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采用现场总线和PLC技术实现高炉自动化控制系统的设计

2020年04月05日 08:27 次阅读

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:

采用现场总线和PLC技术实现高炉自动化控制系统的设计

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:

采用现场总线和PLC技术实现高炉自动化控制系统的设计

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:

采用现场总线和PLC技术实现高炉自动化控制系统的设计

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:

采用现场总线和PLC技术实现高炉自动化控制系统的设计

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。

责任编辑:gt

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