對基于現(xiàn)場總線技術(shù)的水泥工業(yè)自動化控制系統(tǒng)分析

饒 銳

(安徽廣德南方水泥有限公司， 安徽 宣城 313199）

0 前言

作為建筑業(yè)不可或缺的原材料，我國長期保持水泥需求高增長態(tài)勢，但在資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會的不斷創(chuàng)建中，資源消耗大、環(huán)境污染嚴重的水泥生產(chǎn)行業(yè)開始受到政府的嚴格監(jiān)管，生產(chǎn)技術(shù)和設(shè)備的更新改造也因此成為水泥生產(chǎn)企業(yè)的生存與發(fā)展關(guān)鍵，由此可見本文研究具備的較高現(xiàn)實意義。

1 現(xiàn)場總線技術(shù)概述

所謂現(xiàn)場總線，指的是在生產(chǎn)現(xiàn)場、在微機化測量控制設(shè)備之間實現(xiàn)雙向串行多節(jié)點數(shù)字通信的系統(tǒng)，其本質(zhì)上屬于多點通信、數(shù)字化、開放化的底層控制網(wǎng)絡(luò)。不同于傳統(tǒng)的現(xiàn)場級自動化監(jiān)控系統(tǒng)，現(xiàn)場總線技術(shù)能夠連接帶有通信接口的智能化設(shè)備，通信電纜的數(shù)字化信號也能夠代替4—20mA/24VDC信號，現(xiàn)場設(shè)備的監(jiān)測、控制、遠程參數(shù)化均可由此實現(xiàn)。現(xiàn)場總線技術(shù)具備系統(tǒng)為開放式、具有互可操作性與互用性、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)高度分散性、現(xiàn)場環(huán)境強適應(yīng)性、賦予現(xiàn)場設(shè)備智能化與功能自治性、成本低、性能高等特點[1]。

現(xiàn)場總線技術(shù)存在多種類型，如基金會現(xiàn)場總線、CAN、Lonworks、DeviceNet、PROFIBUS、HART、CC-Link、WorldFIP、INTERBUS等，本文研究選擇了 PROFIBUS現(xiàn)場總線，該現(xiàn)場總線技術(shù)由Siemens開發(fā)，具備開放化、國際化、不依賴于設(shè)備生產(chǎn)商現(xiàn)場總線標準等特點，PROFIBUS-DP、PROFIBUS-FMS、PROFIBUS-PA屬于該技術(shù)的具體構(gòu)成。PROFIBUS提供光纖傳輸、DPR的RS485傳輸、FMS的RS485傳輸，協(xié)議則參考了ISO7498國際標準，參考模型則選擇了開放式系統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。

2 基于現(xiàn)場總線技術(shù)的水泥工業(yè)自動化控制系統(tǒng)

本文選擇了某地S水泥生產(chǎn)企業(yè)的4號窯作為研究對象，該水泥生產(chǎn)線采用了干式混合法工藝，產(chǎn)量為1000t/d，由于同時擁有料漿破碎均化系統(tǒng)、分解爐多級鍛燒系統(tǒng)，水泥生產(chǎn)線對自動化控制提出了較高挑戰(zhàn)。

2.1 控制方案設(shè)計

由于S企業(yè)4號窯水泥生產(chǎn)線原建有DCS控制系統(tǒng)，因此設(shè)計人員在充分了解生產(chǎn)線自動化控制系統(tǒng)現(xiàn)狀、水泥工藝特點后提出了改造式的設(shè)計方案，通過結(jié)合原有的DCS系統(tǒng)、現(xiàn)場總線技術(shù)、PLC控制，即可滿足水泥生產(chǎn)線的自動化控制需求。現(xiàn)場總線技術(shù)的應(yīng)用可彌補DCS開放性差、布線復(fù)雜等缺陷，PLC具備的配置靈活、價格便宜、可靠性高特點也能夠較好服務(wù)于水泥工業(yè)現(xiàn)場控制，三者由此實現(xiàn)的優(yōu)勢互補、取長補短理應(yīng)得到重視。因此，設(shè)計人員在水泥生產(chǎn)線數(shù)據(jù)量較大設(shè)備區(qū)域采用了現(xiàn)場總線技術(shù)，DCS分布式控制則用于測控點較為分散區(qū)域，現(xiàn)場總線技術(shù)的特點和優(yōu)勢由此可實現(xiàn)最大化發(fā)揮，信號測量、傳輸、控制的精度也能夠由此得到較好保障，由于原有DCS系統(tǒng)的控制設(shè)備、儀表大多可繼續(xù)使用，這便實現(xiàn)了經(jīng)濟性較高的水泥工業(yè)自動化控制改造，控制系統(tǒng)的運行可靠性也由此得到了較好保障[2]。

深入考慮水泥生產(chǎn)工藝特點以及控制要求后，設(shè)計人員最終選擇了以太網(wǎng)作為主干網(wǎng)，下位機主控制器選擇了 PLC，PLC與現(xiàn)場智能控制設(shè)備的連接使用PROFIBUS，上位機部分采用TCP/CP通信協(xié)議，由此即可滿足車間級與廠級上層網(wǎng)絡(luò)連接需要。自動化控制系統(tǒng)采用了以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線混合型結(jié)構(gòu)，PROFIBUSUS-DP主從協(xié)議用于現(xiàn)場層通信，傳輸介質(zhì)選擇了屏蔽雙絞線，接口模塊或耦合器負責不同的子網(wǎng)和不同介質(zhì)間連接。過程監(jiān)控層使用以太網(wǎng)協(xié)議，通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換使用帶有雙網(wǎng)卡的PLC，一張為以太網(wǎng)卡、一張為PROFIBUSUS-DP網(wǎng)卡，由此PLC即可同時作為以太網(wǎng)站點和現(xiàn)場總線上的一個站，數(shù)據(jù)交換、現(xiàn)場控制參數(shù)傳輸由此即可得到較好保障。生產(chǎn)管理層采用了TCP/CP通信協(xié)議，服務(wù)器帶有兩塊網(wǎng)卡，分別負責與其他局域網(wǎng)連接、監(jiān)控層之間的數(shù)據(jù)傳輸，控制生產(chǎn)的以太網(wǎng)由此即可得到較好隔離。

2.2 總體方案設(shè)計

通過反復(fù)研究、論證，設(shè)計人員最終選擇了西門子公司的自動化控制系統(tǒng)進行技術(shù)改造，由此即可建立基于PROFIBUS現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)、DCS組態(tài)、PLC控制的分散控制與集中管理系統(tǒng)，具體設(shè)計由西門子 S7-1500系列 PLC、PROFIBUS現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)、SINEC H1工業(yè)以太網(wǎng)、WINCC過程監(jiān)控軟件等組成。生產(chǎn)控制部分可細分為中控操作監(jiān)視、現(xiàn)場控制兩部分，中控操作監(jiān)視由 4個操作員站、1個工程師站構(gòu)成，現(xiàn)場控制由多個RBC遠程站與2個PLC主站構(gòu)成，由此實現(xiàn)了工況監(jiān)視、過程控制、程序編制為一體。系統(tǒng)采集點數(shù)量為1075個，包括46個PROFIBUS-PA點、22個PROFIBUS-DP點、14個RTD輸入點、25個模擬量AO輸出點、179個模擬量AI輸入點、263個開關(guān)量DO輸出點、526個開關(guān)量DI輸入點。系統(tǒng)具備數(shù)據(jù)采集和處理、故障報警及故障記錄、實時及歷史趨勢曲線顯示、工藝流程圖畫面顯示、PID回路控制及參數(shù)修改、各種給定操作回路控制、閥門控制、邏輯運算和順序控制等功能[3]。

2.3 具體設(shè)計

水泥工業(yè)自動化控制系統(tǒng)可細分為現(xiàn)場控制部分、中央控制部分、以及軟硬件控制部分，具體設(shè)計如下：（1）現(xiàn)場控制部分。為縮短PLC與電氣元件的信號電纜距離，在生產(chǎn)車間的電力室內(nèi)設(shè)置現(xiàn)場控制站，以此實現(xiàn)對電流、電壓、溫度、壓力、配比、閥位、流量、料位等過程量的控制，具體可細分為生料控制站、窯系統(tǒng)控制站。現(xiàn)場共設(shè)置 22臺基于 PROFIBUS-DP的自動化測控裝置、46臺PROFIBUS-PA儀表、4條PROFIBUS-DP總線、7條PROFIBUS-PA總線。（2）中央控制部分。作為自動化系統(tǒng)的中樞，該部分主要由不間斷電源、工程師站、操作員站組成，其中電源為GAMATRONIC公司的3.6KVA不間斷電源。（3）軟硬件控制部分。軟件由工程師站、操作員站、WINCC軟件、TISOFT監(jiān)控軟件組成，采用梯形圖組態(tài)方式。硬件包括電源模塊、CPU模塊、通訊模塊、開關(guān)量輸入模塊、開關(guān)量輸出模塊、模擬量輸入模塊、模擬量輸出模塊、RTD模塊、繼電器輸出模塊等，通信采用了WINCC提供的通道單元及驅(qū)動程序。

2.4 生產(chǎn)控制方法

生產(chǎn)工藝控制可細分為三個部分，分別為生料制備系統(tǒng)、回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)、煤粉制備系統(tǒng)，以煤粉制備系統(tǒng)為例，該系統(tǒng)主要控制設(shè)備包括斗式提升機、螺旋輸送機、收塵器反吹風機、起動信號、圓盤喂料機機、磨主電機機等，而結(jié)合生產(chǎn)實際，該控制系統(tǒng)選擇了模糊控制方法，由此即可較好滿足水泥生產(chǎn)需要。

3 結(jié)論

綜上所述，現(xiàn)場總線技術(shù)可較好服務(wù)于水泥工業(yè)自動化控制系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上，本文涉及的控制方案設(shè)計、總體方案設(shè)計、具體設(shè)計、生產(chǎn)控制方法等內(nèi)容，則提供了可行性較高的現(xiàn)場總線技術(shù)應(yīng)用路徑，而為了進一步提高水泥工業(yè)自動化控制水平，大數(shù)據(jù)技術(shù)的應(yīng)用、國際標準的確定同樣需要得到重視。