一、引言
工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)是近幾年自動(dòng)化行業(yè)最為關(guān)注的技術(shù)之一，給各行各業(yè)的自動(dòng)化控制技術(shù)帶來了一次質(zhì)的飛躍。
現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（Fieldbus Control System，F(xiàn)CS）是由各種現(xiàn)場(chǎng)儀表通過互連與控制室內(nèi)人機(jī)界面所組成的系統(tǒng)；一個(gè)全分散、全數(shù)字化、全開放和可互操作的生產(chǎn)過程自動(dòng)控制系統(tǒng)。也正是由于這些特點(diǎn)，以現(xiàn)場(chǎng)總線作為技術(shù)支撐的FCS在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域有明顯的優(yōu)勢(shì)，諸如很高的精確性、組態(tài)簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)安裝方便、易于維護(hù)和擴(kuò)展、可以節(jié)約軟硬件投資等，被稱為第五代控制系統(tǒng)，成為當(dāng)今工業(yè)自動(dòng)化發(fā)展的必然趨勢(shì)。它使過程控制領(lǐng)域的自動(dòng)化裝置由DCS向FCS過渡，DDC（直接數(shù)字控制）功能將徹底分散到現(xiàn)場(chǎng)，使先進(jìn)的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備管理功能得以實(shí)現(xiàn)。現(xiàn)場(chǎng)總線已廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，如電力監(jiān)控、能源管理、自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)等等。
我廠高爐生產(chǎn)主要由高爐系統(tǒng)、噴煤系統(tǒng)、熱風(fēng)系統(tǒng)、卷?yè)P(yáng)系統(tǒng)及槽下部分等構(gòu)成，生產(chǎn)工藝復(fù)雜，分散點(diǎn)多，環(huán)境條件特殊，對(duì)電氣設(shè)備的要求非常高，這就造成了電氣自動(dòng)化系統(tǒng)非常龐雜，故障率高，維護(hù)量大。將開放、成熟的德國(guó)TURCK公司的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)應(yīng)用到5＃高爐生產(chǎn)中去，在我公司取得了良好的效果。
二、高爐自動(dòng)化控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀
我公司以前的高爐生產(chǎn)自動(dòng)化控制系統(tǒng)采用美國(guó)GE 公司的Series 90－70／30的 PLC設(shè)備，此設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，可靠性高。現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的各種開關(guān)及模擬信號(hào)通過信號(hào)電纜匯到PLC模板處，供PLC采集，進(jìn)行處理，然后輸出，控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)，來滿足高爐生產(chǎn)的需要。如圖1所示：
從上圖可以看出： 整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵在于主機(jī)入口處的瓶頸現(xiàn)象。由于現(xiàn)場(chǎng)及設(shè)備多，且比較分散，信號(hào)進(jìn)入PLC后，必須經(jīng)過A／D、D/A轉(zhuǎn)換過程，且精確度有所降低，這樣就迫使PLC 的掃描周期加長(zhǎng)，不利于主機(jī)騰出手來從事優(yōu)化工作，使整個(gè)主機(jī)性能下降，直接威脅到高爐各種信號(hào)的實(shí)時(shí)性。
另外，現(xiàn)場(chǎng)及設(shè)備所處的環(huán)境特殊，與之相連接的電纜比較多，維護(hù)量大，故障率高，影響到整個(gè)高爐自動(dòng)化控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。
三、現(xiàn)場(chǎng)總線的選用
1. 現(xiàn)場(chǎng)總線的優(yōu)點(diǎn)
PY fibllsoP現(xiàn)場(chǎng)總線是Pr。fiblls現(xiàn)場(chǎng)總線的一個(gè)性能優(yōu)化版本，專門用于自動(dòng)化系統(tǒng)與分布式外圍設(shè)備之間的臨界通信任務(wù)。這種總線適合于替代價(jià)格昂貴的 24V DC和 4～20mA測(cè)量信號(hào)平行傳輸線路。
德國(guó)TURCK公司開發(fā)的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線是現(xiàn)場(chǎng)儀表、設(shè)備與控制室系統(tǒng)之間的一種開放、全數(shù)字化、雙向通信與多站的通信系統(tǒng)，為我廠已建成的千兆位以大網(wǎng)系統(tǒng)提供了現(xiàn)場(chǎng)級(jí)的控制功能。這次我煉鐵廠5＃高爐大修選用TURCK公司的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線，可避免幾千個(gè)檢 測(cè)點(diǎn)和控制點(diǎn)的檢測(cè)信號(hào)匯集到DCS 的入日處所造成的信號(hào)堵塞，從而把60％以上的控制功能下放到現(xiàn)場(chǎng)儀表，增加了系統(tǒng)的安全性和可靠性。
采用現(xiàn)場(chǎng)總線主要有以下優(yōu)點(diǎn)：
（1）可以減少1／2—2／3的隔離器、端子柜、I／O柜、l／O終端，這樣大大節(jié)省了10裝置及裝置室的空間；
（2）由于免去了D／A及A／D轉(zhuǎn)換的過程，使信號(hào)精確度可以從±0．5％提高到±0．1％；
（3）由于可以將PID功能植入到變送器或執(zhí)行器中去，使控制周期大為縮短。目前可以從DCS的每秒調(diào)節(jié)2－3次增加到每秒10－20次，從而改善了調(diào)節(jié)性能；
（4）組態(tài)簡(jiǎn)單，安裝、運(yùn)行、維護(hù)簡(jiǎn)便；
（5）采用IP67的防護(hù)等級(jí)，使之完全適合高爐現(xiàn)場(chǎng)的惡劣環(huán)境。
2.5＃高爐大修工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線的組態(tài)方式
為使TURCK公司開發(fā)的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線產(chǎn)品更好地應(yīng)用到生產(chǎn)中去，必須使之與高爐主 PLC（GE公司 series 90．30）系統(tǒng)有機(jī)地結(jié)合在一起。
5＃高爐系統(tǒng)由高爐、熱風(fēng)、噴煤、卷?yè)P(yáng)及槽下（包括除塵）部分組成。每個(gè)部分都負(fù)責(zé)一定的區(qū)域，它們之間既相互獨(dú)立，又密不可分，相互聯(lián)系。任何一個(gè)環(huán)節(jié)出問題，都將導(dǎo)致高爐的直接休風(fēng)，影響生產(chǎn)。
為此，以上各個(gè)部分都配有自己獨(dú)立的 series 90－30 PLC控制系統(tǒng)，且從各自的PLC 總線接口分別架設(shè)一條工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線到各自所負(fù)責(zé)的區(qū)域。PLC通過各自的總線系統(tǒng)采集現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理及控制。這樣，就可以使復(fù)雜的高爐生產(chǎn)系統(tǒng)分成五部分總線來設(shè)計(jì)，避免總線的連接過于復(fù)雜，有利于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線優(yōu)勢(shì)的發(fā)揮。5＃高爐總線布置圖如圖2：
高爐各個(gè)部分的PLC之間利用已建成的千兆位局域網(wǎng)進(jìn)行通訊，相互聯(lián)系。把現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)提供給操作者進(jìn)行參考，由此判斷爐況。
（1）與PLC的總線接口
GE公司的主PLC設(shè)備，支持工業(yè)總線Profibus-DP協(xié)議，具有很強(qiáng)的擴(kuò)展性，機(jī)架上掛接一塊總線接口PBM模板，利用Profibus-DP 協(xié)議來完成從工業(yè)總線上采集數(shù)據(jù)、傳遞信息的任務(wù)，控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行。
為使PBM模板能夠正常工作，要求CPU的軟件版本在8.0以上，因而PLC 主處理模塊采用GE 公司新推出的IC693 CPU364。為保持其兼容性，使用GE公司自己開發(fā)的Vesapro組態(tài)軟件，通過Turck公司提供的GSD文件來完成對(duì)總線的配置。
組態(tài)圖如圖3：
（2）總線的連接方式
數(shù)字量輸入／輸出模板的每個(gè)模板都有電源接口、總線接口，以及連至現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制接口。我們采用“點(diǎn)保護(hù)”方式，這樣由于各模板上的點(diǎn)相互獨(dú)立，不會(huì)因?yàn)槠渌c(diǎn)的故障而導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的停止運(yùn)行，符合了高爐生產(chǎn)的特殊需要。而模擬量輸人／輸出模板采用的是“組保護(hù)”方式，通過隔離器，經(jīng)總線電纜連至PLC。
總線模板支持最高12Mbd 的通訊速率，它可以自動(dòng)調(diào)節(jié)到主站的通訊速率，模板地址由保護(hù)蓋下的兩個(gè)旋鈕開關(guān)來設(shè)定，它可設(shè)定為0—99。
Profibus-DP總線由M12 eurofast＠接插件連接，電源由5針7/8ˊˊ minifast＠接插件連接。如圖4所示：
其中有二根專用電纜：
a. 電源電纜
采用一棵專用的電源電纜為各總線模塊供電，通過總線供電單元來實(shí)現(xiàn)。該供電單元由總線電源及總線輔助電源構(gòu)成。分別通過兩路直流24V電源單獨(dú)供電。這樣，數(shù)字量輸入／輸出模塊可直接利用總線電源進(jìn)行工作，而模擬量輸入／輸出模塊除自身利用總線電源外，還可利用總線輔助電源，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的智能化儀表進(jìn)行供電，方便至極。每個(gè)模塊上均有一個(gè)綠／紅的指示燈（LED）指示ON狀態(tài)或短路狀態(tài)，易于觀察和查找故障。
b. 總線電纜
使用Profibus-DP協(xié)議進(jìn)行通訊的專用總線通訊電纜，采用先進(jìn)的全屏蔽設(shè)計(jì)，以防止信號(hào)的干擾。它把分散在現(xiàn)場(chǎng)的各個(gè)模塊連接在一起，共用一條總線，以數(shù)字方式進(jìn)行通信與傳送，能夠達(dá)到信息的采集、傳輸，處理最佳的集成與協(xié)調(diào)。然后，通過總線模板（PBM）與PLC 設(shè)備相連接，每條總線的末端加上終端電阻。若總線掛接的模塊過多，需加總線中繼器。
四、應(yīng)用效果及未來展望
采用現(xiàn)場(chǎng)總線避免了大量的點(diǎn)到點(diǎn)的電纜敷設(shè)，降低了線路敷設(shè)設(shè)計(jì)的難度和施工的復(fù)雜性，節(jié)省了投資、安裝、調(diào)試及維護(hù)的費(fèi)用，減少了高爐休風(fēng)次數(shù)，為我廠的生產(chǎn)帶來了直接的經(jīng)濟(jì)效益，收到了良好效果。
面對(duì)對(duì)世界技術(shù)革命的挑戰(zhàn)，我們應(yīng)該把握機(jī)遇，縮短與西方國(guó)家的距離。現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在自動(dòng)化控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，必將擁有越來越廣泛的領(lǐng)域和空間，對(duì)我們的發(fā)展起到良好的促進(jìn)作用。
