[摘 要]文章闡述了現(xiàn)場總線控制技術(shù)（FCS）在高爐煤氣凈化洗滌PLC控制系統(tǒng)中的應(yīng)用及PLC系統(tǒng)軟、硬件解決方案和設(shè)計思路。通過實際運(yùn)行，證實了現(xiàn)場總線技術(shù)在PLC控制系統(tǒng)中的實用性和可靠性，并總結(jié)了采用該技術(shù)的優(yōu)點。
[關(guān)鍵詞]現(xiàn)場總線；PLC；PROFIBUS；集散控制
隨著計算機(jī)、控制、通信、網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的發(fā)展，作為工業(yè)控制數(shù)字化、智能化與網(wǎng)絡(luò)化典型代表的現(xiàn)場總線（FieldBus）技術(shù)也發(fā)展迅速、影響巨大，引起了工程技術(shù)界的普遍興趣與重視，使計算機(jī)控制系統(tǒng)逐步從集散控制系統(tǒng)（Distributed Control System DCS）走向以現(xiàn)場總線為基礎(chǔ)的分布式現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（Fieldbus Control System，F(xiàn)CS），被譽(yù)為工業(yè)自動化領(lǐng)域具有革命性的新技術(shù)。現(xiàn)場總線是當(dāng)今自動化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點之一。
1項目概述
我公司現(xiàn)有五座煉鐵高爐，每一座高爐在生產(chǎn)中都產(chǎn)生大量的高爐煤氣，但是煤氣中煙塵和焦油的含量非常高，所以不能直接用于其他生產(chǎn)活動，必須進(jìn)行除塵。現(xiàn)有的煤氣除塵系統(tǒng)主要有洗滌塔除塵和布袋除塵。鑒于一號到四號高爐在地理位置上比較集中，并且采用相同的洗滌塔式除塵系統(tǒng)，又因原用電動組合式儀表控制系統(tǒng)已不能滿足生產(chǎn)的需求，所以采用集中改造原則，把這四個高爐的控制系統(tǒng)進(jìn)行大集成，現(xiàn)將其改造成為西門子PROFIBUS現(xiàn)場總線系統(tǒng)。
具體改造項目包括四座高爐的煤氣洗滌塔流程和公共部分流程。系統(tǒng)中所有上位監(jiān)控設(shè)備將全部采用研華工業(yè)用計算機(jī)，通過工業(yè)以太網(wǎng)集中HMI人機(jī)交互方式進(jìn)行系統(tǒng)監(jiān)控運(yùn)行，下位PLC控制站也采用集中組建方式，這樣可以減少控制室數(shù)量，節(jié)省大量建筑開支。另外在現(xiàn)場建設(shè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集站，通過PROFIBUS總線向PLC傳送數(shù)據(jù)，這樣可以大量減少物理布線，并且實現(xiàn)了遠(yuǎn)程設(shè)備診斷。在PLC控制站上實現(xiàn)各個工藝流程、設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)之間的相互聯(lián)鎖的操作功能，提高了系統(tǒng)的安全性。采用了先進(jìn)的控制方式和控制算法，實現(xiàn)了四座高爐煤氣洗滌塔液位的自動調(diào)節(jié)控制，減少了維護(hù)和操作人員的勞動強(qiáng)度和工作量，為這些崗位減員增效創(chuàng)造了條件。
2系統(tǒng)組成
現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)是自動控制系統(tǒng)的發(fā)展方向，通過細(xì)致詳細(xì)的調(diào)查工作，并結(jié)合這四個高爐煤氣洗滌系統(tǒng)的實際情況，最終選擇了西門子公司的PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線技術(shù)，在這套現(xiàn)場總線系統(tǒng)中，我們的控制站采用了德國西門子公司的S7-300系列PLC，數(shù)據(jù)傳輸站采用了德國西門子公司的ET200系列設(shè)備，通過上位、下位、現(xiàn)場三位一體的方式實現(xiàn)了PROFIBUP-DP現(xiàn)場總線系統(tǒng)，并且在上位監(jiān)控中采用了工業(yè)以太網(wǎng)，對現(xiàn)場總線提供了強(qiáng)有力的輔助，大大提高了數(shù)據(jù)傳輸速度。該系統(tǒng)是一種功能強(qiáng)大、使用方便、運(yùn)行可靠的控制系統(tǒng)，為我們的現(xiàn)場生產(chǎn)提供了功能強(qiáng)大的物質(zhì)基礎(chǔ)。
2．1控制系統(tǒng)的UPS電源
為了提高系統(tǒng)的安全性，為PLC控制系統(tǒng)提供不間斷電源，配置原裝EMERSON電池。這套UPS電源系統(tǒng)包括主副兩路220V供電和電池組，當(dāng)主220V電源故障后，自動跳到電池組供電，當(dāng)電池組電量耗盡后，系統(tǒng)又會自動跳到副220V電源。這套電源系統(tǒng)與原來的控制系統(tǒng)電源相比，給系統(tǒng)提供了極大的安全性，保證了凈化系統(tǒng)的安全連續(xù)運(yùn)行，減少了不必要的停產(chǎn)，無形中增加了效益。
2．2上位監(jiān)控系統(tǒng)
上位監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)一臺工程師站和兩臺操作員站，選用研華工業(yè)計算機(jī)，每臺計算機(jī)上裝有網(wǎng)絡(luò)通訊卡CP1613，它們各通過上位工業(yè)以太網(wǎng)總線分別與五套S7-300系統(tǒng)的通訊處理器CP343-1通訊口連接，工業(yè)以太網(wǎng)的構(gòu)建主要依據(jù)一臺西門子的ESMTP80工業(yè)級別的交換機(jī)。組態(tài)軟件采用西門子的WINCC制作監(jiān)控程序，WINCC是西門子公司的專用監(jiān)控軟件，與硬件連接時有很好的兼容性和可靠性，通訊方便，具有很好的適配性。WINCC提供了適用于工業(yè)的圖形顯示、消息、歸檔以及報表的功能模板，高性能的過程耦合、快速的畫面更新及可靠的數(shù)據(jù)使其具有高度的適用性。
2．3下位控制站
我們的控制站采用了德國西門子公司的S7-300系列PLC，包括四個高爐的系統(tǒng)和一套公共管網(wǎng)系統(tǒng)，總共用五套西門子S7315-2DP的PLC系統(tǒng)來實現(xiàn)自動控制。
2．4現(xiàn)場數(shù)據(jù)傳輸站
在生產(chǎn)現(xiàn)場，我們需要采集的信號主要包括熱電阻信號、各種變送器的4～20mA模擬量信號、數(shù)字量信號等，還要輸出模擬量電流信號用于控制調(diào)節(jié)閥，由于各個高爐的變送器距離集中控制室比較遠(yuǎn)，我們采用了德國西門子公司的ET200系列設(shè)備來構(gòu)成數(shù)據(jù)傳輸站，通過PROFIBUS-DP總線向控制站傳送和接收實時數(shù)據(jù)。這樣，我們可以就近把變送器的信號接入傳輸站，并可就近輸出4～20mA的控制信號來控制現(xiàn)場調(diào)節(jié)閥，主要由ET200B熱電阻模板采集熱電阻信號，由ET200B標(biāo)準(zhǔn)模擬量輸入模板采集4～20mA電流信號，由ET200eco數(shù)字量模板采集數(shù)字量信號輸入，由ET200B標(biāo)準(zhǔn)模擬量輸出模板輸出控制信號。這些數(shù)據(jù)通過總線在現(xiàn)場和控制站之間傳輸，省去了大量的物理布線，這些現(xiàn)場模塊完全適合工業(yè)生產(chǎn)的惡劣環(huán)境，只需要一個簡單的小控制室即可正常工作，另外采用先進(jìn)的EJA530就地式變送器，省去了大量的儀表安裝管網(wǎng)。
3采用現(xiàn)場總線技術(shù)的優(yōu)勢
傳統(tǒng)的計算機(jī)控制系統(tǒng)一般采用DCS結(jié)構(gòu)。在DCS中，對現(xiàn)場信號需要進(jìn)行點對點的連接，并且I／O端子與PLC或自動化儀表一起被放在控制柜中，而不是放在現(xiàn)場。這就需要鋪設(shè)大量的信號傳輸電纜，布線復(fù)雜，既費(fèi)料又費(fèi)時，信號容易衰減并容易被干擾，而且又不便維護(hù)。DCS一般由操作員站、控制站等組成，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高。而且DCS不是開放系統(tǒng)，互操作性差，難以實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。而基于PC的FCS則完全克服了這些缺點。
（1）在FCS中，借助于現(xiàn)場總線技術(shù)，所有的I／O模塊均放在工業(yè)現(xiàn)場，而且所有的信號通過分布式智能I／O模塊在現(xiàn)場被轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字信號，只需一根電纜就可把所有的現(xiàn)場子站連接起來，進(jìn)而把現(xiàn)場信號非常簡捷地傳送到控制室監(jiān)控設(shè)備上，降低了成本，又便于安裝和維護(hù)，同時數(shù)字化的數(shù)據(jù)傳輸使系統(tǒng)具有很高的傳輸速度和很強(qiáng)的抗干擾能力。
（2）FCS具有開放性。在FCS中，軟件和硬件都遵從同樣的標(biāo)準(zhǔn)，互換性好，更新?lián)Q代容易。程序設(shè)計采用IECll31-3五種國際標(biāo)準(zhǔn)編程語言，編程和開發(fā)工具是完全開放的，同時還可以利用PC豐富的軟硬件資源。
（3）系統(tǒng)的效率大為提高。在FCS中，一臺PC可同時完成原來要用多臺設(shè)備才能完成的任務(wù)。在多任務(wù)的Windows操作系統(tǒng)下，PC中的軟件PLC可以同時執(zhí)行多達(dá)十幾個PLC任務(wù)，既提高了效率，又降低了成本。且PC上的PLC具有在線調(diào)試和仿真功能，極大地改善了編程環(huán)境。
（4）在FCS中，系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)為：工控機(jī)或商用PC、現(xiàn)場總線主站接口卡、現(xiàn)場總線輸入／輸出模塊、PLC或?qū)崟r多任務(wù)控制軟件包、組態(tài)軟件和應(yīng)用軟件。上位機(jī)的主要功能包括系統(tǒng)組態(tài)、數(shù)據(jù)庫組態(tài)、歷史庫組態(tài)、圖形組態(tài)、控制算法組態(tài)、數(shù)據(jù)報表組態(tài)、實時數(shù)據(jù)顯示、歷史數(shù)據(jù)顯示、圖形顯示、參數(shù)列表、數(shù)據(jù)打印輸出、數(shù)據(jù)輸入及參數(shù)修改、控制運(yùn)算調(diào)節(jié)、報警處理、故障處理、通信控制和人機(jī)接口等各個方面，并真正實現(xiàn)控制集中、危險分散、數(shù)據(jù)共享、完全開放的控制要求。
4結(jié)束語
由前面的闡述可以看出，F(xiàn)CS的技術(shù)關(guān)鍵是現(xiàn)場總線技術(shù)。它不僅具有精度高、可自診斷等優(yōu)點，而且具有控制功能，必將取代傳統(tǒng)的控制方式。連接現(xiàn)場設(shè)備的現(xiàn)場總線是一種開放式、數(shù)字化、多接點的雙向傳輸串行數(shù)據(jù)通路，它是計算機(jī)技術(shù)、自動控制技術(shù)和通信技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。結(jié)合PC豐富的軟硬件資源，既克服了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的缺點，又極大地提高了控制系統(tǒng)的靈活性和效率，形成了一種全新的控制系統(tǒng)，開創(chuàng)了自動控制的新紀(jì)元，成為自動控制發(fā)展的必然趨勢。
