基于PROFIBUS 的铜冶炼厂自动化系统研究.doc

基于PROFIBUS 的铜冶炼厂自动化系统研究.txt今天心情不好。我只有四句话想说。包括这句和前面的两句。我的话说完了对付凶恶的人，就要比他更凶恶；对付卑鄙的人，就要比他更卑鄙没有情人味，哪来人情味拿什么整死你，我的爱人。收银员说：没零钱了，找你两个塑料袋吧！ 本文由汪恒新贡献 pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 基金颁发部门：江西省自然科学基金委；项目名称：基于非平衡态热力学的闪速熔炼多相异温开放体系数 学模型研究与仿真；编号：2007GZC0713 基金申请人：童长仁 基于 PROFIBUS 的铜冶炼厂自动化系统研究 （江西理工大学）卢 LU HONG 摘 宏 童长仁 曾青云 ZENG QINGYUN Research of copper smelter automation system based on PROFIBUS TONG CHANGREN 要：根据流程工业自动化系统发展特点，基于PROFIBUS现场总线，研究设计了铜冶炼 厂综合自动化系统， 重点阐述了系统的结构体系及设计原则， 同时研究了不同设备和系统之 间的数据通讯策略，以及系统硬件组成和软件设计思路。 关键词：PROFIBUS；自动化系统；铜 中图分类号：TP273 文献标识码：A Abstract： According to the industrial process automation systems development characteristics, the copper smelter integrated automation system based on PROFIBUS was designed. The paper focuses on the systems structure and design principles, the communication strategy between different equipment and systems, and the structure of system hardware and the idea of software design Key words：PROFIBUS；automation system；copper 1 引言 流程工业是对生产过程为连续或半连续的工业总称。铜冶炼过程是连续过程，属典型 的流程工业。它不仅对流程中各工序本身有实现自动控制的需求，而且与其上下游工序的 物流在质与量等方面都有直接的关联，所以还必须从整个生产流程的全局，统筹对各工序 的控制需求和信息交换需求进行优化。 从国内外应用领域来看，先进国家的冶金企业在70年初便致力于生产调度系统的开发 与研制，许多企业在80年代末期和90年代初期完成了基于计算机的调度系统开发的主要工 作。近几年来，随着世界计算机技术和网络技术的飞速发展，冶金工业的自动化控制发生 了较大的变化。从单元控制装置、单体设各自动化到全线的自动化系统和全厂、全公司的 生产管理控制系统已经遍布冶金工业的各个工艺流程。 本文探讨了基于PROFIBUS现场总线的集散型计算机系统与可编程序控制器（PLC）融 合为一体的过程控制自动化与信息管理自动化相结合的铜冶炼厂综合自动化系统，重点阐 述了系统的结构体系及设计原则，同时研究了不同设备和系统之间的数据通讯策略，以及 系统硬件组成和软件设计思路。 2 PROFIBUS概述 PROFIBUS现场总线是一种国际化的、通用的、开放的、不依赖于设备生产厂商的现 场总线标准，广泛适用于工厂自动化、过程自动化和楼宇自动化等各领域自动控制，通用 性很强。它具有支持站点多、传输速率快的特点1。目前世界上有200多个厂商生产1600多 种PROFIBUS产品，在欧洲和世界市场都拥有较高的占有率。中国于1997年在中国机电一 体化技术协会下设立了PROFIBUS现场总线专业委员会，使这项技术在我国得到迅速推广 应用。 PROFIBUS-DP现场总线2是一种开放式现场总线系统， “主/从令牌通行” 按 访问网络， 只有主动节点才能接受访问网络的权力，通过从一个主站将令牌传送给下一个主站来传递 访问网络的权力。如果不需要发送，令牌就传给下一个主站。被动的总线节点是直接通过 主模块的轮询来分配的。 卢宏：讲师 硕士 基金项目: 江西省自然科学基金项目(基于非平衡态热力学的闪速熔炼多相异温开放体系数学模型研究与 仿真 2007GZC0713) PROFIBUS-FMS现场总线3设计旨在解决车间监控层的通信。在这一层，可编程序控 制器（如PLC、PC机等）之间需要比现场层更大量的数据传送，但通信的实时性要求低于 现场层。 PROFIBUS-FMS利用通信关系将分散的应用过程统一到一个共用的过程中。在应用过 程中，可用来通信的那部分现场设备称虚拟设备VFD（Vitrual Field Device）。在实际现场 设备与VFD之间设立一个通信关系表。通信关系表是VFD通信变量的集合，如故障率、停 机时间等。VFD通过通信关系表完成对实际现场设备的通信。 3 铜冶炼厂综合自动化系统设计 某铜冶炼厂综合自动化系统首期工程包括熔炼配料控制系统、 余热锅炉控制系统、 硫酸 转化控制系统以及全厂网络系统， 二期工程包括转炉控制系统、 精炼炉控制系统以及与基于 模糊神经网络的熔炼优化控制系统、企业 MIS 相连接的测控管一体化的 CIMS。本文重点阐 述该系统的整体架构。 3.1 系统结构体系 系统的结构体系如图 1 所示，由现场控制层、车间监控层和工厂管理层构成。 图 1 铜冶炼厂综合自动化系统的结构体系 现场控制层将现场设备与控制器连接，同时与 PLC 各种功能模块进行通讯，使 PLC 能 及时有效地对生产进行实时控制。 生产过程的各种过程变量通过分散过程控制装置转化为操 作监视的数据，而操作的各种信息也通过分散过程控制装置送到执行机构。 车间监控层对现场设备进行实时监控， 显示各种实时数据和现场设备状态， 完成各种物 理量设定功能，操作方式（手动/自动）切换功能，对自动阀等设备进行 PID 控制，对故障 进行自动报警并显示处于报警状态的控制点，定时打印生产报表。 工厂管理层对企业的生产、调度、资源等各种数据进行统计，从而掌握整个工厂的运营 状况，并及时作出决策。 3.2 系统设计原则 1) 可靠性原则。在系统中所采用的控制设备的耐用是最重要的，必须选用成熟可靠的 控制产品与各类传感器，主要控制设备必须具备防水、防尘、防干扰、防振动的能力。在信 号采集、开关确认等方面加强处理，确保系统的长期稳定可靠运行。 2) 实用性原则。冶炼厂控制系统所设计的控制方式必须从保护安全生产、简化操作、 实现生产自动化的目标出发，对各种故障准确定位，对重要参数和控制动作及时记录，从传 统的单一依赖手工操作方式控制设备到自动控制为主、 手工操作为辅的操作方式。 所有软件 实现全中文图形界面，且信号反应准确，操作方便，使全系统真正成为一套可靠实用的控制 系统。 3) 先进性原则。随着控制技术、计算机技术及网络通讯技术的发展，现代控制设备提 供了更加先进、成熟和强大的控制功能。冶炼厂控制系统采用了这些最新成果，如 PLC 技 术、工业现场总线技术、分布式 I/O 技术。 4) 开放性原则。系统在设计时应充分考虑到以后足够的扩充和升级余地。在设备选型 时应考虑其接口的通用性与互连性，不宜采用封闭式的、自成体系的连接体系。 3.3 系统通讯网络设计 本系统中 PLC 与 ET200 之间的数据通讯协议采用 PROFIBUS-DP，PLC 与上位机及上 位机之间的通讯采用 PROFIBUS-FMS 实现。 使用 PROFIBUS 现场总线的优点主要表现在以 下几点： 1） 通过 PROFIBUS-DP，可将 PLC 与现场设备距离拉开，实现分布式 I/O 控制，避免 高温、高酸等恶劣环境对 PLC 的损坏。同时避免大量信号线的长距离布线。 2） 通过 PROFIBUS-DP， 可以将 Siemens S7-400 系列的 PLC 和 Siemens S7-300 系列的 模块进行组合，既利用了 S7-400 系列 PLC 的高速高稳定性，又充分利用了 S7-300 系列模 块的廉价性。 3） 通过 PROFIBUS-FMS，各分散控制系统可实现数据的共享，并实现与上位机及实 时数据库的通讯，且易于扩展。 现场总线适合应用于车间生产现场， 但作为大中型企业， 要将它直接应用到工厂管理层 或企业职能部门、企业领导等远程工作站，从应用针对性、网络分布、性能价格比等方面看 都是很不现实的。考虑到要将 DCS 的工作站、控制系统的服务器以及今后与全厂 MIS 系统 联网，形成测、控、管一体化的 CIMS 系统，开放性与兼容性是首要考虑的因素，因而，基 于 TCP/IP 标准的以太网是较好的选择。 3.4 系统硬件设计 SIMATIC S7-400 是用于中高档性能范围的可编程控制器，其模块化的设计容易扩展， 广泛的通讯能力， 容易实现的分布式结构以及用户友好的操作， SIMATIC S7-400 成为中、 使 高档性能控制领域中首选的理想解决方案4。系统中的配料控制系统、余热锅炉控制系统以 及硫酸转化控制系统全选用 Siemens S7-400 控制器，并用 ET200 进行扩展，实现分布式 I/O 控制。 车间监控层主要设备是上位计算机，具有 DCS 的工程师站和操作员站的功能，为了节 约成本， 该集散控制系统采用通过密码识别功能， 将工程师站和操作员站合用一台上位计算 机。 上位计算机可以选用工控计算机（IPC）或商用计算机（PC） 。随着商用 PC 机主板、 CPU、内存的不断升级，同样具备 IPC 的大多数特点，能够满足作为上位机的要求，且价格 较便宜。所以本系统选择了性能价格比较高的商用 PC 机作为上位监控机。 工厂管理层通过以太网将各工作站统一在 TCP/IP 协议上，实现全厂数据信息共享。该 层主要设备包括主数据库服务器、备份数据库服务器、主交换机、二级交换机、主 UPS 等。 数据库服务器采用双机冗余，选用 3 块 36G、U160、10000 转速的热插拔高性能 SCSI 硬盘组成冗余磁盘阵列 RAID5，不但提高了读写速度，而且即使其中一块硬盘坏了，也可 安全地恢复数据。 主交换机选用可 100/1000M 以太网混合的企业级机箱式交换机。二级交换机配备一块 双端口的交换式 100M 多模光纤模块，采用 Trunk(链路聚合)技术，分别与主交换机的两块 光纤模块形成 2*100M 连接，不但提高了速度，而且形成高可靠性的冗余连接。 3.5 系统软件设计 STEP 7 是基于 Windows95/NT/2000 下，用于 SIMATIC 可编程逻辑控制器组态和编程 的工具软件。STEP 7 拥有良好的用户界面及强大而丰富的编程工具，能大大节省系统编程 组态的时间和费用。STEP 7 对自动化工程各方面具有友好的用户功能：硬件的配置和参数 设置；编程；测试、启动和维护；文件建档；操作/诊断功能等。针对本研究的系统硬件配 置，选用 SIMATIC STEP7 作为控制程序的编制软件。 WinCC 是结合 SIEMENS 公司在过程自动化领域中的先进技术和 Microsoft 的强大功能 的产物，具有控制自动化过程的功能，是基于个人计算机，同时具有极高性能价格比的 SCADA（开放的系统内核）级的操作监视系统5。WinCC 的显著特性就是全面开放，它很 容易结合标准的和用户的程序建立人机界面，精确地满足生产实际要求。WinCC 为用户提 供了基于开放式接口的解决方案， 通过标准接口 ODBC 和 SQL 能够访问所集成的归档数据。 本研究选择 SIMATIC 6 WinCC 作为该集散控制系统的软件开发工具。 考虑到该冶炼厂原有横河 DCS、 和利时 DCS 系统， 为了实现全厂的 CIMS， 可基于 OPC 技术 ，采用 VB 编程方法，实现异种设备间的无缝隙连接，建构实时数据库，并通过 WEB 编程技术，实现全厂数据共享。 4 结语 该综合自动化系统已于2003年成功应用于某铜冶炼厂，实现了全厂的“集中管理，分散 控制” ，大大提高了生产效率，保证了生产稳定，获得了良好的经济效益和社会效益。 本文作者创新点：根据流程工业自动化系统发展特点，提出了基于PROFIBUS现场总线 的集散型计算机系统与可编程序控制器（PLC）融合为一体的过程控制自动化与信息管理自 动化相结合的铜冶炼厂综合自动化系统结构。 工业成功应用表明， 该系统具有较强的先进性， 较好的拓展性，具有良好的推广应用价值。 参考文献： 1 赖惠鸽,朱学军.基于PROFIBUS和SIMATIC S7的分布式IO控制系统研究J 微计算机 信息，2006，6-1：63-65 2 王建国,房震宇,于庆彬,等.基于PROFIBUS-DP总线的经济型仪表接口模块开发J微计 算机信息，2007，10-1：115-117 3 阳宪惠.现场总线技术及其应用M北京：清华大学出版社,1999 4 邬春明,王艳茹基于现场总线的SIMATIC PCS7系统在燃料乙醇厂的应用J工业控 制计算机, 2005, 18（6）：74-75 5 卢建华. 使用wincc实现过程监控J. 武汉科技大学学报(自然科学版)，2000，23（1）： 76-79. 6 OPC Foundation. Data Access Automation Interface Standard Version 2.