DCS/FCS在煉鋼廠連鑄工藝中的應(yīng)用分析

【本文摘要】:
　　針對典型DCS（集散控制系統(tǒng)）/FCS（現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)）在我廠煉鋼工藝中的應(yīng)用，主要從整個生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)配置的角度介紹DCS和FCS兩大工業(yè)控制系統(tǒng)，以及在煉鋼廠的網(wǎng)絡(luò)示意配置。Infi90是DCS中應(yīng)用比較廣泛的系統(tǒng)之一，Siemens系列是FCS中比較典型的系統(tǒng)，通過在煉鋼工藝中的網(wǎng)絡(luò)配置，對集散控制系統(tǒng)和現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)進行比較分析。
　　【關(guān)鍵詞】:
　　煉鋼工藝、集散控制系統(tǒng)（DCS）、令牌環(huán)網(wǎng)、INFI90、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）、Siemens S7、 PROFIBUS-DP（Decentralized Periphery）
　【Abstract】
　　aim at the application of DCS/FCS on the CCM’s technics in our plant,introduce the typical network configuration and difference from DCS/FCS.Infi90,a type of DCS,used widely in 1970s， Siemens is a type of FCS and used widely now.
　【Key words】
　　Techincs of steel making、Distributed control system、Token ring、Infi90、Field control bus system、Siemens PLC S7、PROFIBUS-DP
1．前言
梅山煉鋼廠于1999年4月份作為起步全連鑄鋼廠開工一次性成功,創(chuàng)世界冶金工業(yè)開工史上同類企業(yè)的先進范例(全世界只有梅山煉鋼廠和美國的Nucor公司作為起步全連鑄鋼廠開工一次性成功) ,作為寶鋼三大基地普碳鋼基地，梅山現(xiàn)可以生產(chǎn)6大類30多個鋼種,并且開發(fā)出高附加值的鋼種,如冷軋用鋼、焊瓶鋼、管線鋼、集裝箱板鋼等,其中汽車大梁鋼、焊瓶鋼、集裝箱板鋼已成為梅山品牌.連鑄機有效作業(yè)率和臺時產(chǎn)量也獲得全國第一的榮譽.2003年以前，整個煉鋼過程均以貝利公司Infi90作為控制系統(tǒng)，2002年煉鋼廠在連鑄工藝中新增以SIEMENS PLC為控制系統(tǒng)的2號連鑄機，并于2003年2月份投產(chǎn)，設(shè)計拉速為2.4m/m，集世界最先進控制技術(shù)，在今年生產(chǎn)計劃中，將發(fā)揮主導(dǎo)作用。煉鋼流程如圖1所示：
　　
　　圖1 煉鋼工藝流程圖
2．DCS、INFI90以及煉鋼廠生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)配置圖
DCS集散控制系統(tǒng)是以微處理器為基礎(chǔ)的集中管理和分散控制系統(tǒng)。功能上分層為現(xiàn)場控制級、過程裝置控制級、車間操作管理級、全廠優(yōu)化和調(diào)度管理級等，隨之形成了生產(chǎn)中的不同分工和相關(guān)的職能部門，使生產(chǎn)線與服務(wù)線實現(xiàn)一條龍。IEEE802.4令牌總線傳輸方式和IEEE802.5令牌環(huán)網(wǎng)傳輸方式的通信協(xié)議在DCS系統(tǒng)中應(yīng)用最廣，令牌環(huán)網(wǎng)的工作原理是在一閉環(huán)網(wǎng)中利用唯一的“令牌TOKEN”短幀不停的在環(huán)路中流動，尋找需要發(fā)送信息的站，只有截獲該TOKEN才有權(quán)發(fā)送；而且只要有一個站發(fā)送信息，環(huán)路中就不再有空閑的令牌流動，從而在重載下可以高效地工作，截獲后將令牌的獨特標志轉(zhuǎn)變?yōu)樾畔臉酥荆D(zhuǎn)一圈后，必然回到發(fā)送的源站點，檢查返回數(shù)據(jù)，診斷發(fā)送成功與否。釋放令牌，繼續(xù)流動尋找。
INFI90是貝利公司開發(fā)的典型DCS系統(tǒng)，上世紀70年代以來，得到廣泛的應(yīng)用，成為當時過程工業(yè)自動化控制的主流代表，以其人員分散、地域分散、功能分散、危險分散、設(shè)備分散及操作分散，來提高設(shè)備的可利用率。煉鋼廠連鑄環(huán)路中共分散有有22（12＋9＋APMS）個站點；每個站點有1～3個控制器（MFP）組成過程裝置控制級；HMI實現(xiàn)車間操作等等均以其DCS功能定義來構(gòu)成一個完善的生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)。NIS/NPM構(gòu)成的站站間以令牌協(xié)議傳輸，下掛的19個控制器形成CONTROLWAY通訊，子模件間有其擴展總線，管理層又依靠TCP/IP進行監(jiān)視，因此各層眾多獨立的協(xié)議也是DCS一大缺陷。該系統(tǒng)在煉鋼廠不斷完善中發(fā)揮到了淋漓盡致，其網(wǎng)絡(luò)配置示意圖如圖2。
　　
　　
　3．FCS、Siemens S7以及煉鋼生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)配置圖
現(xiàn)場總線是將自動化最底層的現(xiàn)場控制器和現(xiàn)場智能儀表設(shè)備互連的實時控制通訊網(wǎng)絡(luò)，遵循ISO的OSI開放系統(tǒng)互連參考模型的全部或部分通訊協(xié)議。FCS現(xiàn)場控制系統(tǒng)則把單個分散的測量控制設(shè)備變成網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，共同完成自控任務(wù)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與控制系統(tǒng)，所以說現(xiàn)場總線既是通信網(wǎng)絡(luò)，又是自控系統(tǒng)。煉鋼廠以典型總線類型西門子Profibus－DP作為生產(chǎn)網(wǎng)。其數(shù)據(jù)傳輸類型是RS485傳輸,支持9.6K~12M的通信速率和中繼器（REPEATER）的擴展功能，支持基于光纖傳輸介質(zhì)的通信；也支持點對點、總線及環(huán)形光纖網(wǎng)。控制器可配置成雙機熱備及冗余通信模式，用于對可靠性要求很高的場合, 控制器或主站控制器基于通用工業(yè)PC機、Windows NT軟硬件平臺。總線接口一般采用PCI總線的PROFIBUS網(wǎng)卡（如CP1613）。煉鋼廠只以1.5MDP的通訊速率、光纖傳輸介質(zhì)Repeater擴展、雙機熱備、總線鏈路而形成生產(chǎn)網(wǎng)，如圖3。
Profibus-DP主要用于工業(yè)自動化系統(tǒng)的高速數(shù)據(jù)傳送，實現(xiàn)調(diào)節(jié)和控制功能，是一種高速低成本通訊，用于設(shè)備級控制系統(tǒng)與分散式I/O的通訊；CP443-1是以TCP/IP協(xié)議進行通訊，下掛EWS工程師站、服務(wù)器等等，CP443-5則是以PROFIBUS協(xié)議下掛VVVF、ET200等工控產(chǎn)品，其網(wǎng)絡(luò)簡單，容易維護；由于輸入、輸出模件ET200是總線傳輸形式，安在現(xiàn)場的節(jié)點，節(jié)省了大量的信號線纜，這也正是有別于DCS的最大優(yōu)勢所在。
煉鋼廠2號連鑄主系統(tǒng)使用6個PLC處理器，雙服務(wù)器熱備，其中VVVF擁有兩條總線，用于與PLC信息通訊和專機讀取、下裝變頻參數(shù).
　　
　　
4.DCS/FCS比較
　　(1).開放性和可互操作性
開放性FCS將打破DCS大型廠家的壟斷，給中小企業(yè)發(fā)展帶來了平等競爭的機遇。可互操作性實現(xiàn)控制產(chǎn)品的“即插即用”功能，從而使不同廠家的工控產(chǎn)品可以互換和替換。
　(2).分散性
徹底的分散性意味著系統(tǒng)具有較高的可靠性和靈活性，系統(tǒng)很容易進行重組和擴建，且易于維護。
　(3).低成本
衡量一套控制系統(tǒng)的總體成本，不僅考慮其造價，而且應(yīng)該考察系統(tǒng)安裝調(diào)試尤其是運行維護整個生命周期內(nèi)總投入。相對DCS而言，F(xiàn)CS開放的體系結(jié)構(gòu)和OEM技術(shù)將大大縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)成本，且徹底分散的分布式結(jié)構(gòu)將1對1模擬信號傳輸方式變?yōu)?對N的數(shù)字信號傳輸方式，節(jié)省了模擬信號傳輸過程中大量的A/D、D/A轉(zhuǎn)換裝置，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議傳輸取代大量的信號線布線中的安裝成本，可靠的性能降低了維護費用。因此從總體上來看，F(xiàn)CS的成本大大低于DCS的成本。
從維護角度看，F(xiàn)CS以其協(xié)議統(tǒng)一、互相兼容、合理可靠方便生產(chǎn);從成本角度，更是FCS取代DCS的理由。
　5．結(jié)束語。
可以說，開放性、分散化和低成本是傳統(tǒng)的自動控制系統(tǒng)產(chǎn)生劃時代的變革因素，其深度和廣度將超過歷史上任何一次變革，必將開創(chuàng)自動控制的新紀元，由于需要適應(yīng)工業(yè)控制系統(tǒng)的分散化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的發(fā)展方向，TCP/IP以太網(wǎng)必將是今后生產(chǎn)網(wǎng)（包括現(xiàn)場控制級、過程裝置控制級、車間操作管理級、全廠優(yōu)化和調(diào)度管理級之間）、辦公網(wǎng)和WWW一體化工業(yè)系統(tǒng)控制、真正實現(xiàn)開放性的最佳選擇。