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工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在煉鐵高爐系統(tǒng)中的應(yīng)用

時(shí)間:2008-01-30 12:14:00來(lái)源:ronggang

導(dǎo)語(yǔ):?現(xiàn)場(chǎng)總線使過(guò)程控制領(lǐng)域的自動(dòng)化裝置由DCS向FCS過(guò)渡,DDC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。
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(lái)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(guò)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(kāi)放和可互操作的生產(chǎn)過(guò)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、組志簡(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(chēng)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(guò)程控制領(lǐng)域的自動(dòng)化裝置由DCS向FCS過(guò)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)?,F(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(kāi)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?,F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的各種開(kāi)關(guān)及模擬信號(hào)通過(guò)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(lái)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(guò)A/D、D從轉(zhuǎn)換過(guò)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(lái)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(zhuān)門(mén)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(kāi)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(kāi)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(guò)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(kāi)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(wèn)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(guò)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(lái)設(shè)計(jì),避免總線的連接過(guò)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(lái)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(kāi)發(fā)的Vesapro組態(tài)軟件,通過(guò)Turck公司提供的GSD文件來(lái)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(guò)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(kāi)關(guān)來(lái)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(zhuān)用電纜: a. 電源電纜 采用一棵專(zhuān)用的電源電纜為各總線模塊供電,通過(guò)總線供電單元來(lái)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(guò)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(zhuān)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(guò)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(guò)多,需加總線中繼器。 四、應(yīng)用效果及未來(lái)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(lái)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(lái)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。

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