對基于現場總線技術的水泥工業自動化控制系統分析

饒 銳

(安徽廣德南方水泥有限公司， 安徽 宣城 313199）

0 前言

作為建筑業不可或缺的原材料，我國長期保持水泥需求高增長態勢，但在資源節約型、環境友好型社會的不斷創建中，資源消耗大、環境污染嚴重的水泥生產行業開始受到政府的嚴格監管，生產技術和設備的更新改造也因此成為水泥生產企業的生存與發展關鍵，由此可見本文研究具備的較高現實意義。

1 現場總線技術概述

所謂現場總線，指的是在生產現場、在微機化測量控制設備之間實現雙向串行多節點數字通信的系統，其本質上屬于多點通信、數字化、開放化的底層控制網絡。不同于傳統的現場級自動化監控系統，現場總線技術能夠連接帶有通信接口的智能化設備，通信電纜的數字化信號也能夠代替4—20mA/24VDC信號，現場設備的監測、控制、遠程參數化均可由此實現。現場總線技術具備系統為開放式、具有互可操作性與互用性、系統結構高度分散性、現場環境強適應性、賦予現場設備智能化與功能自治性、成本低、性能高等特點[1]。

現場總線技術存在多種類型，如基金會現場總線、CAN、Lonworks、DeviceNet、PROFIBUS、HART、CC-Link、WorldFIP、INTERBUS等，本文研究選擇了 PROFIBUS現場總線，該現場總線技術由Siemens開發，具備開放化、國際化、不依賴于設備生產商現場總線標準等特點，PROFIBUS-DP、PROFIBUS-FMS、PROFIBUS-PA屬于該技術的具體構成。PROFIBUS提供光纖傳輸、DPR的RS485傳輸、FMS的RS485傳輸，協議則參考了ISO7498國際標準，參考模型則選擇了開放式系統互聯網絡。

2 基于現場總線技術的水泥工業自動化控制系統

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

2.1 控制方案設計

由于S企業4號窯水泥生產線原建有DCS控制系統，因此設計人員在充分了解生產線自動化控制系統現狀、水泥工藝特點后提出了改造式的設計方案，通過結合原有的DCS系統、現場總線技術、PLC控制，即可滿足水泥生產線的自動化控制需求。現場總線技術的應用可彌補DCS開放性差、布線復雜等缺陷，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于水泥工業現場控制，三者由此實現的優勢互補、取長補短理應得到重視。因此，設計人員在水泥生產線數據量較大設備區域采用了現場總線技術，DCS分布式控制則用于測控點較為分散區域，現場總線技術的特點和優勢由此可實現最大化發揮，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系統的控制設備、儀表大多可繼續使用，這便實現了經濟性較高的水泥工業自動化控制改造，控制系統的運行可靠性也由此得到了較好保障[2]。

深入考慮水泥生產工藝特點以及控制要求后，設計人員最終選擇了以太網作為主干網，下位機主控制器選擇了 PLC，PLC與現場智能控制設備的連接使用PROFIBUS，上位機部分采用TCP/CP通信協議，由此即可滿足車間級與廠級上層網絡連接需要。自動化控制系統采用了以太網和現場總線混合型結構，PROFIBUSUS-DP主從協議用于現場層通信，傳輸介質選擇了屏蔽雙絞線，接口模塊或耦合器負責不同的子網和不同介質間連接。過程監控層使用以太網協議，通信協議的轉換使用帶有雙網卡的PLC，一張為以太網卡、一張為PROFIBUSUS-DP網卡，由此PLC即可同時作為以太網站點和現場總線上的一個站，數據交換、現場控制參數傳輸由此即可得到較好保障。生產管理層采用了TCP/CP通信協議，服務器帶有兩塊網卡，分別負責與其他局域網連接、監控層之間的數據傳輸，控制生產的以太網由此即可得到較好隔離。

2.2 總體方案設計

通過反復研究、論證，設計人員最終選擇了西門子公司的自動化控制系統進行技術改造，由此即可建立基于PROFIBUS現場總線網絡、DCS組態、PLC控制的分散控制與集中管理系統，具體設計由西門子 S7-1500系列 PLC、PROFIBUS現場總線網絡、SINEC H1工業以太網、WINCC過程監控軟件等組成。生產控制部分可細分為中控操作監視、現場控制兩部分，中控操作監視由 4個操作員站、1個工程師站構成，現場控制由多個RBC遠程站與2個PLC主站構成，由此實現了工況監視、過程控制、程序編制為一體。系統采集點數量為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個開關量DO輸出點、526個開關量DI輸入點。系統具備數據采集和處理、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 具體設計

水泥工業自動化控制系統可細分為現場控制部分、中央控制部分、以及軟硬件控制部分，具體設計如下：（1）現場控制部分。為縮短PLC與電氣元件的信號電纜距離，在生產車間的電力室內設置現場控制站，以此實現對電流、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、窯系統控制站。現場共設置 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監控軟件組成，采用梯形圖組態方式。硬件包括電源模塊、CPU模塊、通訊模塊、開關量輸入模塊、開關量輸出模塊、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動程序。

2.4 生產控制方法

生產工藝控制可細分為三個部分，分別為生料制備系統、回轉窯系統、煤粉制備系統，以煤粉制備系統為例，該系統主要控制設備包括斗式提升機、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，而結合生產實際，該控制系統選擇了模糊控制方法，由此即可較好滿足水泥生產需要。

3 結論

綜上所述，現場總線技術可較好服務于水泥工業自動化控制系統，在此基礎上，本文涉及的控制方案設計、總體方案設計、具體設計、生產控制方法等內容，則提供了可行性較高的現場總線技術應用路徑，而為了進一步提高水泥工業自動化控制水平，大數據技術的應用、國際標準的確定同樣需要得到重視。