信电缆将现场设备（智能化、带有通信接口）连接，用数字化通信代替4-20mA/24VDC信号，完成现场设备控制、监测、远程参数化等功能。它具有很多优点，在工业自动化领域有明显的优势，如集成性高、组态简单、设计安装方便、易于维护和扩展、可以节约软硬件投资等，使先进的现场设备管理功能得以实现。现场总线已广泛应用于各个领域，如电力监控、能源管理等。

    武钢炼铁厂从2003年六号高炉新建工程开始尝试使用现场总线，这也是全国首例在高炉系统中采用总线。在六号高炉刚投产之初，一场意外导致主控楼失火，将炉顶布料和热风炉系统几乎所有电气线路烧坏，按照传统的现场级控制方式起码要半个月的恢复时间，但因为使用了现场总线，电缆数量很少，我们仅用了三天时间就恢复了生产，使高炉提前十几天恢复生产，突出显示了高炉现场总线控制系统在维护和抢修方面相对于传统的现场控制方式的强大优势。现场总线技术在武钢炼铁厂的应用，使得高炉的电气设备在控制和稳定性上得到了很大提高，目前已经在其它各高炉得到推广，在炼铁厂取得了良好的效果。

二 传统的高炉自动化控制系统的现状及不足

    高炉系统主要由炉顶上料系统、槽上和槽下供料系统、卷扬系统、喷煤系统、热风炉系统、炉前出铁场系统和INBA渣处理系统等构成，生产工艺复杂，分散点多，环境条件特殊，对电气设备的要求非常高，这就造成了电气自动化系统非常庞杂，故障率高，维护量大。

    目前我国高炉所采用的控制基本上是传统的现场控制方式。传统的现场级与车间级自动化监控及信息集成系统（包括：基于PC、PLC、DCS产品的分布式控制系统），其主要特点之一是，现场层设备与控制器之间的连接是一对一（一个I/O点对设备的一个测控点）所谓I/O接线方式，信号传递4-20mA（传送模拟量信息）或24VDC（传送开关量信息）信号。如图1所示：

图1  高炉现场控制方式示意图

    从图我们可以看出，这种传统的现场级自动化监控系统有几个缺点：

    （1）信息集成能力不强；

    （2）系统不开放、可集成性差、专业性不强；

    （3）可靠性不易保证，它的主要缺点在于主机入口处的瓶颈现象。

    由于现场及设备多，且比较分散，信号进入PLC后，必须经过A/D、D/A的转换过程，且精确度有所降低，迫使PLC 的扫描周期加长，使整个主机性能下降，威胁到高炉各种信号的实时性。影响到高炉控制系统的稳定性和可靠性。

三 基于现场总线的高炉自动化控制系统的原理及特点

    Profibus 是唯一的全集成H1（过程）和H2（工厂自动化）的现场总线解决方案，是一种不依赖于制造商的开放式现场总线标准。采用Profibus标准系统，不同的制造商所生产的设备部须对其接口进行特别调整就可通信，Profibus可用于高速并对时间苛求的数据传输，也可用于大范围的复杂通信场合。

    Profibus根据应用特点分为Profibus-DP , Profibus-FMS , Profibus-PA三个兼容版本。其中，Profibus-DP（H2）是一种经过优化的高速通信连接，专为自动控制系统和设备级分散I/O之间的通信设计的，可用于分布式控制系统的高速数据传输，其传输速率可达12Mbit/s，一般构成单主站系统。

    Profibus的特点为可使分散式数字化控制器从现场层到车间级网络化，该系统分为主站和从站。主站决定总线的数据通信，当主站得到总线控制权（令牌）时，没有外界请求也可以主动发送信息。从站为外围设备，典型的从站包括输入输出设备，控制器，驱动器和测量变送器。他们没有总线控制权，仅对接收到的信息给予确认或当主站发出请求时向从站发送信息。[page]

    现场总线是以单个分散的、数字化、智能化的测量和控制设备作为网络节点，用总线相连接，实现相互交换信息，共同完成自动控制功能的网络系统与控制系统。它适合于替代价格昂贵的 24V DC和 4～20mA测量信号平行传输线路。在节省线路与设备的同时，也为武钢炼铁厂的以太网系统提供了现场级的控制功能。其原理如下图2所示：

图2  现场总线原理图

    从图中我们可以看到现场总线主要有以下优点：

    （1）减少设备（如隔离器、端子点数），节省工程费用。

    （2）由于免去了D/A及A/D转换的过程，使信号精确度r提高。

    （3）可以避免上千个检测点和控制点的检测信号汇集到DCS 的入口处所造成的信号堵塞，而是把控制功能下放到现场，增加了系统的可靠性。

    （4）组态简单，安装、运行、维护简便；

    （5）采用IP67的防护等级，使之完全适合高炉现场的恶劣环境。

四 武钢炼铁厂总线监控及组态方式

    4.1与PLC的总线接口

    武钢炼铁厂采用施耐德PLC（Quantum系列），它采用PTQ模块对总线进行组态，PTQ模块支持工业总线Profibus-DP协议，具有很强的扩展性，机架上挂接一块PTQ模块，利用Profibus-DP 协议从工业总线上采集数据、控制现场设备的运行。通过Turck公司提供的GSD文件，采用ProSoft Configuration Builder总线配置软件，完成对总线的配置，然后利用施耐德PLC编程软件Concept导入配置后的文件，然后通过程序完成对总线设备的监控和操作。组态图如图3：

图  组态

 
    4.2计算机监控

    在总线监控画面中，我们采用Wonderware公司的Intouch软件进行监控，可以监控每个总线模块的通讯状态，当出现总线报警时，我们很快就可以通过总线确认出现故障的设备，有效地提高了故障抢修的时间。

五 应用效果及未来展望

    采用现场总线避免了大量的点到点的电缆敷设，降低了线路敷设设计的难度和施工的复杂性，节省了投资、安装、调试及维护的费用，维护方便，减少了高炉休风次数，为炼铁厂的生产带来了直接的经济效益，收到了良好效果。

    面对工业技术革命的挑战，我们应该把握机遇。现场总线技术在自动化控制系统中的应用，必将拥有越来越广泛的领域和空间，对我们的发展起到良好的促进作用。