現場總線在銅閃速冶煉中的應用

朱壯志

【摘要】 銅冶煉閃速爐鍋爐區域環境惡劣，溫度高、含有腐蝕性氣體和導電粉塵，使用傳統的控制系統的設計已不能滿足鍋爐振打裝置的使用要求，采用了現場總線技術不僅完美的解決了這一問題，還節省了投資。

關鍵詞：工業控制網絡、現場總線、振打系統

現場總線技術產生于二十世紀八十年代后期，是針對當時DCS系統開放性差且布線復雜、費用高的缺陷而開發出來的一種適用于工業環境的網絡結構和網絡協議，并實現傳感器、控制器層的通訊①。一般把現場總線理解為一根電纜，其實從定義上可見，更確切的說法應該是一種現場控制網絡。它直接面向生產過程，一般只包括ISO/OSI 7層模型中的3層：物理層、數據鏈路層和應用層。現場總線的接線方式簡單，一對雙絞線或一根電纜可以掛接多個設備，因此節省了大量的電纜、電纜橋架和附件、接線端子等，同時也減少了安裝調試的工作量和費用②。現場總線還具有提高系統精度和自診斷能力、抗干擾能力強、開放性好、智能化和功能自治性、新型全分布式結構等特點，在工業應用中越來越廣。本文淺談了現場總線在銅閃速冶煉余熱鍋爐振打系統中的應用。

1工藝、環境簡介

某公司的余熱鍋爐是把閃速爐冶煉過程中產生的大量的熱量利用起來產生飽和蒸汽，達到循環利用、節能降耗的目的。振打裝置則是給余熱鍋爐定期循環除垢的設備。隨著公司的擴建，需要新增一臺余熱鍋爐和改造現有的振打裝置。

余熱鍋爐周邊的環境十分惡劣：

（1）所有設備都是露天安裝;

（2）鍋爐熱輻射使環境溫度較高，最高可達到60多攝氏度;

（3）空氣中含有少量的SO2、SO3等腐蝕性氣體;

（4）有導電性的粉塵;

（5）鋼結構平臺，荷載有限，難以承受新增電纜;

（6）現場設備安裝狀況復雜，各種電纜及用電設備會產生一定的交叉干擾。

這些都是傳統控制方式難以克服的困難。

設備分散在鍋爐各層，同時局部相對集中，非常適合用現場總線。

2? 系統設計選型及特點

現有的余熱鍋爐控制系統采用的是傳統的控制方式：美國AB公司的PLC5/40位于中控室內，輸入、輸出信號通過控制電纜敷設至中控室，僅控制電纜敷設就有上百根。

這次改造相關的振打設備有172臺，每臺設備需要4個DI和1個DO，點數多且相對比較集中，從技術和經濟上綜合比較，最終選用了圖爾克公司的現場總線產品。

2.1系統結構

雖然信號數量比較多，但考慮到所有的信號都是開關量，設備也是按照規律順序動作，現有的PLC5/40完全能滿足要求，而且DeviceNet是一個開放的網絡標準，同時公司還有PLC5備件，所以繼續保留了現有的PLC5。DeviceNet掃描器則選擇了雙口的1771-SDN。

上位機采用AB公司RsView32軟件實現動態畫面組態，實現整個鍋爐振打系統的集中控制、故障報警、報表打印等功能。上位機通過DH+網與PLC相連，通過以太網與上層系統相連。

現場總線采用Turck公司的EDS組態軟件對總線模塊進行組態編程。

整個系統分三條網絡，總線拓撲結構是線性結構加短分支結構。

1、2兩條網絡的每臺振打設備全為4點開關量輸入，1點開關量輸出。第3條網絡振打設備為3點開關量輸入，1點開關量輸出。網絡1控制66個振打設備，網絡2控制66個振打設備，網絡3控制40個振打設備，每條網直接連接到CPU后面的掃描卡上，考慮到第3條網絡現場長度較長，通過加中繼器來延長總線傳輸距離，每增加1個中繼器，DeviceNet網絡最多延伸400米，DeviceNet通訊速率超過400米距離是125kbps。

總線模塊有點保護和組保護兩種，采用了“點保護”方式。這樣各模板上的點相互獨立，不會因為其它點的故障而導致多個系統的停止運行，符合了生產的需要。由于現場設備分布不是絕對平均，選擇固定I/O點數的模塊將導致大量的浪費，按現場絕對情況選擇又會導致模塊種類較多，增加備件費用和數量，所以最終選擇了可編程自定義輸入輸出點的16點模塊，采用全灌封技術，擁有良好的抗拉伸、振動、防水和抗電磁干擾能力，工作溫度可以達到70℃防護等級達到IP67，其擁有較強的故障自診斷能力，可以針對每個輸入/輸出點進行診斷和保護，實時LED顯示使設備維護人員能夠準確地發現和排除故障，使非專業人員進行現場維護成為可能。

16點的圖爾克FDNP-XSG16-TT這一款型模塊可以同時控制三臺振打設備，一個控制箱內只放一個模塊。因現場獨個模塊控制一臺電機的情況僅為三處，現場振打設備一臺、二臺、三臺全部選用一個模塊進行控制，每個模塊都有備用點，當輸入或輸出點出現故障時，可以將該點移到模塊的另一個通道上，同時在軟件中將地址更改即可。每個模塊通過總線T型頭將整條網絡并聯，就可以在更換模塊時不影響網絡中其它模塊的正常運行;由于網絡距離較長，為防止壓降，集中使用西門子電源給總線供電，每隔5個模塊一個電源。

2.2 系統的特點

由于生產的特殊性，電氣控制系統采用分散式控制方式。分現場控制系統與上位機中央控制系統兩大部份。現場控制系統與中央控制系統通過DH+網絡進行數據交換（通訊）。傳統PLC控制系統通常是將所有控制設備的信號通過電纜采用硬接線連接至中央控制室PLC I/O模塊上，通過CPU再對I/O模塊上輸入、輸出點進行尋址訪問。由于采用的是電纜硬接線，加之電纜敷設距離長且現場環境惡劣，這樣，控制系統的可靠性勢必會大大降低，就會經常出現故障并產生誤動作。如果出現故障，現場人員很難發現故障的產生地點，而要找出故障原因、地點勢必又會增加檢維護人員的工作量。而且控制系統在安裝調試時電纜校驗的工作量非常大。現場總線控制技術是將現場所有信號就近接至安裝在現場的總線輸入/輸出模塊上，通過總線產品如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，最后只有一根通訊電纜敷設至中央控制室PLC的掃描器模塊上，節省了大量的電纜。由于采用的是現場總線控制技術，其網絡化的結構適合于現場設備與更高控制管理層通訊的要求;設計、施工及安裝調試周期可相應縮短。現場總線輸入/輸出模塊可安裝在生產線本體上，其自身具有很強的故障自診斷能力，每個模塊的通訊故障、供電故障以及模塊的每個輸入/輸出點的短路（斷路）故障都可以在模塊上實時地顯示出來。即減輕了維修人員的工作量又使系統的可靠性大大提高。以上所述就是現場總線控制技術與傳統控制在設計應用中的最大不同。

設計采用上位機替代傳統模擬屏在中央控制室對各個系統進行控制、管理。可以實現：a）實時畫面監視，通過多級畫面和圖表相結合的方式，分層次描述實時控制過程;b）實時操作，在畫面監視過程中，通過對畫面的干預，可對整個控制過程進行實時操作，并能給出適當的操作指導;c）信息的存儲與報告，能對信息進行存儲，可供決策時參考。這樣做可使系統具有更高的可靠性、靈活性和適應性。

3? 總結

目前，這套系統已運行了多年，整套系統運行安全可靠，時間證明了設計選型的正確性。

這套現場總線控制技術與傳統控制技術相比具有：

1）投資節省了30%。

2）設計簡單、安裝調試方便，保證了改造總體進度。

3）故障率低，維護費用大幅的減少，維護、檢修停工時間減少約70%，保證了鍋爐設備處于良好運行狀態中。

4）電源電纜和網絡電纜分開，抗干擾能力強。

5）自動診斷、顯示故障位置。使操作、維護人員可以迅速發現系統的各種故障位置和狀態并排除故障。

6）開放式的總線系統，可以自由選擇不同廠商所提供的設備來集成系統。避免因選擇了某一品牌的產品而被“框死”了使用設備的選擇范圍，也不會為系統集成中不兼容的協議，接口而一籌莫展。使系統集成過程中的主動權牢牢掌握在用戶手中。

由此可見，工業現場總線控制方式與傳統的控制方式相比在信息集成能力、系統的開放性、互換性、控制的可靠性和系統的可維護性等多個方面有了很大改善。工業現場總線控制方式取代傳統離散控制方式是一種必然的發展趨勢。

[參考文獻]

（1）《工業控制網絡與現場總線技術》，陳在平 岳有軍 編著;

（2）《微機測控系統》課件，張靖 編;

（3）《微機控制系統及其應用》第四版，武自芳 虞鶴松 王秋才 編著。