高爐自動(dòng)化控制系統(tǒng)中現(xiàn)場總線的研究

閆 曉

現(xiàn)場總線技術(shù)將傳統(tǒng)的4mA～20mA模擬信號(hào)與普通開關(guān)量信號(hào)替換成為數(shù)字信號(hào)，使得高爐自動(dòng)化控制系統(tǒng)的底層數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)得以完善。其中由SIEMENS等公司組織開發(fā)的Profibus現(xiàn)場總線技術(shù)于2001年成為我國機(jī)械行業(yè)工業(yè)控制系統(tǒng)用現(xiàn)場總線的國家標(biāo)準(zhǔn)。而Profibus-DP作為其中一個(gè)重要的應(yīng)用協(xié)議，能夠滿足設(shè)備級(jí)分布式控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性與可靠性要求，因此，在高爐自動(dòng)化控制系統(tǒng)中的應(yīng)用效果也得到確認(rèn)和肯定。

1 Profibus-DP現(xiàn)場總線技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢分析

1.1 傳統(tǒng)高爐自動(dòng)化控制系統(tǒng)的PLC配置框架

傳統(tǒng)高爐電子器件采取了分立模式建造，在各個(gè)單元器件中，都能獨(dú)立完成所述工作區(qū)域，而自動(dòng)化線路技術(shù)與高爐組合是全控制型器件的基礎(chǔ)上，要將其內(nèi)部的多個(gè)單元器件的基礎(chǔ)上，要將其在一個(gè)基礎(chǔ)上共同進(jìn)行運(yùn)作，從而實(shí)現(xiàn)集成化的器件分立系統(tǒng)。過去，鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)采用的高爐自動(dòng)化控制系統(tǒng)，其信號(hào)的傳輸往往通過信號(hào)電纜完成向PLC系統(tǒng)的傳輸過程，PLC配置框架如圖1所示。

圖1 PLC配置框架圖

從圖1當(dāng)中可以看出，高爐生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)入到PLC系統(tǒng)以后，首先需要經(jīng)過A/D與D/A轉(zhuǎn)換，而轉(zhuǎn)換以后的信號(hào)精確度將大幅下降，這時(shí)，PLC系統(tǒng)的掃描周期也將延長，這就使得各種自動(dòng)化設(shè)備執(zhí)行各種動(dòng)作時(shí)的精確度受到嚴(yán)重影響。與此同時(shí)，若采取這種傳統(tǒng)的通信方式，在前期布線階段，需要大量的電纜，這不僅影響整個(gè)生產(chǎn)區(qū)域的整體形象與環(huán)境，一旦線路出現(xiàn)故障，維修人員的工作量將大幅增加，進(jìn)而給鋼鐵企業(yè)增加了維修成本。

1.2 Profibus-DP現(xiàn)場總線技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢

Profibus-DP現(xiàn)場總線技術(shù)在控制精度、安全穩(wěn)定性、組態(tài)方式以及經(jīng)濟(jì)性方面均優(yōu)于傳統(tǒng)的4mA～20mA模擬信號(hào)以及普通開關(guān)量信號(hào)。其信號(hào)轉(zhuǎn)換過程無需經(jīng)過D/A與A/D轉(zhuǎn)換，信號(hào)精確度誤差也由原來的±0.5%提升到現(xiàn)在的±0.1%，而且可以將PID功能植入到變送器或者執(zhí)行器當(dāng)中，這就使得控制周期從每秒2次～3次增加到10次～20次，進(jìn)而有效改善了系統(tǒng)的調(diào)節(jié)性能。與此同時(shí)，由于現(xiàn)場總線組態(tài)簡單，安裝便捷，運(yùn)行穩(wěn)定，因此，能夠節(jié)省大量的維修資金。此外，現(xiàn)場總線技術(shù)還具有以下應(yīng)用優(yōu)勢。

1.2.1 系統(tǒng)開放性

過去，高爐自動(dòng)化控制系統(tǒng)要想實(shí)現(xiàn)對(duì)外通訊，往往需要借助于工作站的串口或者并口，這種封閉式的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也使信號(hào)的傳輸通道受阻。而現(xiàn)場總線技術(shù)主要由兩層應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)組成，一層是現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)，一種局域網(wǎng)，在局域內(nèi)，信息能夠快速得到交換，使同一網(wǎng)絡(luò)中的各種信息資源實(shí)現(xiàn)共享。同時(shí)，現(xiàn)場總線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不僅僅帶有行業(yè)性特征，同時(shí)，對(duì)廣大用戶以及系統(tǒng)制造商也實(shí)現(xiàn)全面公開，這就使得現(xiàn)場總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)共享，這樣可以滿足廣大用戶的個(gè)性化需求，組態(tài)過程也將更加隨意。

1.2.2 性能互通

過去的高爐自動(dòng)化控制技術(shù)中使用的DCS產(chǎn)品，如果制造廠家不同，那么生產(chǎn)的產(chǎn)品也無法實(shí)現(xiàn)共用，這就極易給鋼鐵企業(yè)增加成本投入。而現(xiàn)場總線技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)所有互連設(shè)備與系統(tǒng)間的信息交互傳遞，數(shù)字信號(hào)可以進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)，或者一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)進(jìn)行快速傳遞，即便產(chǎn)品來自于不同的生產(chǎn)廠家，那么各類設(shè)備之間也可實(shí)現(xiàn)共用與互換。

1.2.3 智能系統(tǒng)診斷特性

在應(yīng)用傳統(tǒng)的DCS技術(shù)時(shí)，信號(hào)傳遞只能是模擬信號(hào)的單向傳遞，因此，信號(hào)在傳遞過程中將出現(xiàn)較大的誤差，在這種情況下，即便系統(tǒng)出現(xiàn)運(yùn)行故障，也無法在第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)，進(jìn)而給生產(chǎn)進(jìn)度造成嚴(yán)重影響。但是，應(yīng)用現(xiàn)場總線技術(shù)以后，數(shù)字信號(hào)可以實(shí)現(xiàn)雙向傳遞，一些智能化的計(jì)算功能、處理功能與控制功能將直接植入現(xiàn)場設(shè)備當(dāng)中，一旦設(shè)備出現(xiàn)運(yùn)行故障，系統(tǒng)可以快速診斷出故障類型與具體部位，這就給設(shè)備檢修贏取了大量時(shí)間。

1.2.4 抗干擾能力強(qiáng)

應(yīng)用現(xiàn)場總線技術(shù)，高爐自動(dòng)化控制系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)能力大幅增加，這主要是由于現(xiàn)場總線支持雙絞線、同軸電纜、光纖、射頻、紅外線，在通信過程中，可以采取兩線制的信號(hào)傳輸方式，進(jìn)而提升了系統(tǒng)的抗干擾能力。

2 Profibus-DP現(xiàn)場總線系統(tǒng)組成與通信原理

2.1 系統(tǒng)組成

Profibus-DP作為Profibus現(xiàn)場總線的一個(gè)重要分支，其信號(hào)傳輸速度快、投入成本低，因此，鋼鐵企業(yè)多采用Profibus-DP協(xié)議來完成高爐自動(dòng)化控制系統(tǒng)的信號(hào)傳輸任務(wù)。其中，根據(jù)ISO7498的國際標(biāo)準(zhǔn)，Profibus-DP協(xié)議只給出了第一層與第二層的定義，即物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，而第3層～7層并未給出確切的定義。關(guān)于用戶接口，也只是明確了用戶、系統(tǒng)以及各種不同設(shè)備可調(diào)用的應(yīng)用功能。因此，這就給Profibus-DP的系統(tǒng)兼容性提供了諸多便利，在維護(hù)與調(diào)試系統(tǒng)過程中，也減少了大量的工作量。另外，在該系統(tǒng)當(dāng)中，PLC主要承擔(dān)著主控功能，其軟件配置主要采用STEP7（5.2）對(duì)PLC進(jìn)行硬件組態(tài)，在組態(tài)過程中，主要利用GSD文件將各個(gè)設(shè)備集成到一個(gè)總線系統(tǒng)當(dāng)中。PLC程序可以對(duì)組態(tài)以后的上位機(jī)編程工具進(jìn)行編譯，并將編譯后的程序統(tǒng)一存儲(chǔ)在CPU416當(dāng)中，當(dāng)程序運(yùn)行以后，I/O模塊的狀態(tài)字將被快速讀取，進(jìn)而對(duì)各種系統(tǒng)的各種硬件進(jìn)行有效控制。

2.2 通信原理

Profibus-DP協(xié)議的物理層主要由DTE與DCE設(shè)備組成，即數(shù)據(jù)終端設(shè)備與數(shù)據(jù)端接設(shè)備，其主要功能是負(fù)責(zé)連接現(xiàn)場設(shè)備與總線，可以看出，物理層所發(fā)揮的作用是連接介質(zhì)。而現(xiàn)場總線所使用的混合總線存取控制機(jī)制，主要包括主站和從站，主站通信采取邏輯令牌的方式，并以主-從輪循的方式與從站之間建立通信關(guān)系，并同時(shí)采用循環(huán)與非循環(huán)報(bào)文的方式實(shí)現(xiàn)主站與主站間的通信。目前，高爐自動(dòng)化控制系統(tǒng)中的現(xiàn)場總線設(shè)備多采用獨(dú)立供電模式，每一個(gè)通信站點(diǎn)均擁有一個(gè)穩(wěn)壓電源，如果電源供給出現(xiàn)波動(dòng)，將嚴(yán)重影響通信效果。在現(xiàn)場總線連接過程中，采用的連接介質(zhì)一般選擇雙絞線電纜，其屏蔽層的接地電阻值在10Ω以下。在總線與其它各站點(diǎn)建立連接關(guān)系時(shí)，絕緣電阻值在200Ω以下。如果高爐自動(dòng)化控制系統(tǒng)連接的站點(diǎn)數(shù)量超過32時(shí)，則需要通過中繼器來建立連接關(guān)系，其總線速率一般為1.5M的波特率，在每一段總線當(dāng)中，允許的最大電纜長度應(yīng)當(dāng)控制在200m以下，所使用的中斷器數(shù)量不得大于3個(gè)，這樣便可以順利完成信號(hào)放大功能。

3 Profibus-DP現(xiàn)場總線組態(tài)方式與控制功能

3.1 組態(tài)方式

Profibus-DP現(xiàn)場總線組態(tài)簡單，可以利用PTQ模塊對(duì)總線進(jìn)行組態(tài)，因?yàn)檫@一模塊能夠支持Profibus-DP協(xié)議，并具有較好的擴(kuò)展性能，當(dāng)PTQ模塊與Profibus-DP協(xié)議構(gòu)成工業(yè)現(xiàn)場總線系統(tǒng)之后，高爐自動(dòng)化控制系統(tǒng)可以自動(dòng)對(duì)各種數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集與處理。然后可以結(jié)合總線配置軟件來完成整個(gè)組態(tài)過程，如圖2所示。

圖2 Profibus-DP現(xiàn)場總線組態(tài)

3.2 Profibus-DP現(xiàn)場總線技術(shù)的控制功能

利用現(xiàn)場總線技術(shù)，高爐自動(dòng)化控制系統(tǒng)的終端操作界面可以實(shí)現(xiàn)以下控制功能。

3.2.1 在線實(shí)時(shí)控制功能

終端操作人員可以在控制室當(dāng)中，直接對(duì)現(xiàn)場的各種運(yùn)行設(shè)備進(jìn)行在線實(shí)時(shí)控制，比如閥門的開啟與停止，選擇上料的種類，實(shí)時(shí)確定倉位，設(shè)定各種原材料的重量等，設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)的每一道工序都可以通過現(xiàn)場總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控，而無需在生產(chǎn)現(xiàn)場進(jìn)行調(diào)試與操作，這就大大提升了高爐設(shè)備的生產(chǎn)效率。另外，如果現(xiàn)場的各種限位開關(guān)出現(xiàn)故障，而影響整個(gè)生產(chǎn)流程，這時(shí)，可以通過在線操作，對(duì)PLC的運(yùn)行參數(shù)重新進(jìn)行設(shè)定，這時(shí)，限位開關(guān)出現(xiàn)故障的概率將大幅下降。

3.2.2 模擬顯示功能

系統(tǒng)終端操作人員借助于計(jì)算機(jī)顯示器，可以直接獲取各種設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，這種狀態(tài)或以模擬信號(hào)的方式顯示出來，或者以曲線圖的方式展現(xiàn)在操作人員面前。根據(jù)顯示器所顯示的內(nèi)容，操作人員可以第一時(shí)間獲取高爐系統(tǒng)各個(gè)閥門的關(guān)閉動(dòng)作，各種稱量斗的實(shí)際重量，以及各種自動(dòng)化儀表的溫度、壓力以及狀態(tài)等運(yùn)行參數(shù)。以高爐溫度為例，根據(jù)顯示器上的數(shù)據(jù)，操作人員能夠快速判斷出高爐運(yùn)行溫度是否超出了臨界限值，如果出現(xiàn)超限的情況，應(yīng)當(dāng)立即啟動(dòng)現(xiàn)場應(yīng)急處理預(yù)案，以確保高爐能夠安全穩(wěn)定運(yùn)行，因此，現(xiàn)場總線技術(shù)的模擬顯示功能使得高爐系統(tǒng)的運(yùn)行管理變得更加快捷高效。

3.2.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理功能

現(xiàn)場總線技術(shù)主要擔(dān)負(fù)著數(shù)據(jù)傳輸與存儲(chǔ)功能，隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)的迅猛發(fā)展，用來存儲(chǔ)高爐運(yùn)行過程中產(chǎn)生的各類數(shù)據(jù)信息的數(shù)據(jù)庫，具有海量化存儲(chǔ)功能，尤其在建立歷史數(shù)據(jù)庫時(shí)，其原始數(shù)據(jù)可以追溯至高爐系統(tǒng)投入使用階段。由于這種強(qiáng)大的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，使得技術(shù)人員可以通過對(duì)歷史數(shù)據(jù)的比對(duì)分析，準(zhǔn)確判定高爐的運(yùn)行狀態(tài)，如果發(fā)現(xiàn)某些數(shù)據(jù)存在異常，則說明高爐設(shè)備出現(xiàn)了運(yùn)行故障。比如每一斗料的重量與上料時(shí)間，一旦發(fā)現(xiàn)上料時(shí)間滯后，設(shè)備檢修人員應(yīng)當(dāng)及時(shí)做出反應(yīng)，對(duì)生產(chǎn)工藝進(jìn)行改進(jìn)，或者對(duì)設(shè)備功能進(jìn)行優(yōu)化，這樣可以提高上料速度，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)效益的提升。

3.2.4 故障預(yù)警功能

Profibus-DP現(xiàn)場總線技術(shù)的功能優(yōu)勢還體現(xiàn)在故障快速診斷方面，比如高爐自動(dòng)化控制系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，電流、溫度、濕度、壓力等參數(shù)都會(huì)顯示在終端操作界面，如果測量值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出給定范圍，那么則說明高爐系統(tǒng)已經(jīng)出現(xiàn)運(yùn)行故障，在這種情況下，利用現(xiàn)場總線技術(shù)可以將故障信號(hào)及時(shí)反饋給系統(tǒng)終端，這時(shí)，操作者可以根據(jù)信號(hào)的閃爍頻率來判定報(bào)警等級(jí)，進(jìn)而確定故障類型與準(zhǔn)確位置，這就為檢修工作帶來提供了諸多便利，而且也為鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)節(jié)省了大量的設(shè)備檢修費(fèi)用。

4 Profibus-DP現(xiàn)場總線故障診斷技術(shù)的具體應(yīng)用

由于高爐設(shè)備占地面積大，硬件設(shè)備多，軟件組成復(fù)雜，而且在持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下，高爐自動(dòng)化控制系統(tǒng)的荷載量將大幅增加，這時(shí)，各種設(shè)備出現(xiàn)故障的頻率也將不斷攀升，這不僅影響原材料供給，而且也會(huì)縮減高爐設(shè)備的使用壽命，為了最大限度的降低故障率，技術(shù)人員可以利用現(xiàn)場總線的故障診斷技術(shù)，對(duì)各種不同類型的故障進(jìn)行精準(zhǔn)判斷，進(jìn)而針對(duì)性采取排障措施。目前，在鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)，較為常用的故障診斷方法主要包括三種，即利用FB125程序?qū)Ω鱾€(gè)運(yùn)行設(shè)備進(jìn)行在線診斷、利用BT200測試裝置對(duì)設(shè)備進(jìn)行故障診斷以及利用OB模塊讀取CPU硬件信息，以確定故障部位。

4.1 利用FB125程序?qū)Ω鱾€(gè)運(yùn)行設(shè)備進(jìn)行在線診斷

FB125屬于中斷驅(qū)動(dòng)功能模塊，這一模塊只能在OB1、OB82、OB86中被調(diào)用，其診斷級(jí)別可以劃分為三個(gè)等級(jí)，即故障站點(diǎn)、故障模塊與故障通道。在診斷過程中，該模塊能夠顯示出更加準(zhǔn)確、更加詳細(xì)的報(bào)錯(cuò)信息。而且數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)可以作為接口被其它程序讀取和調(diào)用，這樣，系統(tǒng)能夠更加快速的查找出故障源，確定故障從站的準(zhǔn)確位置，其中，故障信息表中顯示的信息如表1所示。

表1 故障信息表中顯示的信息

4.2 利用BT200測試裝置對(duì)設(shè)備進(jìn)行故障診斷

在高爐自動(dòng)化控制系統(tǒng)安裝過程中，技術(shù)人員可以利用BT200測試裝置對(duì)Profibus-DP電纜進(jìn)行測試，測試關(guān)鍵在于及時(shí)準(zhǔn)確的辨識(shí)出電纜屬于線路中斷還是屬于屏蔽中斷，如果發(fā)生短路故障，通過這種測試方法，可以確定是線路之間短路，還是屏蔽層與線路之間發(fā)生短路。如果短路故障出現(xiàn)在數(shù)據(jù)線當(dāng)中，則可以快速測定出故障的準(zhǔn)確位置。當(dāng)?shù)贸鲞@些測試結(jié)論以后，在選取電纜長度時(shí)則可以確定最終的準(zhǔn)確數(shù)值。如果安裝距離超出標(biāo)準(zhǔn)區(qū)間，技術(shù)人員可以采取加裝中繼器的方法將信號(hào)放大。也可以利用BT200測試裝置檢測從站或者入站的RSI485接口，同時(shí)檢查從站的可訪問性，并將訪問的站點(diǎn)進(jìn)行準(zhǔn)確編址。由此可以看出，利用BT200測試裝置能夠事先完成對(duì)被測試段的檢測任務(wù)，這種事前預(yù)測的方法，可以給設(shè)備安裝與調(diào)試節(jié)省大量的時(shí)間。另外，通過這種測試裝置，可以準(zhǔn)確查找出設(shè)備的故障部位，其測試原理是利用可選日志生成的軟件包，來執(zhí)行檢測動(dòng)作。當(dāng)檢測流程結(jié)束以后，產(chǎn)生的各類數(shù)據(jù)可以直接傳輸?shù)絇C機(jī)的終端控制界面，也可通過外設(shè)打印設(shè)備將檢測結(jié)果打印出來，這對(duì)提升故障判斷的準(zhǔn)確性將大有幫助。

4.3 利用OB模塊讀取硬件信息

OB86是機(jī)架故障的組織模塊，一旦機(jī)架、DP主站、分布式I/O出現(xiàn)故障，CPU的操作系統(tǒng)將自動(dòng)調(diào)用OB86模塊。在這種情況之下，在OB86模塊當(dāng)中可以自動(dòng)過多成程序編寫工作，與此同時(shí)，CPU中的故障代碼出將存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫當(dāng)中準(zhǔn)備隨時(shí)調(diào)取。系統(tǒng)終端操作人員根據(jù)這些代碼，可以快速判斷出故障站點(diǎn)以及故障類型。因此，利用OB模塊對(duì)系統(tǒng)故障進(jìn)行診斷，其故障診斷精確度相對(duì)較高。

5 結(jié)語

高爐與自動(dòng)化線路組合應(yīng)用的連接方式，解決了設(shè)計(jì)安裝時(shí)的注意事項(xiàng)，并給出一些抗干擾的方法，避免了導(dǎo)致可編程控制器或高爐的誤動(dòng)作或損壞。同時(shí)，需要注意實(shí)際應(yīng)用時(shí)的安全性，并對(duì)高次諧波問題加強(qiáng)關(guān)注度。現(xiàn)場總線布設(shè)不僅操作難度小，而且施工進(jìn)度快，與傳統(tǒng)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的布設(shè)方式相比，能夠節(jié)省大量的設(shè)備調(diào)試與維護(hù)費(fèi)用，進(jìn)而給鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)節(jié)省了大量的投入資金。因此，鋼鐵企業(yè)的各級(jí)管理人員與技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)時(shí)刻秉持與時(shí)俱進(jìn)的態(tài)度，在運(yùn)用現(xiàn)場總線技術(shù)過程中，應(yīng)當(dāng)不斷對(duì)各項(xiàng)工藝流程進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，在保障高爐自動(dòng)化控制系統(tǒng)高效運(yùn)轉(zhuǎn)的前提下，快速推進(jìn)高爐生產(chǎn)自動(dòng)化與智能化發(fā)展進(jìn)程。