采用现场总线和PLC技术实现高炉自动化控制系统的设计

一、引言

工业现场总线技术是近几年自动化行业最为关注的技术之一，给各行各业的自动化控制技术带来了一次质的飞跃。

现场总线控制系统（Fieldbus Control System，FCS）是由各种现场仪表通过互连与控制室内人机界面所组成的系统；一个全分散、全数字化、全开放和可互操作的生产过程自动控制系统。也正是由于这些特点，以现场总线作为技术支撑的FCS在工业自动化领域有明显的优势，诸如很高的精确性、组志简单、设计安装方便、易于维护和扩展、可以节约软硬件投资等，被称为第五代控制系统，成为当今工业自动化发展的必然趋势。它使过程控制领域的自动化装置由DCS向FCS过渡，DDC（直接数字控制）功能将彻底分散到现场，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、自动测试系统等等。

我厂高炉生产主要由高炉系统、喷煤系统、热风系统、卷扬系统及槽下部分等构成，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。将开放、成熟的德国TURCK公司的工业现场总线技术应用到5＃高炉生产中去，在我公司取得了良好的效果。

二、高炉自动化控制系统的现状

我公司以前的高炉生产自动化控制系统采用美国GE 公司的Series 90－70／30的 PLC设备，此设备运行稳定，可靠性高。现场设备的各种开关及模拟信号通过信号电缆汇到PLC模板处，供PLC采集，进行处理，然后输出，控制现场设备运转，来满足高炉生产的需要。如图1所示：

图1DCS控制图

从上图可以看出：

整个系统的关键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从转换过程，且精确度有所降低，这样就迫使PLC 的扫描周期加长，不利于主机腾出手来从事优化工作，使整个主机性能下降，直接威胁到高炉各种信号的实时性。

另外，现场及设备所处的环境特殊，与之相连接的电缆比较多，维护量大，故障率高，影响到整个高炉自动化控制系统的稳定性和可靠性。

三、现场总线的选用

1. 现场总线的优点

PY fibllsoP现场总线是Pr。fiblls现场总线的一个性能优化版本，专门用于自动化系统与分布式外围设备之间的临界通信任务。这种总线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。

德国TURCK公司开发的工业现场总线是现场仪表、设备与控制室系统之间的一种开放、全数字化、双向通信与多站的通信系统，为我厂已建成的千兆位以大网系统提供了现场级的控制功能。这次我炼铁厂5＃高炉大修选用TURCK公司的工业现场总线，可避免几千个检 测点和控制点的检测信号汇集到DCS 的入日处所造成的信号堵塞，从而把60％以上的控制功能下放到现场仪表，增加了系统的安全性和可靠性。

采用现场总线主要有以下优点：

（1）可以减少1／2—2／3的隔离器、端子柜、I／O柜、l／O终端，这样大大节省了10装置及装置室的空间；

（2）由于免去了D／A及A／D转换的过程，使信号精确度可以从±0．5％提高到±0．1％；

（3）由于可以将PID功能植入到变送器或执行器中去，使控制周期大为缩短。目前可以从DCS的每秒调节2－3次增加到每秒10－20次，从而改善了调节性能；

（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。

2.5＃高炉大修工业现场总线的组态方式

为使TURCK公司开发的工业现场总线产品更好地应用到生产中去，必须使之与高炉主 PLC（GE公司 series 90．30）系统有机地结合在一起。

5＃高炉系统由高炉、热风、喷煤、卷扬及槽下（包括除尘）部分组成。每个部分都负责一定的区域，它们之间既相互独立，又密不可分，相互联系。任何一个环节出问题，都将导致高炉的直接休风，影响生产。

为此，以上各个部分都配有自己独立的 series 90－30 PLC控制系统，且从各自的PLC 总线接口分别架设一条工业现场总线到各自所负责的区域。PLC通过各自的总线系统采集现场的实时数据进行处理及控制。这样，就可以使复杂的高炉生产系统分成五部分总线来设计，避免总线的连接过于复杂，有利于工业现场总线优势的发挥。5＃高炉总线布置图如图2：

图2 5＃高炉总线布置图

高炉各个部分的PLC之间利用已建成的千兆位局域网进行通讯，相互联系。把现场的实时数据提供给操作者进行参考，由此判断炉况。

（1）与PLC的总线接口

GE公司的主PLC设备，支持工业总线Profibus-DP协议，具有很强的扩展性，机架上挂接一块总线接口PBM模板，利用Profibus-DP 协议来完成从工业总线上采集数据、传递信息的任务，控制现场设备的运行。

为使PBM模板能够正常工作，要求CPU的软件版本在8.0以上，因而PLC 主处理模块采用GE 公司新推出的IC693 CPU364。为保持其兼容性，使用GE公司自己开发的Vesapro组态软件，通过Turck公司提供的GSD文件来完成对总线的配置。

组态图如图3：

图3 组态图

（2）总线的连接方式

数字量输入／输出模板的每个模板都有电源接口、总线接口，以及连至现场设备的控制接口。我们采用“点保护”方式，这样由于各模板上的点相互独立，不会因为其它点的故障而导致整个系统的停止运行，符合了高炉生产的特殊需要。而模拟量输人／输出模板采用的是“组保护”方式，通过隔离器，经总线电缆连至PLC。

总线模板支持最高12Mbd 的通讯速率，它可以自动调节到主站的通讯速率，模板地址由保护盖下的两个旋钮开关来设定，它可设定为0—99。

Profibus-DP总线由M12 eurofast＠接插件连接，电源由5针7/8ˊˊ minifast＠接插件连接。如图4所示：

图4

其中有二根专用电缆：

a. 电源电缆

采用一棵专用的电源电缆为各总线模块供电，通过总线供电单元来实现。该供电单元由总线电源及总线辅助电源构成。分别通过两路直流24V电源单独供电。这样，数字量输入／输出模块可直接利用总线电源进行工作，而模拟量输入／输出模块除自身利用总线电源外，还可利用总线辅助电源，对现场的智能化仪表进行供电，方便至极。每个模块上均有一个绿／红的指示灯（LED）指示ON状态或短路状态，易于观察和查找故障。

b. 总线电缆

使用Profibus-DP协议进行通讯的专用总线通讯电缆，采用先进的全屏蔽设计，以防止信号的干扰。它把分散在现场的各个模块连接在一起，共用一条总线，以数字方式进行通信与传送，能够达到信息的采集、传输，处理最佳的集成与协调。然后，通过总线模板（PBM）与PLC 设备相连接，每条总线的末端加上终端电阻。若总线挂接的模块过多，需加总线中继器。

四、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，减少了高炉休风次数，为我厂的生产带来了直接的经济效益，收到了良好效果。

面对对世界技术革命的挑战，我们应该把握机遇，缩短与西方国家的距离。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。

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