（检测技术与自动化装置专业论文）现场总线技术在水泥工业控制系统中的应用研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 水泥生产过程中，自动控制起着非常重要的作用，特别是现代新型水泥生 产线工艺复杂，生产连续性强，只有通过自动化控制系统实时监控设备的运行 状况，才能有效地保证整个系统的高效运转。本课题论文介绍的是现场总线技 术在水泥工业控制系统中的应用，是本人参加湖北宝石水泥集团公司四号窑自 动化工程改造设计的经验与总结。 首先，论文叙述了课题研究的背景和内容，介绍了水泥工业的工艺特点、 水泥行业的常用控制方法以及现场总线的相关技术。 论文重点以湖北宝石水泥集团有限公司四号窑水泥生产线自动控制系统的 工程改造为研究对象，在分析了其水泥工艺特点和生产线自动控制系统现状的 基础上，提出将现场总线技术与d c s 系统和p l c 控制有机的结合起来，充分发 挥现场总线数字化、智能化、开放性好、可以高度分散控制：d c s 编程运算好、 易于组态；p l c 配置灵活、价格便宜的特点，设计可运用于该水泥生产线的自 动化控制系统。 然后，论文根据湖北宝石水泥集团有限公司四号窑水泥生产线的工艺、设 备特点和自动化控制要求进行了控制方案的分析，提出在窑尾预热器、窑头篦 冷机等热工测控点集中的区域，原料立磨、原料调配秤等数据量较大的配套设 备中局部采用现场总线方案，而在损! f 控点较为分散的其它区域仍采用传统的 d c s 分布式控制。这样就可以充分发挥现场总线技术的优势和特点，减少大量 隔离器、端子柜、i o 模块以及电缆和电缆桥架，提高信号的测量、传输和控制 精度，增强控制系统运行的可靠性，同时也不会造成对原有d c s 系统中仪表和 控制设备的大量浪费。 接着，论文对该生产线自动控制系统进行了详细地设计分析，包括现场控 制部分、中央控制部分、软硬件部分、通讯连接部分和电气控制部分；对生料 制备系统、回转窑系统和煤粉制备系统进行了工艺分析和控制方法的设计；并 对系统主要控制界面，系统主界面、系统流程图、组起组停、设备选择、故障 复位、故障紧停故障消音、报警画面、阀门操作、趋势画面、转速设定、生料 喂料、喂煤操作、原料喂料、生产报表等做了设计介绍。 最后，论文对现场总线技术在湖北宝石水泥集团有限公司四号窑自动化工 程改造的应用进行了总结，并对水泥工业自动控制技术发展做了展望。 关键词：水泥工业，现场总线，d c s ，p l c 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t a u t o m a t i o ni sv e r yi m p o r t a n ti nt h ec e m e n tm a n u f a c t u r i n g ，e s p e c i a l l yi n m o d e mc e m e n tp r o d u c t i o nl i n e 。o n l ya p p l y i n ga u t o m a t i cs y s t e mt o s u p e r v i s ea n d c o n t r o lt h ec o n d i t i o no ft h ee q u i p m e n t si nr e a lt i m ec a r lm a k et h ew h o l es y s t e m e f f e c t i v e l y r u n t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h e a p p l i c a t i o n o ff i e l d b u st e c h n o l o g yi n c e m e n tm a n u f a c t u r i n ga n da l s oi n t r o d u c e sa u t h o r sv a l u a b l ew o r k i n ge x p e r i e n c e e x t r a c t e df r o ma u t o m a t i o nr e b u i l d i n gd e s i g no f h u b e ib a o s h ic e m e n t m a n u f a c t u r i n g g r o u p f i r s t l y , t h i sp a p e rp r e s e n t s t h e b a c k g r o u n d a n dc o n t e n to ft h e p r o j e c t ， d e s c r i b e st h et e c h n i q u ep r o c e d u r e ，e q u i p m e n t sc h a r a c t e r i s t i c ，u n i v e r s a lc o n t r o l l i n g m e t h o do fc e m e n tr n a n u f a e t u r i n ga n d t e c h n o l o g i e sr e l a t e d w i t hf i e l d b u s t a k i n g a u t o m a t i o n r e b u i l d i n gd e s i g n o fh u b e ib a o s h ic e m e n t m a n u f a c t u r i n g g r o u p a st h ep a p e r sm a i nr e s e a r c ho b j e c t ，a u t h o rp r e s e n t st h ef i e l d b u st e c h n o l o g y m e r g e dw i m d c s ( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) s y s t e ma n dp l c ( p r o g r a m m a b l e l o g i cc o n t r o l l e r ) c o n t r o l l i n go n t h eb a s i so fa n a l y z i n gc e m e n tt e c h n i q u et r a i ta n d a u t o m a t i o ns y s t e ms t a t u s ，w h i c hc a nr e p r e s e n t st h ed i g i t a l ，i n t e l l i g e n ta n do p e n c h a r a c t e r i s t i co ff i e l d b u st e c h n o l o g y , g o o dp r o g r a m m i n gc o m p u t a t i o na n de a s y c o n f i g u n n go f d c s ，a n d f l e x i b l ec o n f i g u r a t i o na n di n e x p e n s i v e p r i c eo f p l c a c c o r d i n gt o t h et e c h n i q u ep r o c e d u r e ，e q u i p m e n t sp e c u l i a r i t y , a u t o m a t i o n d e m a n d so f t h e p r o d u c t i o n l i n eo f n o 4k i l no f h u b e ib a o s h ic e m e n t m a n u f a c t u r i n g g r o u p ，t h ep a p e ra n a l y z e st h e c o n t r o ls c h e m e ，a n dp r e s e n t sa p p l y i n gf i l e db u s c o n t r o ls c h e m et ot h ec o n c e n t r a t em e a s u r i n ga n dc o n t r o l l i n gp o i n t s ，s u c ha st h e p r e - h e a t e ro fk i l nt a i l ，t h e c o o l e ro fk i l nh e a d ，t h ev e r t i c a lm i l la n dd i s t r i b u t i n g b a l a n c eo fr a wm a t e r i a la n ds oo n a sf o rt h ed i s t r i b u t e dm e a s u r i n ga n dc o n t r o l l i n g p o i n t s t h et r a d i t i o n a ld c sc o n t r o l l i n gm e t h o d 、娜u s e d t h e r e f o r e t h ea d v a n t a g ea n d c h a r a c t e r i s t i co ff i e l d b u sc a nb ep u ti n t o p r a c t i c e ，w h i c hc o u l dg r e a t l yr e d u c e s i n s u l a t o r , t e r m i n a lb o x ，y om o d u l e s ，c a b l ea n dc a b l eb r i d g e s ，i m p r o v e sm e a s u r i n g ， t r a n s m i t t i n g a n d c o n t r o l l i n ga c c u r a c y o ft h e s p o ts i g n a l ，a n d e l e v a t e s r u n n i n g r e l i a b i l i t yo f t h es y s t e m a t t h es r i n et i m e ，t h eo r i g i n a li n s t r u m e n t sa n d e q u i p m e n t s o f t h ed c s s y s t e mc o u l d b ce c o n o m i c a l l ys a v e d m o r e o v e r , t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ea n a l y s i s a n d d e s i g n o fa u t o m a t i o n s y s t e mo f t h ep r o d u c t i o nl i n ea tl e n g t h ，i n c l u d i n gt h es p o tc o n t r o l l i n gu n i t ，t h ec e n t r a l c o n t r o l l i n gu n i t ，h a r d w a r ea n ds o r w a r e ，c o m m u n i c a t i o nc o n n e c t i n ga n de l e c t r i c a l l i 武汉理工大学硕士学位论文 c o n t r 0 1 a l s oi n t r o d u c e st h et e c h n i q u ea n a l y s i sa n dc o n t r o l l i n gm e t h o dd e s i g no f t h e r a wm a t e r i a lp r e p a r a t i o n ，r o t a t i n gk i l ns y s t e ma n dc o a lp o w d e r p r e p a r a t i o n d e s c r i b e s t h es y s t e md e s i g ni nd e t a i l ，s u c ha st h em a i nc o n t r o li n t e r f a c e ，t h e s y s t e m m a i n i n t e r f a c e ，t h es y s t e mf l o wd i a g r a m ，g r o u p s t a r ta n ds t o p ，e q u i p m e n t ss e l e c t i n g ， e m e r g e n c ya n df a u l tr e s e t , a l a r m i n gp i c t u r e ，t e n d e n c yp i c t u r e ，s p e e ds e t t i n g ，r a w m a t e r i a lf e e d i n g ，f e e d m go p e r a t i o n ，p r o d u c t i o nr e p o r t i n gt a b l ea n ds oo n a tl a s t , t h ep a p e rs u m m a r i z e st h e a p p l i c a t i o n o fa u t o m a t i o nr e b u i l d i n g p r o j e c to f n o 4k i l no fh u b e ib a o s h ic e m e n tm a n u f a c t u r i n gg r o u p ，a n dp r o s p e c t s t h ea u t o m a t i o nt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n to f t h ec e m e n tm a n u f a c t u r i n g k e y w o r d s ：c e m e n tm a n u f a c t u r i n g ，f i e l d b u s ，d c s ，p l c i l l 武汉理工大学硕七学位论文 1 1 课题的背景与来源 第1 章绪论 湖北宝石水泥集团有限公司( 原湖北光化水泥厂) 四号窑于1 9 9 3 年开 始建设，1 9 9 5 年投产，是原国家建材局干湿混合法技术改造示范项目。此项 目为一条0 3 5 x5 4 m 回转窑生产线，窑尾为带破碎烘干机和r s p 型分解炉的 二级预热分解系统，生产能力为日产熟料1 0 0 0 t 。干湿混合法技术工艺流程简 单，属较先进的半干法水泥生产技术，为国内首创。 由于该水泥生产线是我国第一条干湿混合法水泥生产线，国内水泥行 业对此生产技术了解较少，生产线的最初设计，以及投产后的控制管理和生 产操作都存在着许多不足，使得四号窑一直达不到设计指标。为了解决这一 问题，湖北宝石水泥集团有限公司决定对该生产线的水泥工艺、机械设备、 电气自动化等进行一次彻底的改造。 本人有幸作为主要技术人员之一参加了这条水泥生产线自动化控制系 统的改造和设计，并在研究生学习期阐，结合最新自动化知识的学习，对该 水泥生产线自动化系统做了分析与研究，感受颇深。本课腿论文介绍的是现 场总线技术在湖北宝石水泥集团公司四号窑自动化工程改造设计中的应用， 是本人参加该水泥生产线自动化工程改造设计的经验与总结。 1 ，2 课题研究的目的与意义 我国是水泥工业大国，水泥工业作为我国基础性原材料工业的支柱之 一，在国民经济中具有举足轻重的地位。而在水泥生产过程中，自动化控制 起着非常重要的作用，它能保证水泥生产的稳定可靠，控制质量，增加产量， 降低能耗，提高劳动生产率。而且，现代新型水泥生产线工艺复杂，生产连 续性强，只有通过先进的自动化控制系统准确地监控设备的运行状况，及时 地调整工艺参数的扰动，才能促进水泥生产的稳定、协调和优化，保证整个 系统的高效运转。同时，先进的水泥生产管理，也要求有可靠的自动化控制 系统和完善的控制技术，以适应当前激烈的市场竞争的需要。 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 水泥工业自动控制系统的现状 早期水泥行业的生产控制主要是采用常规仪表加继电保护联锁控制，通 过复杂的电气连线实现单机控制及顺序启停，生产效率非常低。随着可编程 控制器( p l c ) 的应用，使水泥工业的自动化程度得到提高，出现了由可编程 控制器与计算机构成的集散控制系统( d c s ) 。它的出现和应用，在一定程度 上提高了水泥工业的自动化生产水平，改善了生产管理。 但无论是p l c 控制还是d c s 系统其主要特征之一就是现场设备与控制 器之间是一对一( 一个i o 点对设备的一个测控点) 的控制，传递的是4 2 0 m a 或1 5 v 模拟量信号。这对于目前新型水泥生产线大范围的全分散控制，就 要采用大量的i o 电缆铺设连接，不仅增加了成本也增加了系统的不可靠性， 同时，中央控制系统获取现场设备的信息也非常有限，系统的信息集成能力 不强。丌放性不高，不易维护。 1 4 本课题研究的内容 本论文通过细致深入地了解国内水泥行业自动化控制系统的状况，重点 以湖北宝石水泥集团有限公司四号窑水泥生产线自动化控制系统的工程改造 为研究对象，在分析了其水泥工艺特点的基础上，提出将现场总线技术与d c s 系统和p l c 控制有机的结合起来，充分发挥现场总线数字化、智能化、开放 性好、可以高度分散控制；d c s 编程运算好、易于组态；p l c 配置灵活、价 格便宜的特点，设计可运用于现代新型水泥生产线的自动化控制系统。 本论文主要包括以下内容： ( 1 ) 总结、分析、比较了现场总线、d c s 、p l c 的特点。 ( 2 ) 根据湖北宝石水泥集团有限公司四号窑水泥生产线的工艺、设备特点和 自动化控制要求进行了总体控制方案的分析，提出在窑尾预热器、窑头 篦冷机等热工测控点集中的区域，原料立磨、原料调配秤等数据量较大 的设备中局部采用现场总线方案，两在测控点较为分散的其它区域仍采 用传统的d c s 分布式控制，以充分发挥现场总线技术的优势和特点。 ( 3 ) 对该生产线自动控制系统进行了详细地分析与设计。包括现场控制部 分、中央控制部分、软硬件部分、通讯连接部分和电气控制部分；对生 料制备系统、回转窑系统和煤粉制各系统进行了工艺分析和控制方法的 设计；并对系统主要控制界面做了设计介绍。 ( 4 ) 对现场总线技术在水泥生产线的应用进行了总结、分析。 2 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章水泥工业及其控制方法 2 1 水泥工业发展概况 水泥作为工业性产品的实际应用，至今已有1 6 0 多年，水泥工业的生 产规模不断扩大，工艺和设备不断改进，品种和质量也有了很大的发展。1 8 2 6 年出现第一台煅烧水泥用的自然通风的普通立窑，1 9 1 0 年实现立窑机械化连 续生产。1 8 8 5 年出现了第一台回转窑，有效的提高了产量和质量，使水泥工 业进入了回转窑阶段。1 9 2 3 年立波尔窑的出现。是水泥工业出现了较大的变 革，窑的产量明显提高，热耗显著降低。5 0 年代初悬浮预热器的出现，使热 耗大幅度的降低。6 0 年代，电子计算机开始应用于水泥工业。1 9 7 1 年日本开 发了预分解窑技术，从而使水泥工业生产技术有了重大突破。立磨、辊压机、 原料预均化、生料均化以及x 射线荧光分析等技术的发展和应用使水泥生产 的熟料质量明显提高，能耗进步降低，由于应用了电子计算机和自动控制 技术，许多先进的水泥厂都已经采用了全厂集中控制，巡回检查的方式，在 矿山开采、生料和烧成车间、以及包装和发运等工序都实现了自动控制。 中国水泥工业历经百年沧桑，只有在建国后，特别是在改革开放2 0 年 里，才获得了真正的大发展。世界水泥产量2 0 0 1 年达到1 7 亿吨，其中中国 就占了6 4 亿吨，绝对量不可谓不高，入均消费量也远远超出世界人均水平， 甚至达到了一些发达国家日前的年度消费水平。从生产工艺和装备制造等工 业技术方面看，我国己攀握了从1 0 0 0 5 0 0 0 t d 熟料的全套新型干法技术。通 过改革开放2 0 多年的实践，中国的现代化水泥工业己初见端倪。 2 2 水泥生产工艺概述 水泥生产工艺过程通常简要的概括为“三磨窑”，即生料磨系统、煤 磨系统、水泥磨系统和水泥窑系统。首先，将原料经原料瘗磨成生料，然后 经过窑系统煅烧成熟料，再将熟料经水泥磨磨成水泥，而水泥窑系统所用的 煤粉来自煤磨系统。 ( 1 ) 生料制备系统和生料均化 生料制备系统由原料配料和生料粉磨组成。原料配料采用3 组或者3 组以上的配料，如石灰石、铁粉、矿渣等，各种成分由生料质量控制系统计 算配比，通过定料给料机送往生料磨，磨制好的生料由提升机、库项空气斜 3 武汉理工夫学硕士学位论文 槽进入生料分配器，均匀进入均化库内进行均化。均化好的生料由库底卸料 装置卸出，经过生料计量系统，由气力提升泵喂入水泥窑。 ( 2 ) 烧成系统 烧成系统主要由预热器、回转窑、蓖冷机和窑尾废气系统组成。来自 连续均化库的生料通过气力提升泵输送到预热器内，充分预热后进入分解炉、 混合室，最后进入回转窑，从窑头、窑尾喷进的煤粉燃烧后使生料在回转窑 内不断受热发生化学反应，直至烧成熟料，落入蓖冷机内冷却后送入熟料库。 ( 3 ) 煤粉制备系统和窑尾喂料系统 煤粉制备系统主要由煤粉制备和喂煤系统组成，原煤由煤磨磨制成煤 粉后存储在煤粉仓中，并通过喂煤系统向窑头、分解炉喂煤。 ( 4 ) 水泥粉磨系统 水泥粉磨系统主要由水泥配料和水泥粉磨组成，熟料库的熟料配以石 膏等成分送至水泥磨，产出水泥。 2 3 我国水泥工业自动化发展的几个阶段 ( 1 ) 7 0 年代以前旱期的水泥厂自动化，只是水泥生产线上的各个生产 车间内部相对独立并且较为简单的生产过程控制，车间与车间之间的联系相 对较少，它是由常规的一次仪表，二次仪表以及各种继电器、保护装置组成， 各车间设立车间控制室及配电室，对本车问的生产设备进行操作控制并实现 各种联锁保护。各车间控制室通常设有仪表盘、模拟盘及操作台。 ( 2 ) 8 0 年代初，我国分别从日本、丹麦全套引进了新型干法水泥生产 线，其生产控制要求设立中央控制室，把过去分散的车间控制集中到中央控制 室进行集中操作与监督，马达开停逻辑控制采用p l c 进行控制，过程变量则在 中控室采用了大型仪表控制盘，实现集中监控。随后，由我国自行开发设计 的2 0 0 0 t d 新型干法预分解水泥生产线也采用了此种先进的控制方式，从雨大 大提高了水泥生产线的自动化水平。 ( 3 ) 8 0 年中期，基于分散控制、集中操作管理的集散型控制系统在水 泥厂中逐渐得到应用。集散型控制系统( d c s ) 是以分散的控制设备来适应分散 的过程对象，并将它们通过数据高速公路与基于c r t 的操作站相连接，一起实 施实时： = 业过程的控制与监视。实现了控制系统的功能分散、负荷分散，从 而危险也分散，克服了集中式计算机控制系统的负荷集中、危险集中的弱点。 水泥生产线采用d c s 进行控制后，取代了传统的二次模拟仪表、大型仪表控 制盘及用于设备之间联锁用的大量的各署中各样的继电器和电缆。中央控制室 4 武汉理工大学硕士学位论文 的面积与原来的相比，也缩小了几倍。由于d c s 是采用大屏幕彩色c r t 进行 显示，通过计算机键盘及鼠标等输入各种控制命令，且有些d c s 系统还有对 各种指令输入有记忆的功能，所有这些不但对操作人员提出了更高的素质要 求，同时也对操作人员的责任心的加强起到促进作用。此时，中央控制室已 经是生产的调度指挥中心，与传统的生产组织管理方式相比，发生了巨大的 变化。我国水泥工业自动化又向前迈进一大步的同时，缩小了与国际水泥大 公司在这方面的差距。 ( 4 ) 9 0 年代中后期，随着企业之间的竞争加剧，对水泥工厂自动化程 度提出了更高的要求，与此同时，d c s 系统的价格在下降。各种小型p l c 在 各种单机控制装置上被广泛采用，使微机在其价格成倍下降的同时，性能成 倍地提高，这些都对水泥工业的自动化产生着巨大影响。首先是d c s 系统的 控制范围增加了。早期系统控制的范围一般是水泥生产线的主工艺流程，如 从原料配料到水泥入库的三磨一窑等主要车间，其它辅助车间如石灰石破碎 及输送，水泥包装及成品发运，空压机站等还采用常规仪表进行过程变量控 制，采用继电器或小型p l c 进行马达开停的逻辑控制。而在9 0 年代中后期， d c s 系统的控制范围基本上包括整个水泥生产线上的所有车间。其次是d c s 系统采集的信息量增加了。早期为了降低d c s 的造价，尽量减少d c s 系统的 输入输出点数，因此d c s 系统采集的信号当中。有许多是综合信息。当某一 综合性质的事件发生时，还需经过有经验的操作人员进行分析，甚至到现场检 查才能作出正确的判断。而现在d c s 系统不但采用点对点方式而且采用廉价 的通讯方式与部分单机控制装置的小型p l c 或某些专用的控制系统，如：生料 质量控制系统的计算机进行大批量的数据交换。第三，随着信息时代的到来， 市场竞争的进步加剧，现代企业管理者己不能满足传统的d c s 对水泥生产 线的控制，为了加强企业自身的竞争力，在改造传统管理方式的同时，寻求 着一种更高效、更精确的管理方式。生产与经营管理信息系统的问世，满足 了他们的这一要求。管理信息系统将工厂的生产过程控制系统与工厂的各个 部门的管理系统联接在一起，将过程控制系统采集到的全厂的实时生产数据 及质量数据送入管理网进行分析、统计和存档，同时也将工厂各个部门的管 理子系统如备品备件库、原材料库、人事、劳动等各种数据进行分析、统计 和存档，以帮助企业管理者思维、判断和决策，实现精细管理。 ( 5 ) 随着计算机、通讯、网络等信息技术的飞速发展，水泥工业的自 动控制系统正向着智能化、数字化和网络化方向迈进，传统的集散控制系统 和计算机分层控制方式也开始向智能终端与网络结合的现场总线控制系统 ( f c s ) 方向发展。另一方面，现场总线作为一种正在发展的新技术，正在迅 5 武汉理工大学硕七学位论文 速覆盖从工厂的现场设备层到控制、管理的各个层次，顺应了自动化系统结 构发展的趋势，有利于形成网络集成自动化系统为基础的企业信息系统。 2 4 水泥工业控制方法的特点 2 4 1 可编程逻辑控制器( p l c ) p l c ( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ) 是采用微电脑技术制造的通用的 自动控制设备，在工业自动化领域得到了相当广泛的应用，被公认为现代工 业自动化三大支柱( p l c 、机器人、c a d d a m ) 之一。 p l c 具有以下特点： ( 1 ) p l c 最初就是为进行逻辑控制而设计，在逻辑控制方面拥有计算机无 法比拟的优势。 ( 2 ) p l c 在控制装置一级实现三电一体化，配置灵活，结构紧凑。 ( 3 ) p l c 在硬件上采用了一系列抗干扰措施，在软件上采用了故障诊断技 术及在系统一级的冗余配置，在工作方式采用周期循环扫描，对输入 输出集中进行，因而具有很高可靠性。 但是由于p l c 功能及其相关技术的限制，其控制的对象都较为简单，适 合于现场局部控制，在网络和复杂控制方面功能较弱。 2 4 2 集散控制系统( d c s ) d c s ( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 是当前控制技术中比较成熟和完善 的，很多系统开发商都有自己公司的一整套解决方案。利用现存的技术将会 享有系统集成容易、可靠性高、操作性好等方面的优势。 d c s 控制系统有以下特点： ( 1 ) d c s 系统作为计算机控制系统中较为完善和成熟的技术，能够对分布 于较大范围内的执行机构进行控制，并采用集中管理、分散控制的策 略。 ( 2 ) d c s 系统编程灵活，可以方便地实现历史数据存储、动态显示、报表 打印等功能。 ( 3 ) d c s 可采用组态软件，容易组态，系统集成方便，可靠性高。 但是，随着自动控制技术和计算机技术的发展，d c s 仍然存在一些问 题有待解决： ( 1 ) 系统开放性问题。d c s 通常是由一个供应商提供整个系统的所有部件， 使得d c s 系统成为一个封闭的“信息孤岛”，无法实现与其它厂商的系 统或仪表互连，使组成更大范围内信息共享的网络系统存在很多困难。 6 武汉理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 与现场仪表的通讯问题。目前的现场测量仪表、执行器与d c s 的连接 都是采用一对一的4 - 2 0 m a 模拟量信号通讯，不仅现场布线繁杂，安 装、维护费用大，而且可靠性差，致使d c s 系统都是采用了增加系统 设备的冗余配置，投资费用较高。 2 4 3 现场总线控制系统( f c s ) 现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之，被誉为自动化领域的 计算机局域网，它的出现，标志着工业控制技术领域又一个新时代的开始， 其特点主要表现在以下方面。 ( 1 1 全数字化：将企业管理与生产自动化有机结合一直是工业界梦寐以求的理 想，但只有在f c s 出现以后这种理想才有可能高效、低成本地 实现。在采用f c s 的企业中，用于生产管理的局域网能够与用 于自动控制的现场总线网络紧密衔接。此外，数字化信号固有的 高精度、抗干扰特性也能提高控制系统的可靠性。 ( 2 ) 全分布式：在f c s 中各现场设备有足够的自主性，它们彼此之间相互通信， 完全可以把各种控制功能分散到各种设备中，而不再需要一个 中央控制计算机，实现真正的分布式控制。 ( 3 ) 双向传输：传统的4 2 0 m a 电流信号，一条线只能传递一路信号。现场总线 设备则在一条线上既可以向上传递传感器信号，也可以向下传 递控制信息。 ( 4 ) 自诊断：现场总线仪表本身具有自诊断功能，而且这种诊断信息可以送到 中央控制室，以便于维护。 ( 5 ) 节省布线及控制室空间：在f c s 中多台现场设备可串行连接在一条总线上， 这样只需极少的线进入中央控制室，大量节省了布线费用，同 时也降低了中央控制室的造价。 ( 6 ) 多功能仪表：可在一个仪表中集成多种功能，做成多变量变送器，集检铡、 运算、控制于一体。 f 7 ) 开放性与互操作性：现场总线标准保证不同厂家的产品可以互操作，这样 就可以在一个企业中由用户根据产品的性能、价格选用不同厂 商的产品集成在一起，避免了传统控制系统中必须选用同厂 家的产品限制，促进了有效的竞争，降低了控制系统的成本。 ( 8 ) 智能化与自治性：现场总线设备能处理各种参数、运行状态信息及敛障信 息，具有很高的智能化，能在部件、甚至网络故障的情况下独立 工作，大大提高了整个控制系统的可靠性和容错能力。 7 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章现场总线及其相关技术 随着控制、计算机、通信、网络等技术的发展，信息交换沟通的领域正 在迅速覆盖从工厂的现场设备层到控制、管理的各个层次，覆盖从工段、车 间、工厂、企业乃至世界各地的市场。信息技术的飞速发展，引起了自动化 系统结构的变革，逐步形成以网络集成自动化系统为基础的企业信息系统。 现场总线( f i e l d b u s ) 就是顺应这个形势发展起来的新技术。 3 1 现场总线简介 现场总线是应用在生产现场、在微机化测重控制设备之间实现双向串 行多节点数字通信的系统，也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制 网络。现场总线技术将专用微处理器置入传统的测蠢控制仪表中，使它们各 自都具有数字计算和数字通讯能力，采用可进行简单连接的双绞线作为总线， 把多个测量控制仪表连接成的网络系统，并按公开、规范韵通讯协议，在位 于现场的多个微机化测量控制设备之间以及现场仪表与远程监控计算机之间 实现数据传输与信息交换，形成各种适应实际需要的自动控制系统。 现场总线控制系统既是一个开放通信网络，又是一种全分布控制系统。 它作为智能控制设备的联系纽带，把挂接在总线上、作为网络节点的智能设 备连接为网络系统，并进一步构成自动化系统，实现基本控制、补偿计算、 参数修改、报警、显示、监控、优亿及控管一体化的综台自动化功能。这是 一项以智能传感器、控制、计算机、数字通信、网络为主要内容的综合技术。 同时，现场总线又是底层控制网络。它可与因特网( i n t e m e t ) ，企业内 部网( i n t r a n e t ) 相连，且位于生产控制和网络结构的底层，因而又称之为底 层网i n t r a n e t 。它作为网络系统最显著的特征是具有开放统一的通信协议，肩 负着生产运行一线测量控制的特殊任务。 现场总线与工厂现场设备直接连接，一方面将现场测量控制设备互连 为通信网络。实现不同网段、不同现场通信设备间的信息共享；同时又将现 场运行的各种信息传送到远离现场的控制室，并进步实现与操作终端、上 层控制管理网络的连接和信息共享。在把一个现场设备的运行参数、状态以 及故障信息等送往控制室的同时，又将各种控制、维护、组态命令，乃至现 场设备的工作电源等送往各相关的现场设备，沟通了生产过程现场级控制设 备之间及其与更高控制管理层次之间的联系。由于现场总线所肩负的是测量 8 武汉理工大学硕士学位论文 控制的特殊任务，因而它具有自己的特点。它要求信息传播的实时性强，可 靠性高，且多为短帧传送，传输速率一般在几k b p s 至1 0 m b p s 之间。 3 2 现场总线控制系统的特点与优点 现场总线系统的结构特点 现场总线系统打破了传统控制系统的结构形式。 传统控制系统按控制回路采用一对一的设备连接，为星形结构。位于现 场的铡量变送器与位于控制室的控制器之间，控制器与位于现场的执行器、 开关、马达之间均为一对一的物理连接。 现场总线系统由于采用了智能现场设备，能够把原先d c s 系统中处于 控制室的控制模块、各输入输出模块置于现场设备，加上现场设备具有通讯 能力，现场的测量变送仪表可以与阀门等执行机构直接传送信息，因而控制 系统功能能够不依赖控制室的计算机或者控制仪表，直接在现场完成，实现 了彻底的分散控制。 由于采用数字信号代替模拟信号，因而可以实现一对电线上传输多个 信号，同时又为多个设备提供电源：现场设备以外不再需要模拟数字( a d ) 、 数字，模拟( d a ) 转换部件。这样就为简化系统结构、节约硬件设备、节约 连接电缆与各种安装、维护费用创造了条件。 现场总线系统的技术特点 1 系统的开放性 开放是指对相关标准的一致性、公开性。一个开放系统可以与世界上任 何遵守相同标准的其他设备或系统连接。通信协议一致公开，各不同厂家的 设备之间可实现信息交换。现场总线的开发就是要致力于建立统一的工厂底 层网络的开放系统。用户可按自己的需要和考虑把来自不同供应商的产品 组成大小随意的系统，通过现场总线构筑自动化领域的开放互连系统。 2 互可操作性与互用性 互可操作性，是指能实现互连设备间、系统间的信息传送与沟通，可实 现点对点、一点对多点的数字通讯：而互用则意味着不同厂家的性能类似的 设备可以实现相互替换。 3 现场设备的智能化与功能自治 它将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场设备中 完成，仅靠现场设备就可以完成自动控制的基本功能，并可随时诊断并上传 9 武汉理工大学硕士学位论文 设备的运行状态。 4 系统机构的高度分散性 由于现场设备本身已可以完成自动控制的基本功能，使现场总线构成一 种新的全分散性控制系统的体系结构。从根本上改变了现有d c s 集中与分散 相结合的集散控制系统的体系，简化了系统结构，提高了可靠性。 5 对现场环境的适应性 工作在生产现场前端，作为工厂网络底层的现场总线，是专为现场环境 而设计的，可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等，具 有较强的抗干扰能力，能采用两线制实现供电与通讯，并可以满足本质安全 防爆要求等。 现场总线的优点 由于现场总线的以上特点，特别是现场总线系统结构的简化，使控制系 统从设计、安装、投运到正常生产运行及其检修维护，都体现出优越性。 1 节省硬件数量与投资 由于现场总线系统中分散在现场的智能设备能够直接执行多种传感控 制报警和计算功能，因而可减少变送器的数量，不再需要单独的调节器、计 算单元等，也不再需要d c s 系统的信号调理、转换、隔离等功能单元及其复 杂接线，还可以用工控p c 机作为操作站，从而节省了一大笔硬件投资，并可 以减少控制室的占地面积。 2 节省安装费用 现场总线系统的接线非常简单，一对双绞线或根电缆上通常可以将整 个控制系统的测量控制设备物理连接，因而电缆、端子、槽盒、桥架的用量 大大减少，连线设计与接头校对的工作量也大大减少。当需要增加现场设备 时，无需增设新的电缆，可就近连接在原来的电缆上，既节省了投资，也减 少了设计、安装韵工作量。 3 节省维护开销 由于现场控制设备具有自诊断与简单故障处理的能力，并通过数字通讯 将相关的诊断维护信息送往控制室，用户可以查询所有设备的运行、诊断维 护信息，以便早期分析故障原因并快速排除，缩短了维护停工时阎，同时由 于系统结构变化，连线简单而减少了维护工作量，节约了维护费用。 4 用户具有高度的系统集成主动权 用户可以自由选择不同厂商所提供的设备来集成系统，避免了因选择某 一品牌的产品而被“框死”了使用设备的选择范围，不会为系统集成中不兼 1 0 武汉理工大学项士学位论文 容的协议、接口丽一筹莫展。是系统集成过程中的主动权牢牢掌握在用户手 中。 5 提高了系统的准确性和可靠性 由于现场总线设备的智能化、数字化，与模拟信号相比，从根本上提高 了测量与控制的精度，减少了传送误差。同时由于系统的结构简化，从设备 与连线减少，现场仪表内部功能加强，减少了信号饿往返传输，提高了系统 的工作可靠性。 综上所述，现场总线开放性好，实现了真正意义上的分散控制。此外， 由于它的设备标准化，功能模块化，因而还具有设计简单，易于重构等优点。 3 ，3 现场总线的发展状况 自上个世纪八十年代以来，有几种现场总线技术已逐渐形成其影响并在 一些特定的应用领域显示了自己的优势。它们具有各自的特点，也显示了较 强的生命力。对现场总线技术的发展已经发挥并将会继续发挥较大作用。其 中主要有p r o f i b u s ( p r o c e s s f i e l db u s ) 、f f ( f o u n d a t i o nf i e l d b u s ) 、c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t ) 、h a r t 、l o n ( l o c a l o p e r a t i n gn e t w o r k ) 等等。 基金会现场总线 基金会现场总线，即f o u n d a t i o nf i e l d b u s ，简称f f ，这是在过程自动 化领域得到广泛支持和具有良好发展前景的技术。其前身是以美国 f i s h e r - r o s e m o u n t 公司为首，联合f o x b o r o 、横河、a b b 、西门子等8 0 家公 司制订的i s p 协议和以h o n e y w e l l 公司为首，联合欧洲等地的1 5 0 家公司 制订的w o r d f i p 协议。 基金会现场总线分低速h 1 和高速h 2 两种通信速率。h 1 的传输速 率为3 1 2 5 k b p s ，通信距离可达1 9 0 0 m ( 可加中继器延长) ，可支持总线供电， 支持本质安全防爆环境。1 - 1 2 的传输速率为1 m b p s 和2 5 m b p s 两种，其通 信距离为7 5 0 m 和5 0 0 m 。物理传输介质可支持双绞线、光缆和无线发射， 协议符合i e c l l 5 8 - 2 标准。为满足用户需要，h o n e y w e l l 、r o n a n 等公司已 开发出可完成物理层和部分数据链路层协议的专用芯片，许多仪表公司已开 发出符合f f 协议的产品。h 1 总线已通过测试和测试，完成了由1 3 个 不同厂商提供设备而组成的f f 现场总线工厂试验系统。h 2 总线标准也已经 形成。 武汉理工大学硕士学位论文 l o n w o r k s l o n w o r k s 是又一具有强劲实力的现场总线技术，它是由美国e c h e l o n 公司推出并由它们与摩托罗拉、东芝公司共同倡导，于1 9 9 0 年正式公布丽 形成的。它采用了面向对象的设计方法，通过网络变量把网络通信设计简化 为参数设置，其通讯速率从3 0 0 b p s 至1 5 m b p s 不等，直接通信距离可达到 2 7 0 0 m ( 7 8 k b p s ，双绞线) ，支持双绞线、同轴电缆、光纤、射频、红外线、 电源线等多种通信介质，并开发相应的本安防爆产品，被誉为通用控制网络。 l o n w o r k s 技术所采用的l o n t a l k 协议被封装在称之为n e u r o n 的芯 片中并得以实现。l o n w o r k s 技术的不断推广促成了神经元芯片的低成本( 每 片价格约5 - 9 美元) ，而芯片的低成本又返过来促进了l o n w o r k s 技术的推 广应用，形成了良好循环，据e c h e l o n 公司的有关资料，到1 9 9 6 年7 月， 已生产出5 0 0 万片神经元芯片。l o n w o r k s 公司的技术策略是鼓励各o e m 开发商运用l o n w o r k s 技术和神经元芯片，开发自己的应用产品，据称目前 已有2 6 0 0 多家公司在不同程度上卷入了l o n w o r k s 技术：1 0 0 0 多家公司 已经推出了l o n w o r k s 产品，并进一步组织起互操作协会，开发推广它的技 术与产品。它被广泛应用在楼宇自动化、家庭自动化、保安系统、办公设备、 运输设备、工业过程控制等行业。为了支持l o n w o r k s 与其它协议