随着计算机、控制、通信、网络等技术的发展,作为工业控制数字化、智能化与网络化典型代表的现场总线(FieldBus)技术也发展迅速、影响巨大,引起了工程技术界的普遍兴趣与重视,使计算机控制系统逐步从集散控制系统(DistributedControlSystemDCS)走向以现场总线为基础的分布式现场总线控制系统(FieldbusControlSystem,FCS),被誉为工业自动化领域具有革命性的新技术。现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一。
1项目概述
我公司现有五座炼铁高炉,每一座高炉在生产中都产生大量的高炉煤气,但是煤气中烟尘和焦油的含量非常高,所以不能直接用于其他生产活动,必须进行除尘。现有的煤气除尘系统主要有洗涤塔除尘和布袋除尘。鉴于一号到四号高炉在地理位置上比较集中,并且采用相同的洗涤塔式除尘系统,又因原用电动组合式仪表控制系统已不能满足生产的需求,所以采用集中改造原则,把这四个高炉的控制系统进行大集成,现将其改造成为西门子PROFIBUS现场总线系统。
具体改造项目包括四座高炉的煤气洗涤塔流程和公共部分流程。系统中所有上位监控设备将全部采用研华工业用计算机,通过工业以太网集中HMI人机交互方式进行系统监控运行,下位PLC控制站也采用集中组建方式,这样可以减少控制室数量,节省大量建筑开支。另外在现场建设现场数据采集站,通过PROFIBUS总线向PLC传送数据,这样可以大量减少物理布线,并且实现了远程设备诊断。在PLC控制站上实现各个工艺流程、设备运转之间的相互联锁的操作功能,提高了系统的安全性。采用了先进的控制方式和控制算法,实现了四座高炉煤气洗涤塔液位的自动调节控制,减少了维护和操作人员的劳动强度和工作量,为这些岗位减员增效创造了条件。
2系统组成
现场总线控制系统是自动控制系统的发展方向,通过细致详细的调查工作,并结合这四个高炉煤气洗涤系统的实际情况,最终选择了西门子公司的PROFIBUS-DP现场总线技术,在这套现场总线系统中,我们的控制站采用了德国西门子公司的S7-300系列PLC,数据传输站采用了德国西门子公司的ET200系列设备,通过上位、下位、现场三位一体的方式实现了PROFIBUP-DP现场总线系统,并且在上位监控中采用了工业以太网,对现场总线提供了强有力的辅助,大大提高了数据传输速度。系统整体布置简图如图1所示。该系统是一种功能强大、使用方便、运行可靠的控制系统,为我们的现场生产提供了功能强大的物质基础。
2．1控制系统的UPS电源
为了提高系统的安全性,为PLC控制系统提供不间断电源,配置原装EMERSON电池。这套UPS电源系统包括主副两路220V供电和电池组,当主220V电源故障后,自动跳到电池组供电,当电池组电量耗尽后,系统又会自动跳到副220V电源。这套电源系统与原来的控制系统电源相比,给系统提供了极大的安全性,保证了净化系统的安全连续运行,减少了不必要的停产,无形中增加了效益。
2．2上位监控系统
上位监控系统设一台工程师站和两台操作员站,选用研华工业计算机,每台计算机上装有网络通讯卡CP1613,它们各通过上位工业以太网总线分别与五套S7-300系统的通讯处理器CP343-1通讯口连接,工业以太网的构建主要依据一台西门子的ESMTP80工业级别的交换机。组态软件采用西门子的WINCC制作监控程序,WINCC是西门子公司的专用监控软件,与硬件连接时有很好的兼容性和可靠性,通讯方便,具有很好的适配性。WINCC提供了适用于工业的图形显示、消息、归档以及报表的功能模板,高性能的过程耦合、快速的画面更新及可靠的数据使其具有高度的适用性。
2．3下位控制站
我们的控制站采用了德国西门子公司的S7-300系列PLC,包括四个高炉的系统和一套公共管网系统,总共用五套西门子S7315-2DP的PLC系统来实现自动控制。
2．4现场数据传输站
在生产现场,我们需要采集的信号主要包括热电阻信号、各种变送器的4～20mA模拟量信号、数字量信号等,还要输出模拟量电流信号用于控制调节阀,由于各个高炉的变送器距离集中控制室比较远,我们采用了德国西门子公司的ET200系列设备来构成数据传输站,通过PROFIBUS-DP总线向控制站传送和接收实时数据。这样,我们可以就近把变送器的信号接入传输站,并可就近输出4～20mA的控制信号来控制现场调节阀,主要由ET200B热电阻模板采集热电阻信号,由ET200B标准模拟量输入模板采集4～20mA电流信号,由ET200eco数字量模板采集数字量信号输入,由ET200B标准模拟量输出模板输出控制信号。这些数据通过总线在现场和控制站之间传输,省去了大量的物理布线,这些现场模块完全适合工业生产的恶劣环境,只需要一个简单的小控制室即可正常工作,另外采用先进的EJA530就地式变送器,省去了大量的仪表安装管网。
3采用现场总线技术的优势
传统的计算机控制系统一般采用DCS结构。在DCS中,对现场信号需要进行点对点的连接,并且I／O端子与PLC或自动化仪表一起被放在控制柜中,而不是放在现场。这就需要铺设大量的信号传输电缆,布线复杂,既费料又费时,信号容易衰减并容易被干扰,而且又不便维护。DCS一般由操作员站、控制站等组成,结构复杂,成本高。而且DCS不是开放系统,互操作性差,难以实现数据共享。而基于PC的FCS则完全克服了这些缺点。
(1)在FCS中,借助于现场总线技术,所有的I／O模块均放在工业现场,而且所有的信号通过分布式智能I／O模块在现场被转换成标准数字信号,只需一根电缆就可把所有的现场子站连接起来,进而把现场信号非常简捷地传送到控制室监控设备上,降低了成本,又便于安装和维护,同时数字化的数据传输使系统具有很高的传输速度和很强的抗干扰能力。
(2)FCS具有开放性。在FCS中,软件和硬件都遵从同样的标准,互换性好,更新换代容易。程序设计采用IECll31-3五种国际标准编程语言,编程和开发工具是完全开放的,同时还可以利用PC丰富的软硬件资源。
(3)系统的效率大为提高。在FCS中,一台PC可同时完成原来要用多台设备才能完成的任务。在多任务的Windows操作系统下,PC中的软件PLC可以同时执行多达十几个PLC任务,既提高了效率,又降低了成本。且PC上的PLC具有在线调试和仿真功能,极大地改善了编程环境。
(4)在FCS中,系统的基本结构为:工控机或商用PC、现场总线主站接口卡、现场总线输入／输出模块、PLC或实时多任务控制软件包、组态软件和应用软件。上位机的主要功能包括系统组态、数据库组态、历史库组态、图形组态、控制算法组态、数据报表组态、实时数据显示、历史数据显示、图形显示、参数列表、数据打印输出、数据输入及参数修改、控制运算调节、报警处理、故障处理、通信控制和人机接口等各个方面,并真正实现控制集中、危险分散、数据共享、完全开放的控制要求。
4结束语
由前面的阐述可以看出,FCS的技术关键是现场总线技术。它不仅具有精度高、可自诊断等优点,而且具有控制功能,必将取代传统的控制方式。连接现场设备的现场总线是一种开放式、数字化、多接点的双向传输串行数据通路,它是计算机技术、自动控制技术和通信技术相结合的产物。结合PC丰富的软硬件资源,既克服了传统控制系统的缺点,又极大地提高了控制系统的灵活性和效率,形成了一种全新的控制系统,开创了自动控制的新纪元,成为自动控制发展的必然趋势。
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