朱壯志

【摘要】 銅冶煉閃速爐鍋爐區(qū)域環(huán)境惡劣，溫度高、含有腐蝕性氣體和導(dǎo)電粉塵，使用傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)的設(shè)計已不能滿足鍋爐振打裝置的使用要求，采用了現(xiàn)場總線技術(shù)不僅完美的解決了這一問題，還節(jié)省了投資。

關(guān)鍵詞：工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)、現(xiàn)場總線、振打系統(tǒng)

現(xiàn)場總線技術(shù)產(chǎn)生于二十世紀(jì)八十年代后期，是針對當(dāng)時DCS系統(tǒng)開放性差且布線復(fù)雜、費用高的缺陷而開發(fā)出來的一種適用于工業(yè)環(huán)境的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，并實現(xiàn)傳感器、控制器層的通訊①。一般把現(xiàn)場總線理解為一根電纜，其實從定義上可見，更確切的說法應(yīng)該是一種現(xiàn)場控制網(wǎng)絡(luò)。它直接面向生產(chǎn)過程，一般只包括ISO/OSI 7層模型中的3層：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層?，F(xiàn)場總線的接線方式簡單，一對雙絞線或一根電纜可以掛接多個設(shè)備，因此節(jié)省了大量的電纜、電纜橋架和附件、接線端子等，同時也減少了安裝調(diào)試的工作量和費用②?，F(xiàn)場總線還具有提高系統(tǒng)精度和自診斷能力、抗干擾能力強、開放性好、智能化和功能自治性、新型全分布式結(jié)構(gòu)等特點，在工業(yè)應(yīng)用中越來越廣。本文淺談了現(xiàn)場總線在銅閃速冶煉余熱鍋爐振打系統(tǒng)中的應(yīng)用。

1工藝、環(huán)境簡介

某公司的余熱鍋爐是把閃速爐冶煉過程中產(chǎn)生的大量的熱量利用起來產(chǎn)生飽和蒸汽，達到循環(huán)利用、節(jié)能降耗的目的。振打裝置則是給余熱鍋爐定期循環(huán)除垢的設(shè)備。隨著公司的擴建，需要新增一臺余熱鍋爐和改造現(xiàn)有的振打裝置。

余熱鍋爐周邊的環(huán)境十分惡劣：

（1）所有設(shè)備都是露天安裝;

（2）鍋爐熱輻射使環(huán)境溫度較高，最高可達到60多攝氏度;

（3）空氣中含有少量的SO2、SO3等腐蝕性氣體;

（4）有導(dǎo)電性的粉塵;

（5）鋼結(jié)構(gòu)平臺，荷載有限，難以承受新增電纜;

（6）現(xiàn)場設(shè)備安裝狀況復(fù)雜，各種電纜及用電設(shè)備會產(chǎn)生一定的交叉干擾。

這些都是傳統(tǒng)控制方式難以克服的困難。

設(shè)備分散在鍋爐各層，同時局部相對集中，非常適合用現(xiàn)場總線。

2? 系統(tǒng)設(shè)計選型及特點

現(xiàn)有的余熱鍋爐控制系統(tǒng)采用的是傳統(tǒng)的控制方式：美國AB公司的PLC5/40位于中控室內(nèi)，輸入、輸出信號通過控制電纜敷設(shè)至中控室，僅控制電纜敷設(shè)就有上百根。

這次改造相關(guān)的振打設(shè)備有172臺，每臺設(shè)備需要4個DI和1個DO，點數(shù)多且相對比較集中，從技術(shù)和經(jīng)濟上綜合比較，最終選用了圖爾克公司的現(xiàn)場總線產(chǎn)品。

2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

雖然信號數(shù)量比較多，但考慮到所有的信號都是開關(guān)量，設(shè)備也是按照規(guī)律順序動作，現(xiàn)有的PLC5/40完全能滿足要求，而且DeviceNet是一個開放的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，同時公司還有PLC5備件，所以繼續(xù)保留了現(xiàn)有的PLC5。DeviceNet掃描器則選擇了雙口的1771-SDN。

上位機采用AB公司RsView32軟件實現(xiàn)動態(tài)畫面組態(tài)，實現(xiàn)整個鍋爐振打系統(tǒng)的集中控制、故障報警、報表打印等功能。上位機通過DH+網(wǎng)與PLC相連，通過以太網(wǎng)與上層系統(tǒng)相連。

現(xiàn)場總線采用Turck公司的EDS組態(tài)軟件對總線模塊進行組態(tài)編程。

整個系統(tǒng)分三條網(wǎng)絡(luò)，總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是線性結(jié)構(gòu)加短分支結(jié)構(gòu)。

1、2兩條網(wǎng)絡(luò)的每臺振打設(shè)備全為4點開關(guān)量輸入，1點開關(guān)量輸出。第3條網(wǎng)絡(luò)振打設(shè)備為3點開關(guān)量輸入，1點開關(guān)量輸出。網(wǎng)絡(luò)1控制66個振打設(shè)備，網(wǎng)絡(luò)2控制66個振打設(shè)備，網(wǎng)絡(luò)3控制40個振打設(shè)備，每條網(wǎng)直接連接到CPU后面的掃描卡上，考慮到第3條網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)場長度較長，通過加中繼器來延長總線傳輸距離，每增加1個中繼器，DeviceNet網(wǎng)絡(luò)最多延伸400米，DeviceNet通訊速率超過400米距離是125kbps。

總線模塊有點保護和組保護兩種，采用了“點保護”方式。這樣各模板上的點相互獨立，不會因為其它點的故障而導(dǎo)致多個系統(tǒng)的停止運行，符合了生產(chǎn)的需要。由于現(xiàn)場設(shè)備分布不是絕對平均，選擇固定I/O點數(shù)的模塊將導(dǎo)致大量的浪費，按現(xiàn)場絕對情況選擇又會導(dǎo)致模塊種類較多，增加備件費用和數(shù)量，所以最終選擇了可編程自定義輸入輸出點的16點模塊，采用全灌封技術(shù)，擁有良好的抗拉伸、振動、防水和抗電磁干擾能力，工作溫度可以達到70℃防護等級達到IP67，其擁有較強的故障自診斷能力，可以針對每個輸入/輸出點進行診斷和保護，實時LED顯示使設(shè)備維護人員能夠準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)和排除故障，使非專業(yè)人員進行現(xiàn)場維護成為可能。

16點的圖爾克FDNP-XSG16-TT這一款型模塊可以同時控制三臺振打設(shè)備，一個控制箱內(nèi)只放一個模塊。因現(xiàn)場獨個模塊控制一臺電機的情況僅為三處，現(xiàn)場振打設(shè)備一臺、二臺、三臺全部選用一個模塊進行控制，每個模塊都有備用點，當(dāng)輸入或輸出點出現(xiàn)故障時，可以將該點移到模塊的另一個通道上，同時在軟件中將地址更改即可。每個模塊通過總線T型頭將整條網(wǎng)絡(luò)并聯(lián)，就可以在更換模塊時不影響網(wǎng)絡(luò)中其它模塊的正常運行;由于網(wǎng)絡(luò)距離較長，為防止壓降，集中使用西門子電源給總線供電，每隔5個模塊一個電源。

2.2 系統(tǒng)的特點

由于生產(chǎn)的特殊性，電氣控制系統(tǒng)采用分散式控制方式。分現(xiàn)場控制系統(tǒng)與上位機中央控制系統(tǒng)兩大部份。現(xiàn)場控制系統(tǒng)與中央控制系統(tǒng)通過DH+網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)交換（通訊）。傳統(tǒng)PLC控制系統(tǒng)通常是將所有控制設(shè)備的信號通過電纜采用硬接線連接至中央控制室PLC I/O模塊上，通過CPU再對I/O模塊上輸入、輸出點進行尋址訪問。由于采用的是電纜硬接線，加之電纜敷設(shè)距離長且現(xiàn)場環(huán)境惡劣，這樣，控制系統(tǒng)的可靠性勢必會大大降低，就會經(jīng)常出現(xiàn)故障并產(chǎn)生誤動作。如果出現(xiàn)故障，現(xiàn)場人員很難發(fā)現(xiàn)故障的產(chǎn)生地點，而要找出故障原因、地點勢必又會增加檢維護人員的工作量。而且控制系統(tǒng)在安裝調(diào)試時電纜校驗的工作量非常大?，F(xiàn)場總線控制技術(shù)是將現(xiàn)場所有信號就近接至安裝在現(xiàn)場的總線輸入/輸出模塊上，通過總線產(chǎn)品如T型分支器、電源分配器及總線附件等用總線電纜將它們連接起來，最后只有一根通訊電纜敷設(shè)至中央控制室PLC的掃描器模塊上，節(jié)省了大量的電纜。由于采用的是現(xiàn)場總線控制技術(shù)，其網(wǎng)絡(luò)化的結(jié)構(gòu)適合于現(xiàn)場設(shè)備與更高控制管理層通訊的要求;設(shè)計、施工及安裝調(diào)試周期可相應(yīng)縮短?，F(xiàn)場總線輸入/輸出模塊可安裝在生產(chǎn)線本體上，其自身具有很強的故障自診斷能力，每個模塊的通訊故障、供電故障以及模塊的每個輸入/輸出點的短路（斷路）故障都可以在模塊上實時地顯示出來。即減輕了維修人員的工作量又使系統(tǒng)的可靠性大大提高。以上所述就是現(xiàn)場總線控制技術(shù)與傳統(tǒng)控制在設(shè)計應(yīng)用中的最大不同。

設(shè)計采用上位機替代傳統(tǒng)模擬屏在中央控制室對各個系統(tǒng)進行控制、管理。可以實現(xiàn)：a）實時畫面監(jiān)視，通過多級畫面和圖表相結(jié)合的方式，分層次描述實時控制過程;b）實時操作，在畫面監(jiān)視過程中，通過對畫面的干預(yù)，可對整個控制過程進行實時操作，并能給出適當(dāng)?shù)牟僮髦笇?dǎo);c）信息的存儲與報告，能對信息進行存儲，可供決策時參考。這樣做可使系統(tǒng)具有更高的可靠性、靈活性和適應(yīng)性。

3? 總結(jié)

目前，這套系統(tǒng)已運行了多年，整套系統(tǒng)運行安全可靠，時間證明了設(shè)計選型的正確性。

這套現(xiàn)場總線控制技術(shù)與傳統(tǒng)控制技術(shù)相比具有：

1）投資節(jié)省了30%。

2）設(shè)計簡單、安裝調(diào)試方便，保證了改造總體進度。

3）故障率低，維護費用大幅的減少，維護、檢修停工時間減少約70%，保證了鍋爐設(shè)備處于良好運行狀態(tài)中。

4）電源電纜和網(wǎng)絡(luò)電纜分開，抗干擾能力強。

5）自動診斷、顯示故障位置。使操作、維護人員可以迅速發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的各種故障位置和狀態(tài)并排除故障。

6）開放式的總線系統(tǒng)，可以自由選擇不同廠商所提供的設(shè)備來集成系統(tǒng)。避免因選擇了某一品牌的產(chǎn)品而被“框死”了使用設(shè)備的選擇范圍，也不會為系統(tǒng)集成中不兼容的協(xié)議，接口而一籌莫展。使系統(tǒng)集成過程中的主動權(quán)牢牢掌握在用戶手中。

由此可見，工業(yè)現(xiàn)場總線控制方式與傳統(tǒng)的控制方式相比在信息集成能力、系統(tǒng)的開放性、互換性、控制的可靠性和系統(tǒng)的可維護性等多個方面有了很大改善。工業(yè)現(xiàn)場總線控制方式取代傳統(tǒng)離散控制方式是一種必然的發(fā)展趨勢。

[參考文獻]

（1）《工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場總線技術(shù)》，陳在平 岳有軍 編著;

（2）《微機測控系統(tǒng)》課件，張靖 編;

（3）《微機控制系統(tǒng)及其應(yīng)用》第四版，武自芳 虞鶴松 王秋才 編著。