A—B现场总线在余热锅炉控制系统的应用

余 热 锅 炉2 0 0 7 1 1 7 AB现场总线在余热锅炉 控制系统的应用 杭州杭锅自动化工程有限公司赵玮 摘要文章以铝电余热锅炉为例，简要介绍了美国A B公司的现场总线在 分热锅 炉控制系统的开发和应用。 关键词现场总线余热锅炉C o n t r o l_N e t D e v i c e N e t 引言 现场总线技术产生于 2 0 世纪 8 0年代 ， 主要为满足 日 益急迫的企业综合 自 动化的开 放性 、通用性 、可靠性需求。智能仪表为现 场总线的出现奠定 了基础。随着计算机技 术 、通讯技术 、集成电路技术的发展，现场 总线正在迅猛发展和扩大。由于采用现场总 线具有控制系统结构简单，系统安装费用减 少并且易于维护 ，用户可以自由选择不同厂 商、不同品牌的现场设备达到最佳的系统集 成等一系列 的优点 ，现场总线技术正越来越 受到人们 的重视 。现场 总线发展 的种类较 多，约有 4 o 余种，如 AB公司的 C o n tr o 1 N e t 与 D e v i c e N e t 、S i e m e n s公 司 的 P r o fi B u s 、 S c h n e i d e r 公 司的 Mo d B u s 、R o s e m o u n t 公司 的 H A R T 、R o b e r B o s c h公 司的 C A N、基金 会现 场总线 F F 等等。 1 工程背景 ， 山西华泽铝电有限公司是国家首个铝电 一 体化示范项 目，建设规模为 2 8 万吨电解 铝、1 6万吨阳极碳素和 2 X 3 0 0 M W发电机 组。作为中 国铝业公 司上市融 资的首选项 目，华泽铝 电吸收了来 自德 、法 、美 、瑞士 等 8个 国家 1 3家知名公 司的强项技术 ，技 术装备代表了现阶段中国电解铝工业的最高 水平。 在我国冶金行业中， 有很多冶炼过程中 产生大量 的热量被 白白浪费掉 ，这样既浪费 了能源又破坏了环境。山西华泽铝电有限公 司在碳素 阳极焙烧炉采用烟气干法吸附技术 的同时，还采用了杭锅集团的 1 2 5 t h 余热 锅炉 ，它利 用焙烧 中产生 的 1 2 0 0 高温 烟 气加热余热锅炉中的水，从而产生大量的蒸 汽。所产生的蒸汽除用于厂内其它车间热量 的供应外，还将用于本厂供电。杭州杭锅自 动化工程有限公司承担了余热锅炉控制系统 设计、安装和调试。因为余热锅炉的运行和 碳素煅烧窑的生产密切相关，为了保证控制 系统长期稳定安全经济运行， 并体现当代控 制的先进水平 ，我们最终采用了美国 A B 公司的 出 控制平台和 N e fl i n x开放式 网络 结构。 g i】【 控制平台是 A B公司顺应从传 统单纯的 P I E和 D C S 控制转为 P I E和 D C S 融合发展潮流推出的新一代的控制平 台。 I J 0 g i】 【 控制器平台是将高速离散控制、过程 控制、协调传动控制、运动控制、批次控制 和安全控制融于一体的一个控制平台。允许 混合使用多个处理器 、多种 网络和I O 。系 统灵活性强 、易于集成 、模块化设计 、开放 式结构，特有的升级固件，使得系统在应用 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 8 余 热 锅 炉2 0 0 7 1 中功能强大、安全可靠 ，而且极大地节省培 训费用和工程 实施费用。N e t L i n x网络提供 从车间底层到以太网为基础的企业层数据的 无缝路 由，无需编程或使 用 网关。使用 N e t L i n x ，用户不再需要通过编程，就可 以在 不 同的网络之间传递数据 。这就省去了内存 地址映射 问题 ，也不必担心数据类型。 2 工程概 述 传统的工厂级 的控制体系结构 由五层 ， 即工厂层 、车间层 、单元层 、工作站层、设 备层组成。在此项目中我们采用 AB公司 的 N e t l i n x开放式网络结构，它将控制 系统 简化为三层结构模式：信息层、控制层、设 备层 ( 见图 1 ) 。信息层采用 E th e r N e t 以太 网，用于现场的数据采集和程序维修。控制 层采用冗余 C o n tr o l N e t 控制网、D H+，实现 实时 I O控制、控制器互锁和报文传送。设 备层采用 D e v i c e N e t 设备网，用 于底层设 备 的低成本、高效率信息集成。用户可以在网 络间无缝 地传送数据。在该 网络结构体 系 下，AB公司的 L o g l x 平台为用户提供 了不 同格式下控制的兼容性。 图 1 控 制 系统 网络 结构 E t h e r N e t 技术在近十几年来发展得非常 迅速。由于其应用的广泛性和技术的先进 性，不仅垄断了商用计算机的通信领域和过 程控制领域中上层的信息管理与通信，而且 在工业控制领域也得到了大规模 的应用 ，并 且也是今后工业现场 网络发展 的趋势。E t h e r N e t 工业协议 ( E t h e I lN e t ， I I ) )是一个开放式 工业网络标准 ，采用 I E E E 8 0 2 3物理 介质 及数据链路标准 ，提供 了实时 I O消息和对 等信息通讯。典型情况下，E th e r N e t I P网络 采用有源星型拓扑结构 ，设备组按点对点方 式连接到交换机。交换机提供虚拟连接 ，有 助于控制网络碰撞并减少网络堵塞。罗克韦 尔 自动化产品中，P L C一5 E系列和 S L C 5 0 5 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 余 热 锅 炉2 0 0 7 1 1 9 系列及 C o n t r o l L o g ix产品都提供了以太 网接 口 。 C o n t r o lN e t 是 2 0 世纪 9 o 年代以后开发和 应用的自动化及控制网络，该网络集数种网 络的优点于一身，拥有 I 0 、P L C互锁、信 息传输以及在 同一网上编程等功能。它是一 种用于对信息传送有时间苛刻要求的、高速 确定性网络。同时它允许传送无时间苛求的 报文数据，但不会对有时间苛求的数据传送 造成 冲击 ：C o n t r o l _N e t 采 用 C I P ( C o n t r o l a n d I n f o r m a ti o n P r o t o c o 1 )协 议 和 生 产 者 客 户 ( P r o d u c e r con s u m e r )模式 ，这种模式允许 网 络上的所有节点 ，同时从单个的数据源存取 相同的数据 ，并共享数据和信息。其最主要 的特点是：更强的系统功能；更高的效率， 因为数据的发送与客户的数量无关；精确的 同步化 ，因为数据同时到达每个节点。C o n t r o l N e t 总线支持本安型网络延伸 ，可直接将 符合本安要求的远程 I O延伸到可能的防爆 区域。Con tr o l N e t 总线通讯速率为 5 M b p s ，并 且通讯速率不会因网络长度、节点数、介 质、中继器而下降。C o n tr o lN e t 可以保持可 重复的响应，和网络设备消息传递无关，和 编程无关 ，甚至和增加节点无关。 D H+ ( D a t a H i g h w a y P l u s )是一种较早 投人使用的工业局域 网，可用于 P L C 、计算 机、人机界面产品等之间进行数据传送。所 有的增强型 P L C一5及 S L C 5 0 4都 有内置 的 D H+通讯 口，加上 D H+使用便宜 的网络介 质和最长达 3 0 0 0米 的传输距离 ，它在各 行 业都得到了广泛的应用。但是，由于 D H+ 网采用令牌传送协议 ，在节点过多时 ( 超过 2 0 个)可导致传输实时性的降低，在此情 况下 ，不适合于对安全及连锁控制实时性要 求较高的控制场合。 D e v i c e N e t 是 一个 开放 的 网络 ，具 有低 价 、可靠 、高效的优点，特别适合于高实时 性要求 的工业 现 场 的底层 控 制。D e v i c e N e t 可以将底层的设备直接与车间级控制器相 连，如 ：限位开关 、光 电传感器、变频器、 电力监控模块及触摸屏等 ，并对其进行配置 和监视。这种连接无需通过 I O模块 ，即可 方便而快速地实现工业现场大量设备的高速 数据的采集 ，极大地减少了接线。D e v i c e N e t 支持总线供电、从节点对从节点的直接传 输 ，可灵活地增加和移去设备而不必停机。 系统设有中心控制室和智能 M C C( 马 达控制中心) 。中控室工程师站和操作 员站 采用 AB 6 1 5 5 R一7 P 2 K H高端配置工业 级 计算机 ，系统平 台为 Wi n d o w s 2 0 0 0 。在生产 运行中工程师站也可作为操作员站使用。工 作站通过以太网和控制器通讯，现场信号和 设备的测控由控制器完成，数据的监控及分 析由工作站计算机承担。工作站独立运行， 通过网络分享信息资源。工作站计算机利用 以太网通过 O P C通讯方式与生产过程信息 调度管理系统 ( 加 )进行数据信息交换， 以实行优化调度。系统控 制层 C o n t r o l N e t 冗 余网下挂 2台 1 7 5 6 一L 5 5 M 2 3的控制器 ( 互 为热备)和 2个 l 3槽 1 7 5 6 I 0框架 。控制 器并通过 D H+通讯方式连接离子交换控制 系统的 S L C S 0 0 P L C，对其进行监控 ，可实现 系统 的反洗、置换 、快洗 和再生 等控制功 能。余热锅炉房计算机控制系统中电机数量 约2 2 台，低压电气盘选用智能 M C C实现电 气设备控制。系统通过设备层 D e v i c e N e t 网 采集生产设备的工作状态 、工作参数 、故障 信息等传送至位于中控室的控制器，控制器 对生产设备实施 的各 种控制 也是 通过 D e v i c e N e t 网络进行的。另外 ，脱硫除尘系统中 的重要信号通过硬接线方式接人系统，以实 现对其监控。连接到信息层 E t h e r N e t 网上的 工作站计算机应用组态软件 R S V ie w 3 2 ，实 现余热锅炉系统各工艺生产参数的在线检 测 、数据处理运算 、显示 、报警 、存储、管 理 、控制输出、报表打印、记录操作过程等 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 余 热 锅 炉2 0 0 7 1 功能 。系统 自动运行时 ，设备 由计 算机 控 制 ，操作人员可通过人机对话修改设定值 、 可直接控制设备运行 。 3 网络构建与配置 在这个工程中网络的构建是整个控制系 统的基础 ，其构建步骤如下： 首先进行项 目总体规划 ，合理布线 。 其次根据 以往工程经验 ，利用通讯管理 工具 和模块 升级 工具 C o n t r o l F L A S H 将硬件模块 F i r m w a r e版本 统一刷新 为 C L X V e r s i o n 1 1 对应的版本 。 3 1 E t h e r N e t 网络 a 用五类 以太 网屏 蔽双绞线将工 程师 站、操作员站、冗余控制器的 2个 1 7 5 6 一 E N B T模块以太 网接 口都连接到一个 MO X A 的 E D S 3 0 8交换机上。该 网通过交换 机还与 企业 M E S系统相连 ，通过 ， I P I I ) 协议组成 E t h e me t 网络 ，构成信息层 。 b 将上述以太网接口的 T C P I P属性配 置好，保证其在同一网段内。确保 2 个 1 7 5 6 一 E N B T模块的 I I ) 地址为相邻地址。 c 工 作 站 P C利 用 A B上 位 软 件 R S V i e w 3 2内置 的 O P C ( O L E f o r P I 10 c e s s C o n t r o 1 )功 能 ，作 为 O P C 的客 户 端 ，向企业 M E S系统提供实时生产过程数据。考虑到系 统的安全 和稳定 ，只开放 了 O P C数据 的只 读权限。 d 根 据 应 用 需 求 配 置 工 作 站 P C 的 D C O M，添 加 用 户、分 配权 限、身 份 标 识 等。 e 借助于基于 i n t e me t 的管控一体化系 统 ，通过浏览 网页的方式就可以在全球任何 地点监控生产情况 ( 见图 2 ) 。 3 2 Con t r o l N e t 网络 a 用 1 7 8 6一R G 6 Con t r o l N e t 五层屏蔽 同 轴电缆将 Con tr o l N e t 网络设备连接起来。 b 利用 1 7 8 6一B N C T型分接器将设备节 点连接到网络上。网络为总线型，网络两端 需安装 1 7 8 6一X T 7 5 Q电阻端接器 ，保证网 络正常工作 。 c 正确设 置 C N B模块 Con t r o 1 N e t 地址 拨码开关 ，保证其地址的唯一性 ，避免地址 冲突， 但其 中冗余控制器的两块 Con tr o lN e t 模块地址设置成一样。 d 利用通 讯管理工具 R S L i n x和网络组 态工具 R S N e t f o r C o n t r o l N e t 以图形 化的方式 显示整个 网络结构 ( 见图 3 ) ，对诸如 网络 刷新时间、最大预定节点数、非预定节点数 以及介质是否冗余等网络参数进行组态，同 时还要组 态每个节点 ，以定义它 向主 9, 网 络发送 接收什么数据，以及组态节点为主 从、多主 、对等或多信道广播等通信方式。 将网络配置文件备份到磁盘上，在网络发生 错误时可将 配置程序 文件重新 下 载到 P L C 中，必要时可先进行修改再下载。 e 该 Con t r o l N e t 网络连接 的所有模块都 有 2个独立 的 Con t r o l N e t 通道 A和 B ，可连 接 2 个独立的链路，实现介质冗余。在通信 和控制时， 冗余的两个链路及处理器模块都 在同时起相 同的作用 ，当 A链路 出现故障 时，B链路仍起通信和控制作用 ，当一个处 理器出现故障时，另一个冗余处理器则承担 任务。因此这种处理器冗余方式解决了普通 热备系统发生故障时存在几十毫秒的切换时 间问题 ，保证 了控制的实时性和可靠性。 3 3 D H+网络 a 用 1 7 7 0一C D 1 0 D H+屏蔽 双绞线将 Con t r o l L o g i x 机架上安装 的一块 1 7 5 6一D H R I O 模块与离子交换控制系统的 S L C一5 0 4上集 成的 D H+口连接。 b 正确设置 D H R I O模块 D H+地址拨码 开关 ，保证其 地址 的唯一 性 ，避 免地 址 冲 突。 c 利用通讯管理工具 R S L i r Lx将模块通 道 1 组态为 R I O类型 ，暂未使用 ；通道 2组 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 余 热 锅 炉2 0 0 7 1 2 l 态为 D H +类 型 ( 见 图 4 ) 。 配 置 1 7 5 6一D H R I O R o u ti n g T a b l e 。 萄l 面 i ! t控 I 亿摹t l n t 曲| f l - l q ”_ 日O n$ l r e m 图 2 管控一体化 d 利 用 编 程 软 件 R s 0 0 0 ，根 据 L ID 、S ta ti o n a d d r e s s 等配置参数和通讯地 址表，使用 M S G指令读写离子交换控制系 统的数据，实现对离子交换控制系统 I O信 息采集和控制。 3 4 D e v i c e N e t 网络 a 系统设计时考虑到 D e c e N e t 网络每 段距离不超过 5 0 0 m，而中控室距离 MC C较 远，最 终采 用 在 M C C柜 内安 装 1 7 8 8一 2 D N网桥 ，将原 MC C对外 E M v i c e N e t 接 口 转换为 C o n t r o l N e t 接 口。 b 低压电气盘选用 AB智能 M C C ， 其 配置开放式 网络 D e c e N e t ，减少 MC C与控 制系统之间的连线 ， D e v i c e N e t 电缆内置入 MC C柜体 ， 防止安装 中损坏。每面柜体提供 多个插 入式 D e v i c e N e t 端 口， 便于安装 、 移动 和增加新单元 ， 使调 整控制单元 非常容易。 柜内D e v i c e N e t 电缆额定电流为 8 A， 6 0 0 V 、 一 类网线， 允许 D e 6 c e N 网线靠近动力母线。 1 2 系统设备被分成 2 个 D e v i c e N e t 网段， 每个 网段供电电源只能有一点接地 ，网络总 线两端安装 1 4 9 5 AC 2 1 2 0 1 2 端接 电阻。 d 利用通讯管理工具 R S L i n x和 网络组 态工具 R S N e t f o r D e v i c e N e t 以图形 化的方 式 显示整个 网络结构 ，给添加 到 D e v i c e N e t 网 络上的每个设备分配节点地址并设置正确的 通信波特率、设备的 I O数据触发方式、设 备 W O报文的大小及设备本身的运行参数。 将设备配置参数下载到节点设备和 D e v i c e N e t S c a n n e r( 1 7 9 1 一S D N )中，并保存到 网络组 态工具软件的配置文件中 ( 用于离线查看网 络信息或配置相同的网络) 。 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 2 余 热 锅 炉2 0 0 7 1 图 3 C o n t r o l _N e t 网络 结构 图 4 D H+网络 结构 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 余 热 锅 炉2 0 0 7 1 图5 状态参数 e MC C内装有 E 3 P u l s电机过载继 电器 和 D S A辅助启动器等。 f E 3 P u l s 提供 内置 式 D e v i c e N e t 接 口和 四个开关量输入 ，用于监视接触器 、断路器 和手 自动转化状 态。E 3 P u l s还提供实 时四 个字的可选状态参数转送 ，我们根据工程经 验和现场需求选取了2 1 、4 、1 4 、1 5四项参 数 ( 见图 5 )