工業(yè)現(xiàn)場總線技術(shù)在高爐系統(tǒng)中的應用

一 前言

　　工業(yè)現(xiàn)場總線技術(shù)是近年來自動化行業(yè)最為關(guān)注的技術(shù)之一，給自動化控制技術(shù)帶來了很大的進步。傳統(tǒng)的現(xiàn)場級控制系統(tǒng)系統(tǒng)不開放、可集成性差、而且可靠性不易保證。現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（Fieldbus Control System，F(xiàn)CS）使用一條通信電纜將現(xiàn)場設備（智能化、帶有通信接口）連接，用數(shù)字化通信代替4-20mA/24VDC信號，完成現(xiàn)場設備控制、監(jiān)測、遠程參數(shù)化等功能。它具有很多優(yōu)點，在工業(yè)自動化領域有明顯的優(yōu)勢，如集成性高、組態(tài)簡單、設計安裝方便、易于維護和擴展、可以節(jié)約軟硬件投資等，使先進的現(xiàn)場設備管理功能得以實現(xiàn)。現(xiàn)場總線已廣泛應用于各個領域，如電力監(jiān)控、能源管理等。

　　武鋼煉鐵廠從2003年六號高爐新建工程開始嘗試使用現(xiàn)場總線，這也是全國首例在高爐系統(tǒng)中采用總線。在六號高爐剛投產(chǎn)之初，一場意外導致主控樓失火，將爐頂布料和熱風爐系統(tǒng)幾乎所有電氣線路燒壞，按照傳統(tǒng)的現(xiàn)場級控制方式起碼要半個月的恢復時間，但因為使用了現(xiàn)場總線，電纜數(shù)量很少，我們僅用了三天時間就恢復了生產(chǎn)，使高爐提前十幾天恢復生產(chǎn)，突出顯示了高爐現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)在維護和搶修方面相對于傳統(tǒng)的現(xiàn)場控制方式的強大優(yōu)勢。現(xiàn)場總線技術(shù)在武鋼煉鐵廠的應用，使得高爐的電氣設備在控制和穩(wěn)定性上得到了很大提高，目前已經(jīng)在其它各高爐得到推廣，在煉鐵廠取得了良好的效果。

二 傳統(tǒng)的高爐自動化控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀及不足

　　高爐系統(tǒng)主要由爐頂上料系統(tǒng)、槽上和槽下供料系統(tǒng)、卷揚系統(tǒng)、噴煤系統(tǒng)、熱風爐系統(tǒng)、爐前出鐵場系統(tǒng)和INBA渣處理系統(tǒng)等構(gòu)成，生產(chǎn)工藝復雜，分散點多，環(huán)境條件特殊，對電氣設備的要求非常高，這就造成了電氣自動化系統(tǒng)非常龐雜，故障率高，維護量大。

　　目前我國高爐所采用的控制基本上是傳統(tǒng)的現(xiàn)場控制方式。傳統(tǒng)的現(xiàn)場級與車間級自動化監(jiān)控及信息集成系統(tǒng)（包括：基于PC、PLC、DCS產(chǎn)品的分布式控制系統(tǒng)），其主要特點之一是，現(xiàn)場層設備與控制器之間的連接是一對一（一個I/O點對設備的一個測控點）所謂I/O接線方式，信號傳遞4-20mA（傳送模擬量信息）或24VDC（傳送開關(guān)量信息）信號。如圖1所示：

　　從圖我們可以看出，這種傳統(tǒng)的現(xiàn)場級自動化監(jiān)控系統(tǒng)有幾個缺點：

　　（1）信息集成能力不強；

　　（2）系統(tǒng)不開放、可集成性差、專業(yè)性不強；

　　（3）可靠性不易保證，它的主要缺點在于主機入口處的瓶頸現(xiàn)象。

　　由于現(xiàn)場及設備多，且比較分散，信號進入PLC后，必須經(jīng)過A/D、D/A的轉(zhuǎn)換過程，且精確度有所降低，迫使PLC 的掃描周期加長，使整個主機性能下降，威脅到高爐各種信號的實時性。影響到高爐控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

三 基于現(xiàn)場總線的高爐自動化控制系統(tǒng)的原理及特點

　　Profibus 是唯一的全集成H1（過程）和H2（工廠自動化）的現(xiàn)場總線解決方案，是一種不依賴于制造商的開放式現(xiàn)場總線標準。采用Profibus標準系統(tǒng)，不同的制造商所生產(chǎn)的設備部須對其接口進行特別調(diào)整就可通信，Profibus可用于高速并對時間苛求的數(shù)據(jù)傳輸，也可用于大范圍的復雜通信場合。

　　Profibus根據(jù)應用特點分為Profibus-DP ， Profibus-FMS ， Profibus-PA三個兼容版本。其中，Profibus-DP（H2）是一種經(jīng)過優(yōu)化的高速通信連接，專為自動控制系統(tǒng)和設備級分散I/O之間的通信設計的，可用于分布式控制系統(tǒng)的高速數(shù)據(jù)傳輸，其傳輸速率可達12Mbit/s，一般構(gòu)成單主站系統(tǒng)。

　　Profibus的特點為可使分散式數(shù)字化控制器從現(xiàn)場層到車間級網(wǎng)絡化，該系統(tǒng)分為主站和從站。主站決定總線的數(shù)據(jù)通信，當主站得到總線控制權(quán)（令牌）時，沒有外界請求也可以主動發(fā)送信息。從站為外圍設備，典型的從站包括輸入輸出設備，控制器，驅(qū)動器和測量變送器。他們沒有總線控制權(quán)，僅對接收到的信息給予確認或當主站發(fā)出請求時向從站發(fā)送信息。

　　現(xiàn)場總線是以單個分散的、數(shù)字化、智能化的測量和控制設備作為網(wǎng)絡節(jié)點，用總線相連接，實現(xiàn)相互交換信息，共同完成自動控制功能的網(wǎng)絡系統(tǒng)與控制系統(tǒng)。它適合于替代價格昂貴的 24V DC和 4～20mA測量信號平行傳輸線路。在節(jié)省線路與設備的同時，也為武鋼煉鐵廠的以太網(wǎng)系統(tǒng)提供了現(xiàn)場級的控制功能。其原理如下圖2所示：

　　從圖中我們可以看到現(xiàn)場總線主要有以下優(yōu)點：

　　（1）減少設備（如隔離器、端子點數(shù)），節(jié)省工程費用。

　　（2）由于免去了D/A及A/D轉(zhuǎn)換的過程，使信號精確度r提高。

　　（3）可以避免上千個檢測點和控制點的檢測信號匯集到DCS 的入口處所造成的信號堵塞，而是把控制功能下放到現(xiàn)場，增加了系統(tǒng)的可靠性。

　　（4）組態(tài)簡單，安裝、運行、維護簡便；

　　（5）采用IP67的防護等級，使之完全適合高爐現(xiàn)場的惡劣環(huán)境。

四 武鋼煉鐵廠總線監(jiān)控及組態(tài)方式

　　4.1與PLC的總線接口

　　武鋼煉鐵廠采用施耐德PLC（Quantum系列），它采用PTQ模塊對總線進行組態(tài)，PTQ模塊支持工業(yè)總線Profibus-DP協(xié)議，具有很強的擴展性，機架上掛接一塊PTQ模塊，利用Profibus-DP 協(xié)議從工業(yè)總線上采集數(shù)據(jù)、控制現(xiàn)場設備的運行。通過Turck公司提供的GSD文件，采用ProSoft Configuration Builder總線配置軟件，完成對總線的配置，然后利用施耐德PLC編程軟件Concept導入配置后的文件，然后通過程序完成對總線設備的監(jiān)控和操作。組態(tài)圖如圖3：

　　4.2計算機監(jiān)控

　　在總線監(jiān)控畫面中，我們采用Wonderware公司的Intouch軟件進行監(jiān)控，可以監(jiān)控每個總線模塊的通訊狀態(tài)，當出現(xiàn)總線報警時，我們很快就可以通過總線確認出現(xiàn)故障的設備，有效地提高了故障搶修的時間。

五 應用效果及未來展望

　　采用現(xiàn)場總線避免了大量的點到點的電纜敷設，降低了線路敷設設計的難度和施工的復雜性，節(jié)省了投資、安裝、調(diào)試及維護的費用，維護方便，減少了高爐休風次數(shù)，為煉鐵廠的生產(chǎn)帶來了直接的經(jīng)濟效益，收到了良好效果。

　　面對工業(yè)技術(shù)革命的挑戰(zhàn)，我們應該把握機遇。現(xiàn)場總線技術(shù)在自動化控制系統(tǒng)中的應用，必將擁有越來越廣泛的領域和空間，對我們的發(fā)展起到良好的促進作用。