1 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的發(fā)展

控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，使得自動(dòng)化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)發(fā)生了變革， 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)正是這種變革的產(chǎn)物。由于市場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)，世界各大控制系統(tǒng)廠家都相繼開發(fā)了 各自的現(xiàn)場(chǎng)總線產(chǎn)品。為了規(guī)范其標(biāo)準(zhǔn)，IEC近期已通過了IEC61158現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，它 包括：IEC61158TS、ControlNet、Profibus、P-Net、FF-HSE、SwiftNet、WorldFIP、Inter bus、FF-H1等。

幾種標(biāo)準(zhǔn)類型的現(xiàn)場(chǎng)總線，實(shí)際上也構(gòu)成了幾種現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，也都有多家控 制系統(tǒng)公司產(chǎn)品支持。由于各廠家對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線產(chǎn)品開發(fā)時(shí)還會(huì)要保護(hù)自己過去的投資利益， 因此各廠家現(xiàn)場(chǎng)總線產(chǎn)品也就各有其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)ｉL，這也使得我們?cè)趹?yīng)用現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備或系 統(tǒng)時(shí)，要充分考慮對(duì)象的實(shí)際特點(diǎn)，來合理選擇系統(tǒng)，以zui大限度地發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)作用。

2 實(shí)際對(duì)象分析

 

本文討論的對(duì)象是一個(gè)冶煉與煙氣制酸過程，它包括鋅沸騰焙燒、鉛燒結(jié)，以及兩個(gè)冶煉過 程的煙氣混合后經(jīng)Monsanto動(dòng)力波洗滌再送Toposo WSA工藝制酸。其工藝流程較長，設(shè)備布 置的地域分布較廣，雖然鋅的焙燒過程、鉛的燒結(jié)過程以及煙氣的洗滌與制酸過程都有一定 的 內(nèi)部控制要求，但由于是將兩個(gè)冶煉過程的煙氣混合后制酸，流程中哪一個(gè)工序的變化都會(huì) 對(duì)其他工序有密切影響，因此這是一個(gè)緊密聯(lián)鎖關(guān)系的長流程，流程中許多工序如動(dòng)力波 洗滌和WSA制酸等，其內(nèi)部設(shè)備的聯(lián)鎖保護(hù)與工藝參數(shù)密切相關(guān)，這要求電氣設(shè)備控制 與工藝儀表監(jiān)控必須統(tǒng)一考慮，基于上述的情形，可歸納為以下需求：

①由于各工藝內(nèi)部聯(lián)鎖控制與儀表參數(shù)控制的關(guān)系密切，因而要求工藝控制過程中電儀一體 化；

②由于該流程是在老廠房內(nèi)進(jìn)行配置，許多設(shè)備或控制室的布置只能利用原廠區(qū)的空地或原 建筑物結(jié)構(gòu)，使得主控室、操作室、配電室與工藝設(shè)備距離較遠(yuǎn)，且不規(guī)范，為布線工程的 考慮要求儀表控制和電氣控制現(xiàn)場(chǎng)總線化；

③由于整個(gè)工藝流程較長，且各工序間具有緊密聯(lián)鎖要求，因此要求整個(gè)控制和管理網(wǎng)絡(luò)化 。

對(duì)于上述需求下的控制系統(tǒng)配置，顯然用前節(jié)中所提及的任何一種現(xiàn)場(chǎng)總線結(jié)構(gòu)都難以* 滿足要求，這就需要根據(jù)具體情況來作具體配置，我們對(duì)各現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和對(duì) 象需求進(jìn)行分析和比較如下：

①過程級(jí)現(xiàn)場(chǎng)總線類儀表，基于FF（H1）總線的產(chǎn)品相對(duì)較多，可選擇的余地較大，我們選擇FF現(xiàn)場(chǎng) 總線儀表；就電氣設(shè)備而言，基于Profibus D/P總線、DeviceNet總線、以及Interbus總線 的產(chǎn)品相對(duì)較多，但智能型電氣設(shè)備多集中于Profibus D/P總線和DeviceNet總線，考慮到P rofibus D/P總線上不僅可掛分散I/O、智能電氣設(shè)備，而且能掛從站型的PLC，這樣給系統(tǒng) 的配置帶來了更大的靈活性，我們選擇Profibus D/P總線作為電氣控制總線。

控制功能的分配，將具有較復(fù)雜運(yùn)算功能要求的模擬量監(jiān)控或與工藝控制有關(guān)的狀態(tài)信號(hào)， 由FF（H1）總線上的控制回路實(shí)現(xiàn)。對(duì)具有強(qiáng)聯(lián)鎖關(guān)系的電氣設(shè)備控制，出于速度和可靠 性考慮，選擇PLC作控制器進(jìn)行控制，對(duì)于一些用于設(shè)備聯(lián)鎖或保護(hù)的模擬量信號(hào)也由PLC進(jìn) 行控制。

盡可能地將回路控制功能分配到總線設(shè)備上，我們對(duì)總線輸出設(shè)備（即閥門定位器）分配PI D功能，這就使得控制真正分散，對(duì)于少量分散的不具有總輸入功能的設(shè)備，則選擇第三方 廠家的具有FF（H1）總線接口的分散I/O來進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

在Profbus D/P總線上，基于電氣設(shè)備盡量接近動(dòng)力電源的考慮，將PLC的分散I/O置于現(xiàn)場(chǎng) 配電間或主體設(shè)備處，

而將PLC主站置于主控室以便于通訊調(diào)試等。對(duì)自成體系的小系統(tǒng)或 設(shè)備，則使用PLC從站而置于主體設(shè)備處附近。

 

②監(jiān)控級(jí)

在這一級(jí)上可選的網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品有：通用工業(yè)控制以太網(wǎng)、高速以太網(wǎng)HSE（尚無可選產(chǎn)品）、C ontrolNet網(wǎng)、以及Profibus-FMS網(wǎng)等。由于本對(duì)象地域分布較廣，因而我們選擇工業(yè)控制 以太網(wǎng)，對(duì)于Profibus D/P總線上的PLC主站控制器和FF（H1）總線上通訊控制器之間的通 訊，考慮因高速以太網(wǎng)尚無定型產(chǎn)品，出于對(duì)通用以太網(wǎng)處理高速通訊時(shí)在可靠性方面的考 慮，我們用Modbus（RTU）來實(shí)現(xiàn)兩者間的通訊，同時(shí)采用客戶機(jī)/服務(wù)器（Client/Server ）模式進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)服務(wù)和管理，在考慮與信息層進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時(shí)，在服務(wù)器內(nèi)配置了帶OPC的 控制管理軟件。

實(shí)際上，實(shí)現(xiàn)該對(duì)象的控制，是將幾種現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行合成，各取其長處，各發(fā) 揮其優(yōu)勢(shì)，如圖1所示。

3 系統(tǒng)集成

從本對(duì)象的工藝流程及工藝設(shè)備與操作控制室的布置情況來看，系統(tǒng)構(gòu)成時(shí)需按幾段工序集 中站點(diǎn)考慮，即按Web站思路布局，系統(tǒng)總監(jiān)控點(diǎn)在1700余點(diǎn)，系統(tǒng)FF設(shè)備近190臺(tái)。控制系 統(tǒng)構(gòu)筑如圖2所示。這里我嘗試且實(shí)現(xiàn)了多廠家控制設(shè)備與現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備的集成。H1總線上 的總線設(shè)備主要采用了Emerson Procese Management 的3051壓力或差壓變送器，3244與848 T溫度變送器，DVC5010F與DVC5030F閥門定位器，Smar的FY302閥門定位器，YOKOGAWA的EJA1 10A差壓變送器，E+H的Pormag 53p電磁流量計(jì)等。電氣控制采用Si emens的S7-300主站PLC， 配置Profibus DP總線。在Profibus DP總線上集成有Siemens的S7-300從站PLC、S7-200從站 PLC、HMI、智能分散I/O、6SE71智能變頻器、以及ABB的ACS600智能變頻器等。上位監(jiān)控與 管理采用Emerson Procese Management的DeltaV來實(shí)現(xiàn)，Delta V總線控制器與S7-300PLC通 過Modbus（RTU）通訊，各控制站間的通訊采用工業(yè)以太網(wǎng)及12端口雙速（10M/100M）光纖通 訊口Hub完成。多種控制產(chǎn)品的集成是通過操作站軟件、現(xiàn)場(chǎng)總線裝置數(shù)據(jù)庫、以及相應(yīng)的 應(yīng)用軟件等來實(shí)現(xiàn)，并用增強(qiáng)型專業(yè)工作站軟件進(jìn)行系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)管理。這樣除各子站之間 實(shí)現(xiàn)相互的聯(lián)鎖控制之外還可提供操作信息的相互瀏覽，由于大量采用現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備，這使 得基礎(chǔ)過程設(shè)備的參數(shù)可在操作站上實(shí)現(xiàn)透明的Web瀏覽和參數(shù)的互操作，同時(shí)還配有OPC遠(yuǎn) 程服務(wù)軟件來實(shí)現(xiàn)與上層網(wǎng)絡(luò)的通訊，向工廠的管理網(wǎng)提供過程操作與數(shù)據(jù)趨勢(shì)的信息瀏覽服務(wù)。

系統(tǒng)的操作主要集中在4個(gè)控制室、對(duì)于監(jiān)視站布置還考慮了2個(gè)分廠辦公室。

沸騰爐控制室，主要監(jiān)控沸騰焙燒過程、余熱鍋爐及收塵等流程，設(shè)置2臺(tái)操作站，1臺(tái)工程 師站，設(shè)置現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)控制與管理站，PLC主站，對(duì)本控制站部分散的AI點(diǎn)從經(jīng)濟(jì)角度考慮， 采用Siemens分散AI模塊，通過Profibus D/P總線送進(jìn)系統(tǒng)處理。另外從本站通過光纜與在 分廠辦公室的工作站相連，以實(shí)現(xiàn)運(yùn)方監(jiān)視。對(duì)于沸騰爐溫度的監(jiān)控采用Emerson Porcess Management 公司推出的848T總線型多點(diǎn)溫度變送器實(shí)現(xiàn)。

鋅精礦干燥控制室，主要處理DI與DO及順控邏輯，采用Siemens的S7-300PLC來實(shí)現(xiàn)監(jiān)控，在 上位機(jī)上配置Citect 5.13工業(yè)監(jiān)控軟件來實(shí)現(xiàn)本站監(jiān)控信號(hào)的集成并通過Modus（RTU）與沸 騰爐通訊控制器控制進(jìn)行通訊。

鉛燒結(jié)控制室，監(jiān)控鉛燒結(jié)過程與動(dòng)力波凈化過程，設(shè)置2臺(tái)操作站，1臺(tái)工作站同時(shí)兼作整個(gè)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器。1臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)控制與管理站，2臺(tái)PLC主站，同樣部分分散的AI信號(hào)也 是通過Profibus D/P總線上的遠(yuǎn)程I/O采集，在Profibus D/P總線還帶有幾臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)人機(jī)接口 裝置（HM1），設(shè)置在現(xiàn)場(chǎng)操作間作為現(xiàn)場(chǎng)操作用。

鉛配料控制室，主要控制就近的配料秤信號(hào)和變頻給料信號(hào)，是利用原有的設(shè)備，因而采用 AI與AO模塊控制器。

WSA制酸工序控制室，設(shè)置2臺(tái)操作站，1臺(tái)工程師站，1臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)控制管理站、1臺(tái)PLC主站 、對(duì)一些分散但獨(dú)立的工序，如液化氣站、加熱鍋爐、高壓風(fēng)機(jī)等，通過設(shè)置在當(dāng)?shù)氐腜LC 從站進(jìn)行監(jiān)控制，再經(jīng)Profibus D/P總線將信號(hào)送入上位機(jī)進(jìn)行監(jiān)控。

4 采用現(xiàn)場(chǎng)總線與Web網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)

由于本對(duì)象的測(cè)控點(diǎn)較為分散，特別適合現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的應(yīng)用，加之是幾段緊密相關(guān)又相對(duì) 獨(dú)立的工藝，用Web技術(shù)尤顯其優(yōu)勢(shì)，具體有如下幾個(gè)方面：

①大大減少了現(xiàn)場(chǎng)連接電纜和配線板的數(shù)量。

由于采用H1總線，總線輸入設(shè)備和輸出設(shè)備較模擬量設(shè)備平均每臺(tái)增加費(fèi)用40%，但現(xiàn)場(chǎng)電 纜費(fèi)用則減少80%，由于采用ProfibusD/P總線，使得電氣設(shè)備的控制電纜也大幅度減少。加 上電纜敷設(shè)費(fèi)，后期維護(hù)費(fèi)的相應(yīng)減少，控制系統(tǒng)總擁有成本大幅降低。

②減少了系統(tǒng)輸入/輸出轉(zhuǎn)換器的個(gè)數(shù)

現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備是基于數(shù)字信號(hào)傳輸，省出了轉(zhuǎn)換器，因而減少了中間環(huán)節(jié)，也減少了故障發(fā) 生點(diǎn)。

③減少了電源和機(jī)柜的數(shù)量

每個(gè)控制室只需一個(gè)機(jī)柜來放置電源、系統(tǒng)模件（包括PLC模件）等，且機(jī)柜內(nèi)仍有一定空 間，線路簡(jiǎn)捷整齊，維護(hù)十分方便。

④減少設(shè)備室的面積

由于系統(tǒng)機(jī)柜少，設(shè)備簡(jiǎn)單，因而設(shè)備室的面積也大為減小，降低了工程造價(jià)，也 方便了操作間的布置。