現(xiàn)場總線在煤氣凈化洗滌PLC系統(tǒng)中的應用
| 摘 要]文章闡述了現(xiàn)場總線控制技術（FCS）在高爐煤氣凈化洗滌PLC控制系統(tǒng)中的應用及PLC系統(tǒng)軟、硬件解決方案和設計思路。通過實際運行，證實了現(xiàn)場總線技術在PLC控制系統(tǒng)中的實用性和可靠性，并總結了采用該技術的優(yōu)點。 [關鍵詞]現(xiàn)場總線；PLC；PROFIBUS；集散控制 隨著計算機、控制、通信、網絡等技術的發(fā)展，作為工業(yè)控制數字化、智能化與網絡化典型代表的現(xiàn)場總線（FieldBus）技術也發(fā)展迅速、影響巨大，引起了工程技術界的普遍興趣與重視，使計算機控制系統(tǒng)逐步從集散控制系統(tǒng)（Distributed Control System DCS）走向以現(xiàn)場總線為基礎的分布式現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（Fieldbus Control System，F(xiàn)CS），被譽為工業(yè)自動化領域具有革命性的新技術?，F(xiàn)場總線是當今自動化領域技術發(fā)展的熱點之一。 1項目概述 我公司現(xiàn)有五座煉鐵高爐，每一座高爐在生產中都產生大量的高爐煤氣，但是煤氣中煙塵和焦油的含量非常高，所以不能直接用于其他生產活動，必須進行除塵。現(xiàn)有的煤氣除塵系統(tǒng)主要有洗滌塔除塵和布袋除塵。鑒于一號到四號高爐在地理位置上比較集中，并且采用相同的洗滌塔式除塵系統(tǒng)，又因原用電動組合式儀表控制系統(tǒng)已不能滿足生產的需求，所以采用集中改造原則，把這四個高爐的控制系統(tǒng)進行大集成，現(xiàn)將其改造成為西門子PROFIBUS現(xiàn)場總線系統(tǒng)。 具體改造項目包括四座高爐的煤氣洗滌塔流程和公共部分流程。系統(tǒng)中所有上位監(jiān)控設備將全部采用研華工業(yè)用計算機，通過工業(yè)以太網集中HMI人機交互方式進行系統(tǒng)監(jiān)控運行，下位PLC控制站也采用集中組建方式，這樣可以減少控制室數量，節(jié)省大量建筑開支。另外在現(xiàn)場建設現(xiàn)場數據采集站，通過PROFIBUS總線向PLC傳送數據，這樣可以大量減少物理布線，并且實現(xiàn)了遠程設備診斷。在PLC控制站上實現(xiàn)各個工藝流程、設備運轉之間的相互聯(lián)鎖的操作功能，提高了系統(tǒng)的安全性。采用了先進的控制方式和控制算法，實現(xiàn)了四座高爐煤氣洗滌塔液位的自動調節(jié)控制，減少了維護和操作人員的勞動強度和工作量，為這些崗位減員增效創(chuàng)造了條件。 2系統(tǒng)組成 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)是自動控制系統(tǒng)的發(fā)展方向，通過細致詳細的調查工作，并結合這四個高爐煤氣洗滌系統(tǒng)的實際情況，最終選擇了西門子公司的PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線技術，在這套現(xiàn)場總線系統(tǒng)中，我們的控制站采用了德國西門子公司的S7-300系列PLC，數據傳輸站采用了德國西門子公司的ET200系列設備，通過上位、下位、現(xiàn)場三位一體的方式實現(xiàn)了PROFIBUP-DP現(xiàn)場總線系統(tǒng)，并且在上位監(jiān)控中采用了工業(yè)以太網，對現(xiàn)場總線提供了強有力的輔助，大大提高了數據傳輸速度。系統(tǒng)整體布置簡圖如圖1所示。該系統(tǒng)是一種功能強大、使用方便、運行可靠的控制系統(tǒng)，為我們的現(xiàn)場生產提供了功能強大的物質基礎。 2．1控制系統(tǒng)的UPS電源 為了提高系統(tǒng)的安全性，為PLC控制系統(tǒng)提供不間斷電源，配置原裝EMERSON電池。這套UPS電源系統(tǒng)包括主副兩路220V供電和電池組，當主220V電源故障后，自動跳到電池組供電，當電池組電量耗盡后，系統(tǒng)又會自動跳到副220V電源。這套電源系統(tǒng)與原來的控制系統(tǒng)電源相比，給系統(tǒng)提供了極大的安全性，保證了凈化系統(tǒng)的安全連續(xù)運行，減少了不必要的停產，無形中增加了效益。 2．2上位監(jiān)控系統(tǒng) 上位監(jiān)控系統(tǒng)設一臺工程師站和兩臺操作員站，選用研華工業(yè)計算機，每臺計算機上裝有網絡通訊卡CP1613，它們各通過上位工業(yè)以太網總線分別與五套S7-300系統(tǒng)的通訊處理器CP343-1通訊口連接，工業(yè)以太網的構建主要依據一臺西門子的ESMTP80工業(yè)級別的交換機。組態(tài)軟件采用西門子的WINCC制作監(jiān)控程序，WINCC是西門子公司的專用監(jiān)控軟件，與硬件連接時有很好的兼容性和可靠性，通訊方便，具有很好的適配性。WINCC提供了適用于工業(yè)的圖形顯示、消息、歸檔以及報表的功能模板，高性能的過程耦合、快速的畫面更新及可靠的數據使其具有高度的適用性。  2．3下位控制站 我們的控制站采用了德國西門子公司的S7-300系列PLC，包括四個高爐的系統(tǒng)和一套公共管網系統(tǒng)，總共用五套西門子S7315-2DP的PLC系統(tǒng)來實現(xiàn)自動控制。 2．4現(xiàn)場數據傳輸站 在生產現(xiàn)場，我們需要采集的信號主要包括熱電阻信號、各種變送器的4～20mA模擬量信號、數字量信號等，還要輸出模擬量電流信號用于控制調節(jié)閥，由于各個高爐的變送器距離集中控制室比較遠，我們采用了德國西門子公司的ET200系列設備來構成數據傳輸站，通過PROFIBUS-DP總線向控制站傳送和接收實時數據。這樣，我們可以就近把變送器的信號接入傳輸站，并可就近輸出4～20mA的控制信號來控制現(xiàn)場調節(jié)閥，主要由ET200B熱電阻模板采集熱電阻信號，由ET200B標準模擬量輸入模板采集4～20mA電流信號，由ET200eco數字量模板采集數字量信號輸入，由ET200B標準模擬量輸出模板輸出控制信號。這些數據通過總線在現(xiàn)場和控制站之間傳輸，省去了大量的物理布線，這些現(xiàn)場模塊完全適合工業(yè)生產的惡劣環(huán)境，只需要一個簡單的小控制室即可正常工作，另外采用先進的EJA530就地式變送器，省去了大量的儀表安裝管網。 3采用現(xiàn)場總線技術的優(yōu)勢 傳統(tǒng)的計算機控制系統(tǒng)一般采用DCS結構。在DCS中，對現(xiàn)場信號需要進行點對點的連接，并且I／O端子與PLC或自動化儀表一起被放在控制柜中，而不是放在現(xiàn)場。這就需要鋪設大量的信號傳輸電纜，布線復雜，既費料又費時，信號容易衰減并容易被干擾，而且又不便維護。DCS一般由操作員站、控制站等組成，結構復雜，成本高。而且DCS不是開放系統(tǒng)，互操作性差，難以實現(xiàn)數據共享。而基于PC的FCS則完全克服了這些缺點。 （1）在FCS中，借助于現(xiàn)場總線技術，所有的I／O模塊均放在工業(yè)現(xiàn)場，而且所有的信號通過分布式智能I／O模塊在現(xiàn)場被轉換成標準數字信號，只需一根電纜就可把所有的現(xiàn)場子站連接起來，進而把現(xiàn)場信號非常簡捷地傳送到控制室監(jiān)控設備上，降低了成本，又便于安裝和維護，同時數字化的數據傳輸使系統(tǒng)具有很高的傳輸速度和很強的抗干擾能力。 （2）FCS具有開放性。在FCS中，軟件和硬件都遵從同樣的標準，互換性好，更新?lián)Q代容易。程序設計采用IECll31-3五種國際標準編程語言，編程和開發(fā)工具是完全開放的，同時還可以利用PC豐富的軟硬件資源。 （3）系統(tǒng)的效率大為提高。在FCS中，一臺PC可同時完成原來要用多臺設備才能完成的任務。在多任務的Windows操作系統(tǒng)下，PC中的軟件PLC可以同時執(zhí)行多達十幾個PLC任務，既提高了效率，又降低了成本。且PC上的PLC具有在線調試和仿真功能，極大地改善了編程環(huán)境。 （4）在FCS中，系統(tǒng)的基本結構為：工控機或商用PC、現(xiàn)場總線主站接口卡、現(xiàn)場總線輸入／輸出模塊、PLC或實時多任務控制軟件包、組態(tài)軟件和應用軟件。上位機的主要功能包括系統(tǒng)組態(tài)、數據庫組態(tài)、歷史庫組態(tài)、圖形組態(tài)、控制算法組態(tài)、數據報表組態(tài)、實時數據顯示、歷史數據顯示、圖形顯示、參數列表、數據打印輸出、數據輸入及參數修改、控制運算調節(jié)、報警處理、故障處理、通信控制和人機接口等各個方面，并真正實現(xiàn)控制集中、危險分散、數據共享、完全開放的控制要求。 4結束語 由前面的闡述可以看出，F(xiàn)CS的技術關鍵是現(xiàn)場總線技術。它不僅具有精度高、可自診斷等優(yōu)點，而且具有控制功能，必將取代傳統(tǒng)的控制方式。連接現(xiàn)場設備的現(xiàn)場總線是一種開放式、數字化、多接點的雙向傳輸串行數據通路，它是計算機技術、自動控制技術和通信技術相結合的產物。結合PC豐富的軟硬件資源，既克服了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的缺點，又極大地提高了控制系統(tǒng)的靈活性和效率，形成了一種全新的控制系統(tǒng)，開創(chuàng)了自動控制的新紀元，成為自動控制發(fā)展的必然趨勢。 |
