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现场总线技术应用在高炉自控系统【摘 要】工业现场总线控制方式与传统的离散控制方式相比较控制性能优越，使用简单方便，可靠性更高，节约成本。因此，在宣钢2500M3高炉控制系统上采用ABB AC800F与图尔克现场总线的完美结合。本文介绍了工业现场总线的特性，具体描述了图尔克工业现场总线技术在高炉自控系统中的应用，并对使用现场总线的优点作了一些描述，供广大技术人员共同学习和参考。【关键词】高炉 图尔克 现场总线 Profibus-DP1.前言现场总线技术是20世纪80年代后期推出并迅速发展起来的一种用于各种现场自动化设备与其控制系统的网络通信技术，可实现现场设备层到车间级监控的分散式数字控制和现场通信网络，是一种用于各种现场仪表与基于计算机的控制系统之间进行的数据通信系统。PROFIBUS现场总线是用于一定数目的区域和单元级设备联网的国际标准，为实现工厂综合自动化和现场设备智能化提供了可行的解决方案。宣钢炼铁厂2500M3高炉自动控制系统主要包括：槽上、槽下、炉顶、高炉本体、热风炉、喷煤和循环水，它们各自为独立的系统，以工业以太网建立联接，实现工作站之间、上位机之间数据的传递。在电气设计方面，每个部分分布区域广，阀门多，煤气区域易燃易爆，以往DCS控制系统均采用普通电缆传输信号，不仅成本高，而且系统的故障率也很高，在本次大型高炉的槽上及高炉本体中，采用图尔克工业现场总线技术，通过一根总线传入主控室，对外部设备进行控制。高炉自投产以来，现场总线设备运行稳定，几乎成为免维护设备，具有很好的推广意义。2.现场总线的介绍及特性2.1 现场总线的介绍现场总线技术出现于80年代中后期，从本质上来说，它是一种数字通信协议，是一种应用于生产现场，在智能化控制设备之间实行双向串行通信、多节点的数字通信系统，是一种开放的、数字化的、多点通信的低层控制网络。它使得自动控制系统和设备有了通信能力。现场总线技术是计算机，网络通讯、超大规模集成电路、仪表和测试、过程控制和生产管理等现代高科技迅猛发展的综合产物，因此现场总线的内涵现在已远远不是指这一根通讯线或一种通讯标准。它是当前自动化领域的热门话题，是近几年自动化行业最为关注的技术之一，被誉为自动化领域的计算机局域网，给各行各业的自动化控制技术带来了一次质的飞跃。2.2 现场总线的特性现场总线的控制在精度、可靠性、经济性等许多方面都要比传统的控制要优越得多，其主要特性如下：2.2.1 系统的开放性传统的控制系统是个自我封闭的系统，一般只能通过工作站的串口或并口对外通讯。在现场总线中,工作站同时靠挂于现场总线和局域网两层网络，通过后者可以与其它计算机系统或网络进行高速信息交换，以实现资源共享。另外，现场总线的技术标准是对所有制造商和用户公开的，没有专利许可要求，实行技术共享。它可以与任何遵守相同标准的其它设备或系统相连。用户可按自己的需要和对象把来自不同供应商的产品组成大小随意的系统。2.2.2 可操作性与互用性不同厂家生产的DCS产品不能互换，要想更新技术和设备，只能全部更换。现场总线可实现互连设备间、系统间的信息传送与沟通，可实行点对点，一点对多点的数字通信。不同生产厂家的性能类似的设备可进行互换而实现互用。2.2.3现场设备的智能化与功能自治性传统的DCS至少要有操作站、控制站和现场设备三层结构，它的信号传递是模拟信号的单向传递，信号在传递过程中产生的误差较大，另外系统难以迅速判断故障而带故障运行。在现场总线中采用双向数字通讯，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，仅靠现场设备即可完成自动控制的基本功能，并可随时诊断设备的运行状态。2.2.4系统结构的高度分散性由于现场总线现场设备本身已可完成自动控制的基本功能，使得现场总线已构成一种新的全分布式控制系统的体系结构。从根本上改变了原有DCS集中与分散相结合的集散控制系统体系，简化了系统结构，提高了可靠性。2.2.5 对现场环境的适应性现场总线作为工厂底层网络工作在现场设备前端,是专为在现场环境工作而设计的，它可支持双绞线、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，能采用两线制实现送电与通信，并可满足本质安全防爆要求等。3.现场总线在2500M3高炉自控系统中的应用3.1 高炉自动化控制系统的现状 高炉生产主要由槽上、槽下、炉顶、高炉本体、热风炉、喷煤和循环水等构成，它们各自为独立的系统，即相互独立，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。各个系统生产工艺复杂，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。我厂高炉生产自动化控制系统大部分采用瑞士ABB 公司AC800F控制系统，此系统运行稳定，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DCS模板处，供DCS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。由于现场及设备多，且比较分散，信号进入DCS后，必须经过AD、D转换过程，且精确度有所降低，这样就迫使DCS 的扫描周期加长，不利于主机从事优化工作，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。3.2 现场总线的选用 现场控制设备分布范围比较广，如果采用传统的控制方案，势必要敷设大量的控制和信号电缆，浪费大量的人力和物力，十分不经济，同时使系统复杂，可靠性降低，不易于维护。采用目前比较流行的现场总线技术，可以降低成本，同时提高系统的可靠性，使系统易于扩展和维护。结合以往的经验，2500M3高炉本体及槽上中，采用德国图尔克公司开发的工业现场总线技术。图尔克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，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 420mA测量信号平行传输线路。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。可避免几千个检测点和控制点的检测信号汇集到DCS 的入口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。3.3 硬件的设置3.3.1 与DCS的总线接口 ABB公司的主DCS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。 3.3.2 TURCK总线箱之间的连接由高炉本体自控系统网络分布图可看出，由AC800F控制器的总线接口模板引出一根Profibus-DP总线，总线连接TURCK总线箱，TURCK总线箱内有两个接口，其中一个为总线“入”接口，别一个为总线“出”接口，各个控制箱就是通过这一“入”一“出”相互连接，直到最后一个控制箱的“出”接口接一个终端电阻。3.3.3 TURCK总线箱内的连接每个TURCK总线箱内的数字量输入输出模板的每个都有电源接口、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099。 3.3.3.1 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，绿色表示正常，红色表示故障。3.3.3.2 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，通过总线模板与AC800F控制系统DCS 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。 3.4 软件的组态为使模板能够正常工作，要求CPU的软件版本在8.0以上。为保持其兼容性，使用ABB公司自己开发的组态软件，通过Turck公司提供的GSD文件来完成对总线的配置。在软件组态时直接在Profibus 总线下导入相应GSD文件，方便，简单。GSD文件包括模块的详细信息，IO数量，传输速率，模板信息等。通过图尔克的GSD文件，实现了ABB AC800F系统与图尔克系统的通信，它们控制层网络采用以太网层，设备层网络协议为Profibus-DP。在ABB系统软件组态中，要对外部的总线结构进行硬件组态，让系统识别总线结构，各个站点有自己的逻辑地址，采用的总线协议方式及速率，产品类型等进行组态设置。3.5 2500M3高炉工业现场总线的组态方式 3.5.1 高炉本体现场总线的组态方式高炉本体DCS通过总线系统采集现场的实时数据进行处理及控制。高炉各个部分的DCS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高炉工长进行参考，由此判断炉况。高炉本体现场硬件采用图尔克现场总线，网关采用Profibus DP协议的BL67-GW-DP。炉身温度的测量采用图尔克 BL67-2AI-TC（两通道电偶）卡件，炉身静压的测量采用BL67-2AI-I（两通道420毫安）卡件，各层温度、静压值就近直接接入安装在炉身各层的总线箱，防护等级为IP67，再由一根总线将八个总线箱首尾相连，汇总接入主控室的一对FI830卡件，通讯速率设为500KB/S。同样炉前除尘的16个电动阀的控制采用FLDP-IOM88数字输入输出卡件，通讯速率设为187.5KB/S。由另一根总线将15个总线箱接入主控室的另一对FI830卡件。形象表现如下图：图1 高炉本体自控系统网络分布图3.5.2 槽上现场总线的组态方式槽上的小车控制，采用FLDP-IOM88数字输入输出卡件。槽上共有14个从站，每个从站都分布在一个较为合理的位置，每个从站从当两个角色，即使图尔克的远程站又是现场的机旁箱，各个设备的控制回路都有运程站完成，省去了控制回路的电气元件，它的逻辑控制有DCS系统运算，然后经过Profibus-DP协议传输，再有图尔克模块完成指令。高炉自投产以来，现场总线设备运行稳定，几乎成为免维护设备。3.6 采用现场总线技术的优点3.6.1 节省硬件数量与投资由于现场总线系统中分散在设备前端的智能设备能直接执行多种传感、控制、报警和计算功能，因而可减少变送器的数量，不再需要单独的控制器、计算单元等，也不再需要DCS系统的信号调理、转换、隔离技术等功能单元及其复杂接线，由于免去了DA及AD转换的过程，使信号精确度可以从05提高到01。从而节省了一大笔硬件投资，由于控制设备的减少，还可减少控制室的占地面积。3.6.2 节省安装费用现场总线系统的接线十分简单，由于一对双绞线或一条电缆上通常可挂接多个设备，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。当需要增加现场控制设备时，无需增设新的电缆，可就近连接在原有的电缆上，既节省了投资，也减少了设计、安装的工作量。据有关典型试验工程的测算资料，可节约安装费用60以上。3.6.3 节省维护开销系统可以自动诊断、显示故障的位置。诊断包括总线节点的通讯故障、电缆故障，以及现场装置和连接件的断路、短路故障，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。缩短了维护停工时间，同时由于系统结构简化，连线简单而减少了维护工作量。3.6.4 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。避免因选择了某一品牌的产品被“框死”了设备的选择范围，不会为系统集成中不兼容的协议、接口而一筹莫展，使系统集成过程中的主动权完全掌握在用户手中。3.6.5 提高了系统的准确性与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，它从根本上提高了测量与控制的准确度，减少了传送误差。同时，由于系统的结构简化，设备与连线减少，现场仪表内部功能加强：减少了信号的往返传输，提高了系统的工作可靠性。3.6.6 系统调试更加灵活方便可以根据需要，