現(xiàn)場(chǎng)總線在銅閃速冶煉中的應(yīng)用

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(jì)已不能滿足鍋爐振打裝置的使用要求，采用了現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)不僅完美的解決了這一問(wèn)題，還節(jié)省了投資。

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

現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)產(chǎn)生于二十世紀(jì)八十年代后期，是針對(duì)當(dāng)時(shí)DCS系統(tǒng)開(kāi)放性差且布線復(fù)雜、費(fèi)用高的缺陷而開(kāi)發(fā)出來(lái)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(shí)現(xiàn)傳感器、控制器層的通訊①。一般把現(xiàn)場(chǎng)總線理解為一根電纜，其實(shí)從定義上可見(jiàn)，更確切的說(shuō)法應(yīng)該是一種現(xiàn)場(chǎng)控制網(wǎng)絡(luò)。它直接面向生產(chǎn)過(guò)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(chǎng)總線的接線方式簡(jiǎn)單，一對(duì)雙絞線或一根電纜可以掛接多個(gè)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(shí)也減少了安裝調(diào)試的工作量和費(fèi)用②?，F(xiàn)場(chǎng)總線還具有提高系統(tǒng)精度和自診斷能力、抗干擾能力強(qiáng)、開(kāi)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(diǎn)，在工業(yè)應(yīng)用中越來(lái)越廣。本文淺談了現(xiàn)場(chǎng)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(jiǎn)介

某公司的余熱鍋爐是把閃速爐冶煉過(guò)程中產(chǎn)生的大量的熱量利用起來(lái)產(chǎn)生飽和蒸汽，達(dá)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(kuò)建，需要新增一臺(tái)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(dá)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(tái)，荷載有限，難以承受新增電纜;

（6）現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備安裝狀況復(fù)雜，各種電纜及用電設(shè)備會(huì)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(shí)局部相對(duì)集中，非常適合用現(xiàn)場(chǎng)總線。

2? 系統(tǒng)設(shè)計(jì)選型及特點(diǎn)

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(guó)AB公司的PLC5/40位于中控室內(nèi)，輸入、輸出信號(hào)通過(guò)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(tái)，每臺(tái)設(shè)備需要4個(gè)DI和1個(gè)DO，點(diǎn)數(shù)多且相對(duì)比較集中，從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上綜合比較，最終選用了圖爾克公司的現(xiàn)場(chǎng)總線產(chǎn)品。

2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

雖然信號(hào)數(shù)量比較多，但考慮到所有的信號(hào)都是開(kāi)關(guān)量，設(shè)備也是按照規(guī)律順序動(dòng)作，現(xiàn)有的PLC5/40完全能滿足要求，而且DeviceNet是一個(gè)開(kāi)放的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)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(jī)采用AB公司RsView32軟件實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)畫面組態(tài)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)鍋爐振打系統(tǒng)的集中控制、故障報(bào)警、報(bào)表打印等功能。上位機(jī)通過(guò)DH+網(wǎng)與PLC相連，通過(guò)以太網(wǎng)與上層系統(tǒng)相連。

現(xiàn)場(chǎng)總線采用Turck公司的EDS組態(tài)軟件對(duì)總線模塊進(jìn)行組態(tài)編程。

整個(gè)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(tái)振打設(shè)備全為4點(diǎn)開(kāi)關(guān)量輸入，1點(diǎn)開(kāi)關(guān)量輸出。第3條網(wǎng)絡(luò)振打設(shè)備為3點(diǎn)開(kāi)關(guān)量輸入，1點(diǎn)開(kāi)關(guān)量輸出。網(wǎng)絡(luò)1控制66個(gè)振打設(shè)備，網(wǎng)絡(luò)2控制66個(gè)振打設(shè)備，網(wǎng)絡(luò)3控制40個(gè)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(chǎng)長(zhǎng)度較長(zhǎng)，通過(guò)加中繼器來(lái)延長(zhǎng)總線傳輸距離，每增加1個(gè)中繼器，DeviceNet網(wǎng)絡(luò)最多延伸400米，DeviceNet通訊速率超過(guò)400米距離是125kbps。

總線模塊有點(diǎn)保護(hù)和組保護(hù)兩種，采用了“點(diǎn)保護(hù)”方式。這樣各模板上的點(diǎn)相互獨(dú)立，不會(huì)因?yàn)槠渌c(diǎn)的故障而導(dǎo)致多個(gè)系統(tǒng)的停止運(yùn)行，符合了生產(chǎn)的需要。由于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備分布不是絕對(duì)平均，選擇固定I/O點(diǎn)數(shù)的模塊將導(dǎo)致大量的浪費(fèi)，按現(xiàn)場(chǎng)絕對(duì)情況選擇又會(huì)導(dǎo)致模塊種類較多，增加備件費(fèi)用和數(shù)量，所以最終選擇了可編程自定義輸入輸出點(diǎn)的16點(diǎn)模塊，采用全灌封技術(shù)，擁有良好的抗拉伸、振動(dòng)、防水和抗電磁干擾能力，工作溫度可以達(dá)到70℃防護(hù)等級(jí)達(dá)到IP67，其擁有較強(qiáng)的故障自診斷能力，可以針對(duì)每個(gè)輸入/輸出點(diǎn)進(jìn)行診斷和保護(hù)，實(shí)時(shí)LED顯示使設(shè)備維護(hù)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(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)成為可能。

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

2.2 系統(tǒng)的特點(diǎn)

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(chǎng)控制系統(tǒng)與上位機(jī)中央控制系統(tǒng)兩大部份。現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)與中央控制系統(tǒng)通過(guò)DH+網(wǎng)絡(luò)進(jìn)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(hào)通過(guò)電纜采用硬接線連接至中央控制室PLC I/O模塊上，通過(guò)CPU再對(duì)I/O模塊上輸入、輸出點(diǎn)進(jìn)行尋址訪問(wèn)。由于采用的是電纜硬接線，加之電纜敷設(shè)距離長(zhǎng)且現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣，這樣，控制系統(tǒng)的可靠性勢(shì)必會(huì)大大降低，就會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)故障并產(chǎn)生誤動(dòng)作。如果出現(xiàn)故障，現(xiàn)場(chǎng)人員很難發(fā)現(xiàn)故障的產(chǎn)生地點(diǎn)，而要找出故障原因、地點(diǎn)勢(shì)必又會(huì)增加檢維護(hù)人員的工作量。而且控制系統(tǒng)在安裝調(diào)試時(shí)電纜校驗(yàn)的工作量非常大。現(xiàn)場(chǎng)總線控制技術(shù)是將現(xiàn)場(chǎng)所有信號(hào)就近接至安裝在現(xiàn)場(chǎng)的總線輸入/輸出模塊上，通過(guò)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(lái)，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(chǎng)總線控制技術(shù)，其網(wǎng)絡(luò)化的結(jié)構(gòu)適合于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與更高控制管理層通訊的要求;設(shè)計(jì)、施工及安裝調(diào)試周期可相應(yīng)縮短。現(xiàn)場(chǎng)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(qiáng)的故障自診斷能力，每個(gè)模塊的通訊故障、供電故障以及模塊的每個(gè)輸入/輸出點(diǎn)的短路（斷路）故障都可以在模塊上實(shí)時(shí)地顯示出來(lái)。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(chǎng)總線控制技術(shù)與傳統(tǒng)控制在設(shè)計(jì)應(yīng)用中的最大不同。

設(shè)計(jì)采用上位機(jī)替代傳統(tǒng)模擬屏在中央控制室對(duì)各個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行控制、管理?？梢詫?shí)現(xiàn)：a）實(shí)時(shí)畫面監(jiān)視，通過(guò)多級(jí)畫面和圖表相結(jié)合的方式，分層次描述實(shí)時(shí)控制過(guò)程;b）實(shí)時(shí)操作，在畫面監(jiān)視過(guò)程中，通過(guò)對(duì)畫面的干預(yù)，可對(duì)整個(gè)控制過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)操作，并能給出適當(dāng)?shù)牟僮髦笇?dǎo);c）信息的存儲(chǔ)與報(bào)告，能對(duì)信息進(jìn)行存儲(chǔ)，可供決策時(shí)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(yùn)行了多年，整套系統(tǒng)運(yùn)行安全可靠，時(shí)間證明了設(shè)計(jì)選型的正確性。

這套現(xiàn)場(chǎng)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(jì)簡(jiǎn)單、安裝調(diào)試方便，保證了改造總體進(jìn)度。

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

4）電源電纜和網(wǎng)絡(luò)電纜分開(kāi)，抗干擾能力強(qiáng)。

5）自動(dòng)診斷、顯示故障位置。使操作、維護(hù)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(kāi)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(lái)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(huì)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(guò)程中的主動(dòng)權(quán)牢牢掌握在用戶手中。

由此可見(jiàn)，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)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(kāi)放性、互換性、控制的可靠性和系統(tǒng)的可維護(hù)性等多個(gè)方面有了很大改善。工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)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(shì)。

[參考文獻(xiàn)]

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

（2）《微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)》課件，張靖 編;

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