基于現場總線的電氣自動化設備管理系統研究

■文/徐暢（黑龍江同方信息系統有限公司）畢莉紅（黑龍江天地偉業科技開發有限公司）

1 引言

FCS現場總線是連接控制設備與上層自動化控制設備之間的雙向串行鏈路,以其結構和布線簡單、數字傳輸準確可靠、現場信息豐富等特點,在工廠自動化控制中得到越來越廣泛的應用。它的全數字化、雙向傳輸、多點通訊,逐步取代之前在工業中廣泛應用的DCS集散控制系統。本文采用的是其中的Profibus-DP標準,它是一種用于工廠自動化車間級監控和現場設備層數據通信與控制的現場總線技術。可實現現場設備層到車間級監控的分散式數字控制和現場通信網絡,為實現工廠綜合自動化和現場工藝設備智能化提供了可行的解決方案。

2 設備控制與管理

本文的工藝設備主要分為三類,一類是只需要起停控制的設備,包括除塵器、皮帶運輸機、攪拌電機等。控制目的是保證正常順序開停車,以及故障或非正常狀況下的連鎖停車。另一類是需要調速的設備,包括泵類、風機類、給料機等設備。控制目的是參與到液位、流量、壓力等的閉環控制中,以保持運行工況的穩定性。第三類是自成系統的設備,比如破碎機、球磨機、陶瓷過濾機等。這類設備相對較為獨立,其信息主要是用于監測,或加入少量的控制。對于前兩類設備,與之相連的直接控制設備是變頻器、軟起動器、馬達保護器等控制器。這些控制器接收PLC通過DP總線發出的指令,同時又將設備運行或故障信息反饋給PLC,并在上位機監控畫面顯示這些狀態。上位機畫面包含有豐富的信息,包括設備起停操作界面、運行狀態信息、趨勢曲線等,通過對數據庫信息進行統計分析、處理,還可以在上位機中得到生產設備的歷史曲線、臺時、整機效率計算,電量水量統計等,實現工廠過程數據可視化及設備管理。不難看出,設備控制順序是上位機—PLC—控制器—現場設備。

3 控制器與現場設備

對現場設備的電氣控制分為就地和總線兩種方式。就地控制時,現場設備起停依賴于動力站的變頻器、軟起動器、馬達保護器等控制器接收安裝在設備近旁的就地操作箱上的起停按鈕或頻率給定裝置發出的信號;遠程控制時,設備起停則依賴于控制器通過DP總線接收的上位機畫面發給PLC的指令。無論這兩種哪種控制方式，PLC都可以通過DP總線讀到控制器中存放的設備運行或故障狀態。就地和總線切換過程要使設備平穩的保持原有狀態,這種保持,除了像軟起和馬達保護器這些工頻運行的設備不能因轉換而停車或啟動外,對于正在以某個頻率運行的變頻設備,切換時還要維持運行頻率不變,即無擾切換。由于總線控制的加入,在外部電路及參數設置方面對切換電路予以充分考慮,使得就地/總線無擾切換比用DCS方式更加可靠。

無擾切換電路設計,在沒有采用FCS之前,主要通過遠程就地切換繼電器與主回路接觸器通斷的時間差,來保證遠程就地切換瞬間設備啟動回路或運行回路不斷電。即切換過程要保證主回路接觸器線圈失電、觸點斷開的時間,要大于切換繼電器線圈得電、觸點閉合的時間。

FCS系統,從電路及程序上,充分考慮切換的順暢。以變頻回路為例。總線/就地切換開關不影響就地啟動繼電器的動作,通過變頻器運行輸出繼電器,以及總線/就地停止繼電器,來保持給變頻器的啟動信號維持切換之前的狀態。為了保持變頻器切換前后頻率不變,配合以智能操作器,此操作器可顯示變頻器的頻率給定值SV和頻率反饋值MV。無論總線還是就地,MV都對應于變頻器的實際頻率反饋值。SV則不同。就地時,SV顯示操作器給變頻器的頻率設定值;總線時,SV顯示的是MV通過操作器自身變送輸出的值,與此時PLC通過總線設置給變頻器的頻率給定值基本一致。在就地切換到總線的瞬間,PLC通過總線將頻率實時數據傳輸給變頻器作為頻率給定信號;在總線切換到就地的瞬間,則是利用操作器自身的無擾切換功能,操作器接收轉換信號后,瞬間將顯示的SV的值輸出給變頻器作為給定頻率,從而實現雙方向的可靠的無擾切換。

4 PLC與控制器

控制器主要包括變頻器、軟起動器、馬達保護器等。為實現總線控制,需設置控制器參數。除了基本的額定電壓、頻率、電流、功率因數、總線地址等的設置外,對于變頻器,還需要設置起停模式(如慣性、斜坡等)、加減速時間、控制信號源、頻率源等;軟起動器需要設置起停模式(如電壓、力矩)、升降壓時間、限流倍數、保護類別、輸入輸出功能等;馬達保護器需要設置操作模式、保護設置、控制設置等。初始設置一般是通過控制器本身的鍵盤完成。也可以由PLC通過DP總線對控制器參數進行設置和修改,并對控制器的特性進行連續監測與控制。

為對不同控制方式的電機進行統一管理,PLC中設置統一的電機控制變量,包括電機控制類型、控制字、狀態字、頻率設定、頻率反饋、電機電流、電機功率、故障代碼。其中電機控制類型中顯示變頻器控制、軟起動器控制、電機保護器控制、普通電機控制等信息。控制字中包括起停電機、故障復位。狀態字包括運行/停止、總線/就地、故障、急停、合閘/分閘等信息。頻率設定和頻率反饋對應于變頻器,電機電流、功率、故障代碼對應于所有總線控制設備。故障代碼是FCS較DCS優勢之處,PLC通過總線讀取故障代碼后,可以對現場裝置進行遠方診斷,快速判斷故障原因,排查故障。

5 上位機與PLC

上位機與PLC的通訊,采用DAServer作為接口,DAServer根據設定時間比如1000ms來讀寫需要與PLC交互的數據。上位機則是以事件形式讀取接口中的數據。這些數據信息的讀寫,需要上位機進行解碼及編碼,以對應到特定位,實現PLC中控制字及狀態字在上位機畫面的顯示。對于自成系統的如球磨機等設備,由于自身存在很完備的監控系統,通過通訊讀取需要特別關注的參數以顯示在畫面中。如球磨機的潤滑油站、離合器、慢驅電機、主電機等的狀態、報警等信息,軸瓦及定子溫度、油壓油流、振動等信息,陶瓷過濾機的循環泵、加酸泵、真空泵等相關信息。

6 上位機與服務器

上位機與PLC之間的通訊使得畫面可以獲得設備運行的實時數據。如若需要生產的歷史數據或關鍵的性能指標,則需要從服務器中獲得數據。各PLC設備將總線傳輸的與生產密切相關的設備數據存儲到服務器,上位機利用ActiveFactory分析報表工具讀取服務器的歷史數據,以跟蹤生產信息,并對信息進行分析、計算、處理,得到生產設備的歷史曲線、臺時、整機效率、耗電量、用水量等。工廠過程數據可視化后,管理人員能夠在詳細的數據趨勢及信息基礎上,采取行動優化生產過程。生成數據報表及設備管理報表,提高生產績效。

7 總結

本文介紹了利用FCS中的Profibus-DP總線實現電氣設備智能管理控制系統,通過無擾切換電路設計、現場設備的數據采集、集中控制、設備管理等,使得系統的可維護性增強,減輕了生產操作的難度和強度,通過在實際中的應用,展示出FCS的優越性。