现场总线在烧结机自动控制系统中的应用

1 前言

　　目前，以太网技术具有价格低廉、稳定可靠、通信速率高、软硬件产品丰富、应用广泛以及支持技术成熟等优点，已成为最受欢迎的通信网络之一。而在工业控制领域，TCP/IP工业以太网技术也广泛应用到各个行业。安钢500m

2 烧结机自动控制系统就是基于TCP/

　　IP工业以太网技术实现了对烧结生产过程自动控制、监控及管理。该系统于2012年6月投产以来，运行一直很平稳，成功的向安钢3号高炉提供了优质烧结矿。

2 TCP/IP工业以太网

　　2.1 工业以太网定义

　　工业以太网是指其在技术上与商用以太网（IEEE802.3标准）兼容，但材质的选用、产品的强度和适用性方面应能满足工业现场的需要，即在环境适应性、可靠性、安全性和安装使用方面满足工业现场的需要。

　　与专门为工业控制而开发的现场总线相比，工业以太网技术的优点表现在：以太网技术应用广泛，为所有的编程语言所支持；软硬件资源丰富；易于与Internet连接，实现办公自动化网络与工业控制网络的无缝连接；可持续发展的空间大等。

　　2.2 工业以太网的特点

　　（1）通信的确定性

　　工业控制网络必须满足对实时性的要求，即信号传输要速度快，确定性好。采用星型网络拓扑结构，交换机将网络划分为若干个网段。交换机之间通过主干网络进行连接，交换机可对网络上传输的数据进行过滤，使每个网段内节点间的数据传输只在本地网段内进行，而不需经过主干网，从而本地数据传输不占其它网段的带宽，降低了所有网段和主干网的网络负荷。最后，采用全双工通信方式。在一个用5类双绞线（光缆）连接的全双工交换式以太网中，其中一对线用来发送数据，另一对线用来接收数据，这样交换式全双工以太网消除了冲突的可能，使Ethernet通信确定性和实时性大大提高。

　　（2）可靠性和安全性在实际应用中，主干网一般采用光纤传输，现场设备的连接则可采用屏蔽双绞线，对重要的网段还可采用冗余网络技术，这样大大提高了网络的抗干扰能力和可靠性。另外，实现了与Internet的无缝集成和工厂信息的垂直集成。

　　（3）PROFIBUS DP 网络PROFIBUS是作为德国国家标准DIN19245和欧洲标准EN50170的现场总线，目前已成为中国国家标准GB/T20540-2006的现场总线。由此可看出PROFIBUS在现场总线中的重要的地位。PROFIBUS根据应用特点分为PROFIBUS-DP、PROFIBUS-FMS、PROFIBUS-PA三个兼容版本。支持主—从系统、纯主站系统、多主多从混合系统。其中PROFIBUS-DP适用于自动控制系统和设备级分散I/O之间的通信设计，在过程自动化领域有着广泛的运用。PROFIBUS-DP总线是为高速设备分散控制或自动化控制而设计的，有比较高的数据传输率，特别适用于系统与外部设备之间的通信，远程I/O系统尤为合适。它允许高速度周期性的小批量数据通信，适用于对时间要求比较高的自动化场合。PROFIBUS-DP总线上的设备一般为主站与从站配置，允许构成单主站或多主站系统。多主站系统一般对主站数量有一定的限制。主站周期地读取从站的输入信息并周期地向从站发送输出信息，PROFIBUS-DP还提供智能化现场设备所需的非周期性通信以进行组态、诊断和报警处理等。

3 工业以太网和DP网络在安钢500m2烧结机自动控制系统的应用

　　3.1 安钢500m2烧结机自动控制系统要求

　　该自动控制系统实现了对整个烧结机生产设备的联锁控制，实时数据的采集与分析，过程与设备状态的监控与报警，过程趋势数据的采集与处理，报表打印，画面显示。完成了生产设备的基础自动化及过程计算机控制。烧结工艺对自动系统的主要要

　　求有以下几点：

　　（1）自动控制系统可实现配混系统、烧冷系统、成品筛分系统、主抽风系统、主粉尘系统及电除尘卸灰系统的逻辑顺序控制。

　　（2）自动控制系统对主抽风机、点火炉、混合机加水等生产工艺的数据采集处理及回路控制。

　　（3）全厂辅助设备在主控室的监控。如除尘设备、加油设备。

　　3.2 现场控制级

　　全厂共设计了5个配电室（机尾配电室、配料配电室、成品配电室，主电气楼、主抽电气室）控制了全厂的电气仪表设备。控制系统输入、输出点共4000余点。根据工艺要求和设备就近配置的原则，控制系统共设4个PLC主站分别为：配料站（配料配电室）、烧结电气站（主电气楼）、烧结仪表站（主电气楼）、主抽站（主抽电气室）。5个主站下带分站20个，分别在机尾配电室、成品配电室分布。中间用RG6电缆进行连接。

　　主站选用施耐德电气公司的QUANTUM 140系列PLC。主站和分站之间通过RIO（远程I/O）进行通信。

　　3.3 环网传输级

　　各个PLC站、上位监控机、工程师站之间采用环路光纤的TCP/IP工业以太网连接，构成了烧结生产的综合监控网络。

　　采用环网技术，光纤从第一台交换机出发，最后返回第一台交换机在网络路径上形成闭合，并保证网络传输速度为100MBPS，正常的时候，网络数据逆时针旋转，当网络由于某种原因发生故障，此时环网自动断裂，形成线性网络，它依然能够保证网络的所有特性，不影响任何工作，直到网络修复。当网络修复后，它还支持热愈合，可无级恢复故障。就好象没有故障发生一样。

　　环网用5个赫斯曼网络交换机进行连接，分别放于5个配电室内，方便各主站PLC、辅助设备接入综合监控网络。

　　交换机选用赫斯曼MICE MS20系列，配备2个光口，6个电口。支持环网冗余功能。通过软件可以设定其中2个口为冗余功能。主交换机放于工程师站，方便操作室监控机和其连接，也便于工程师管理和维护。安放在各配电室方便需要联网设备的连接。系统网络配置简图如图1所示。[page]

图1 安钢500烧结机自控系统网络结构图

　　3.4 DP网络500m2烧结机自动配料中的应用

　　由于这次500m2烧结机采用单仓单料配比控制，控制精度要求非常高。因此这次配料控制采用了申克的VEG20600二次表进行现场配料控制。本表具有应用于连续称重的紧凑型测控系统；内置显示屏和操作面板；借助总线技术优化通信结构；EasyServe电脑软件简化调试和维护；具有自检和诊断功能，运行稳定可靠；具有自动标定程序，方便操作。

　　主要技术指标：

　　（1）计量性能

　　①准确度：±0.1%
　　②线性度：≤0.06%F.S
　　③重复性：≤0.06%

　　（2）基本参数

　　①瞬时流量显示：0~1500t/h
　　②累计量：0~9999999t
　　③速度输入（RPM）：NAMUR0.04~2500Hz
　　④传感器输入：Rmin80Ω
　　⑤模拟量输入：电流输入，无隔离，外部设定点0~20mA

　　（3）工作条件

　　①操作温度：-25℃~+45℃
　　②相对湿度：不大于85%无结露、无冷凝
　　③供电电源：DC24V+30%~-25%

　　（4）功能特点

　　①全部键盘数字调校及工作参数设置
　　②具有标定、预给料机控制、通信功能
　　③打印机串行接口（RS232）
　　④串行主机接口（RS232）
　　⑤两路AD（模拟量输入）
　　⑥两路DA（模拟量输出：0~20mA）
　　⑦两个数字量输入（24V，5mA）故障保护存储（EEPROM）
　　⑧完整的诊断和自检功能（SPC）
　　⑨高电磁兼容性、电磁隔离输出触点
　　⑩出厂预设置，方便快捷简便的调试

　　?自动标定程序，无需人工干预计算量程范围
　　?状态、事件、标定和累计量输出
　　?具有自测和自学功能的模块

　　（5）针对定量给料机具有的功能特点

　　①下料点到称重点的位移补偿

　　②自动皮带位移检测

　　③皮带影响补偿这次主要用到了本表的调节控制功能、通信功能和校皮功能。现场18台VEG20600二次表通过DP总线接入配料PLC，所有的输入、输出控制参数都通过DP总线读取、写入VEG20600二次表，实现了配比的自动控制，远程校皮，皮带跑偏报警，累计量等功能。

　　配料控制精度达到了1%以下，提高了烧结矿的质量，保障了高炉的顺行，效益巨大，约年产生经济效益至少50万元。

　　3.5 管理级

　　监控系统（操作站）集中设置在电气楼中央控制室。上位监控机通过上位监视画面（HMI）采用施耐德公司的citect 7.2监控软件，实现生产过程工艺流程及各参数的采集显示、报警、回路控制画面，历史数据存储及趋势图，报表等监控功能。2台服务器互相冗余。为操作员有效操作烧结过程创造有利条件。工程师站配备2台上位机，通过以太网对下位程序编辑、改动、上传和下载，大大提高了工作效率。

4 结论

　　由于该系统主网采用了工业以太网环网结构，使各系统设备便于连接通信，降低设备成本。配料采用了DP总线控制申克的VEG20600二次表进行现场配料控制，大大节省了PLC的占用率，提高了PLC运行速度和可靠性。该系统自2012年6月投产以来，运行一直很平稳，没有出现过停机事故，故障率低，安全、可靠性高，是总线在大型烧结机自动化生产的成功应用。