Modbus協(xié)議在冶煉煙氣全流程監(jiān)控中的應(yīng)用

羅 勇， 吳炫睿

(1.大冶有色金屬有限責(zé)任公司， 湖北 黃石 435000； 2.東北大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院， 遼寧 沈陽(yáng) 110819)

0 引言

隨著網(wǎng)絡(luò)化、智能化技術(shù)的不斷發(fā)展，冶煉廠也在持續(xù)升級(jí)裝備制造水平，冶煉工藝的主流鍋爐從反射爐發(fā)展為諾蘭達(dá)爐，后又出現(xiàn)了更為先進(jìn)的奧斯麥特爐，產(chǎn)量效益增大的同時(shí)，節(jié)能減排技術(shù)水平也得到有效提升。冶煉生產(chǎn)過(guò)程中的二氧化硫煙氣管控，直接影響企業(yè)的環(huán)保指標(biāo)；而制酸工藝的穩(wěn)定可控，又影響熔煉和吹煉工藝的生產(chǎn)過(guò)程。近年來(lái)，冶煉廠的改造升級(jí)穩(wěn)步進(jìn)行，工藝水平逐步提升，但各個(gè)主工藝流程之間的監(jiān)控稍顯分散，如轉(zhuǎn)爐煙氣輸送給硫酸系統(tǒng)，工況變化頻繁時(shí)，采用人工聯(lián)系操作調(diào)整，過(guò)程控制效率較低，導(dǎo)致工藝控制不及時(shí)，不僅調(diào)節(jié)精度不高，容易影響吹煉和煙氣制酸的產(chǎn)量和質(zhì)量，還有可能導(dǎo)致環(huán)保異常事件發(fā)生，迫切需要利用自動(dòng)化技術(shù)，采集冶煉煙氣全流程關(guān)鍵數(shù)據(jù)，集中監(jiān)控并協(xié)調(diào)指導(dǎo)工藝生產(chǎn)。

1 煙氣全流程監(jiān)控的數(shù)據(jù)選取

1.1 監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)

根據(jù)冶煉煙氣全流程監(jiān)控的工藝要求，具有監(jiān)控價(jià)值的數(shù)據(jù)包括奧爐加料量和風(fēng)氧量、奧爐煙氣出口溫度和壓力、高溫風(fēng)機(jī)進(jìn)出口壓力、轉(zhuǎn)爐爐體狀態(tài)和風(fēng)氧量、硫酸轉(zhuǎn)化和凈化進(jìn)出口壓力、環(huán)集進(jìn)出口煙氣壓力和脫硫塔液位、尾氣濃度等。

1.2 目前數(shù)據(jù)狀態(tài)

上述各類(lèi)數(shù)據(jù)，其中現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)信號(hào)分別接入不同的DCS或PLC系統(tǒng)。就目前狀態(tài)而言，基本互無(wú)關(guān)聯(lián)。如奧爐加料量和風(fēng)氧量，只能在熔煉DCS系統(tǒng)上顯示；環(huán)集進(jìn)出口煙氣壓力，只能在環(huán)集DCS上顯示；轉(zhuǎn)爐爐體狀態(tài)，只能在轉(zhuǎn)爐各操作電腦上顯示，數(shù)據(jù)和信息未能實(shí)時(shí)共享。

1.3 數(shù)據(jù)監(jiān)控盲區(qū)

從整個(gè)生產(chǎn)流程和煙氣管網(wǎng)連接來(lái)看，轉(zhuǎn)爐煙道、精煉爐煙道屬于監(jiān)控盲區(qū)，煙氣壓力狀況不明，不利于全工藝流程的狀態(tài)受控，需要新增部分壓力檢測(cè)點(diǎn)。

1.4 全流程數(shù)據(jù)信息化集成

通過(guò)分析熔煉、轉(zhuǎn)爐、硫酸、環(huán)集各區(qū)域的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)，各控制系統(tǒng)均具備與外部其他系統(tǒng)進(jìn)行通訊的功能。Modbus是一種簡(jiǎn)單的“客戶(hù)機(jī)/服務(wù)器”應(yīng)用協(xié)議，定義了各類(lèi)控制器能夠識(shí)別和使用的消息結(jié)構(gòu)，沒(méi)有規(guī)定物理層，單根通訊線路上可實(shí)現(xiàn)多臺(tái)設(shè)備的雙向讀寫(xiě)。基于技術(shù)、安全、成本、效益等方面的考慮，選擇Modbus通訊協(xié)議，作為各子系統(tǒng)互聯(lián)、新增點(diǎn)位數(shù)據(jù)采集的通訊方式，對(duì)冶煉煙氣全流程數(shù)據(jù)進(jìn)行信息化集成。

2 數(shù)據(jù)采集和集中監(jiān)控的通訊應(yīng)用

冶煉廠的熔煉和硫酸工藝設(shè)備均采用了橫河CENTUM CS3000 DCS控制系統(tǒng)，并已實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)(Vnet Control Bus)連接，DCS系統(tǒng)內(nèi)部具備數(shù)據(jù)傳輸功能，可作為煙氣全流程監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集的主體部分，把系統(tǒng)外部各路數(shù)據(jù)接入，進(jìn)行數(shù)據(jù)信息處理；而60萬(wàn)方和40萬(wàn)方環(huán)集均采用UW500a DCS控制系統(tǒng)，也已經(jīng)組網(wǎng)(Snet)連接，該系統(tǒng)內(nèi)部也具備數(shù)據(jù)傳輸功能；轉(zhuǎn)爐爐選PLC系統(tǒng)已經(jīng)采集了各臺(tái)轉(zhuǎn)爐的爐體狀態(tài)信號(hào)。

CS3000系統(tǒng)中，分區(qū)域包含多對(duì)CPU，分別掛接了不同的遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)，各遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)中的Modbus通訊卡可分別進(jìn)行組態(tài)，并可作為不同的Modbus主站，分別讀取各連接從站的數(shù)據(jù)。因此，CS3000系統(tǒng)中可同時(shí)存在多個(gè)Modbus主站，數(shù)據(jù)共享的同時(shí)互不影響。系統(tǒng)中Modbus各網(wǎng)段通訊主/從站及地址規(guī)劃如表1所示。

表1 Modbus通訊規(guī)劃

3 數(shù)據(jù)采集和集中監(jiān)控的框架結(jié)構(gòu)

3.1 數(shù)據(jù)采集和集中監(jiān)控的區(qū)域構(gòu)建

根據(jù)冶煉廠生產(chǎn)工藝流程劃分和實(shí)際地理位置，結(jié)合各控制系統(tǒng)的配置情況，可大致劃分為四個(gè)區(qū)域：熔煉、轉(zhuǎn)爐、硫酸、環(huán)集。煙氣全流程監(jiān)控系統(tǒng)各關(guān)鍵數(shù)據(jù)點(diǎn)，分別就近接入以上各區(qū)域控制系統(tǒng)，并將CS3000系統(tǒng)作為各Modbus網(wǎng)段通訊主站，主從應(yīng)答方式采集各區(qū)域數(shù)據(jù)。熔煉和硫酸主控，通過(guò)CS3000系統(tǒng)自有網(wǎng)絡(luò)讀取和交換各相關(guān)數(shù)據(jù)，并在各自操作站上集中顯示和監(jiān)控；廠調(diào)度監(jiān)控服務(wù)器，采用OPC方式讀取CS3000系統(tǒng)各相關(guān)數(shù)據(jù)，以BS架構(gòu)形式進(jìn)行集中顯示和監(jiān)控。熔煉主控、硫酸主控、廠調(diào)度三處實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)同步。

3.2 熔煉CS3000系統(tǒng)與環(huán)集UW500a系統(tǒng)通訊

因?yàn)镃S3000和UW500a兩套DCS系統(tǒng)默認(rèn)無(wú)法作為Modbus通訊從站，如開(kāi)放通訊端口則需向廠家訂購(gòu)相應(yīng)授權(quán)軟件，成本較高。鑒于這兩套系統(tǒng)之間的通訊數(shù)據(jù)量不大，且對(duì)速度沒(méi)有過(guò)高要求(通信時(shí)間間隔大于等于1 000 ms)，目前采用方案是在兩套DCS系統(tǒng)之間，跨接泗博SS431串口協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊，將Modbus網(wǎng)絡(luò)連接劃分為兩個(gè)網(wǎng)段，轉(zhuǎn)換模塊的兩個(gè)串口連接端口，分別組態(tài)設(shè)置為不同Modbus網(wǎng)段中的通訊從站，利用其內(nèi)存映射功能(最大輸入/輸出<2 KBytes)，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)不同Modbus網(wǎng)段的連接和通訊。

3.3 監(jiān)控盲區(qū)新增壓力檢測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集

圖1 數(shù)據(jù)采集和集中監(jiān)控框架示意圖

對(duì)于轉(zhuǎn)爐煙道、精煉爐煙道等監(jiān)控盲區(qū)，根據(jù)需要新增安裝了十四臺(tái)壓力變送器，采用硬接線方式，分別接入室內(nèi)安裝的研華ADAM4117數(shù)據(jù)采集卡，數(shù)據(jù)采集卡可以將壓力變送器電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，并通過(guò)支持Modbus協(xié)議的RS- 485總線發(fā)送出去。將數(shù)據(jù)采集卡各通道參數(shù)組態(tài)好，設(shè)置對(duì)應(yīng)Modbus從站地址，就近接入DCS控制系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)采集和集中監(jiān)控的框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖1所示。

3.4 線路連接的可靠性

為保證數(shù)據(jù)采集和通訊的可靠性，整個(gè)系統(tǒng)中只有新增的壓力變送器，采用硬接線方式連接到數(shù)據(jù)采集卡，單點(diǎn)線路最長(zhǎng)不超過(guò)100 m；各Modbus主站從與站之間，物理距離均較遠(yuǎn)，全部加裝光電轉(zhuǎn)換器，采用光纖通信，避免通訊干擾，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)各部分硬件的光電隔離保護(hù)。在接入前，全部利用測(cè)試軟件(Modbus master/slave)進(jìn)行了檢查；兩套DCS系統(tǒng)利用其自有通訊網(wǎng)絡(luò)，對(duì)數(shù)據(jù)處理做相應(yīng)的編程組態(tài)。

4 通訊數(shù)據(jù)處理和集中監(jiān)控功能實(shí)現(xiàn)

4.1 通訊數(shù)據(jù)處理

系統(tǒng)內(nèi)所有Modbus從站定義好地址；CS3000系統(tǒng)作為Modbus主站，對(duì)各遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)上安裝的Modbus通訊卡進(jìn)行組態(tài)，包括通訊波特率、校驗(yàn)方式、端口號(hào)、功能碼等等；對(duì)采集的各類(lèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，包括數(shù)值轉(zhuǎn)換、量程設(shè)置、變量連接等等。CS3000系統(tǒng)編程組態(tài)界面如圖2所示。

圖2 CS3000系統(tǒng)編程組態(tài)界面

4.2 熔煉和硫酸集中監(jiān)控畫(huà)面

參考冶煉廠生產(chǎn)流程，在CS3000系統(tǒng)中制作煙氣全流程監(jiān)控圖，連接各變量，下裝到熔煉和主控的操作站。DCS監(jiān)控界面如圖3所示。

圖3 煙氣管網(wǎng)壓力監(jiān)控DCS監(jiān)控界面

4.3 廠調(diào)度集中監(jiān)控功能的實(shí)現(xiàn)

熔煉CS3000系統(tǒng)中的0364#工程師站設(shè)置好相關(guān)參數(shù)并啟動(dòng)OPC服務(wù)；廠調(diào)度監(jiān)控臺(tái)電腦安裝Kepware Server軟件，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接到OPC服務(wù)器讀取數(shù)據(jù)，并以網(wǎng)頁(yè)形式進(jìn)行顯示，廠調(diào)度集中監(jiān)控畫(huà)面如圖4所示。

圖4 廠調(diào)度集中監(jiān)控畫(huà)面

5 系統(tǒng)完善與優(yōu)化

集中監(jiān)控系統(tǒng)調(diào)試和初步運(yùn)行時(shí)，利用橫河DCS系統(tǒng)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能，有針對(duì)性地完善與優(yōu)化，以期達(dá)到最佳效果。

(1)合理規(guī)劃和調(diào)整橫河CS3000系統(tǒng)中，各區(qū)域CPU的接入數(shù)據(jù)量，保證新增的Modbus通訊不會(huì)造成過(guò)高的系統(tǒng)負(fù)荷。系統(tǒng)運(yùn)行后，CS3000系統(tǒng)中三處CPU負(fù)荷均在安全范圍內(nèi)。

(2)煙氣全流程監(jiān)控重要參數(shù)增加趨勢(shì)記錄，便于核查工藝生產(chǎn)過(guò)程，對(duì)比不同工況變化時(shí)各監(jiān)控參數(shù)的變化，為高效生產(chǎn)提供數(shù)據(jù)支撐。

(3)在熔煉和硫酸主控操作站的監(jiān)控畫(huà)面上，提供報(bào)警信息顯示功能，便于工藝異常時(shí)能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理。并在系統(tǒng)總貌界面制作了相應(yīng)的進(jìn)入和返回按鈕，便于畫(huà)面操作。

6 結(jié)論

Modbus協(xié)議適用于中小規(guī)模的數(shù)據(jù)通訊，能可靠連接各類(lèi)DCS系統(tǒng)和智能儀表設(shè)備，測(cè)試軟件實(shí)用并且免費(fèi)，系統(tǒng)組態(tài)調(diào)試和后期維護(hù)相對(duì)簡(jiǎn)單。本課題在對(duì)傳統(tǒng)冶煉廠煙氣監(jiān)控工藝廣泛調(diào)研的基礎(chǔ)上，提出了利用Modbus協(xié)議對(duì)傳統(tǒng)工藝流程進(jìn)行改造，將所有跟煙氣處理相關(guān)的DCS節(jié)點(diǎn)和智能儀器儀表聯(lián)通起來(lái)，提高系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信能力，利用獲取的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)煙氣全流程監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)相關(guān)節(jié)點(diǎn)閉環(huán)控制。本項(xiàng)目中，Modbus連接了多種不同型號(hào)的DCS系統(tǒng)、PLC、智能儀表設(shè)備，系統(tǒng)構(gòu)成簡(jiǎn)單、附屬設(shè)備較少、數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定、項(xiàng)目投資較低。Modbus協(xié)議在煙氣全流程監(jiān)控中應(yīng)用，不僅為冶煉廠自動(dòng)化和信息化建設(shè)，提供了實(shí)踐數(shù)據(jù)和參考信息。還可以進(jìn)一步探索自動(dòng)控制水平的提升，如利用數(shù)據(jù)信息集成和DCS實(shí)現(xiàn)閉環(huán)自動(dòng)控制，利用奧爐出口煙氣壓力值直接控制高溫風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、直接調(diào)節(jié)硫酸系統(tǒng)煙氣濃度等，進(jìn)而提高流程控制質(zhì)量和效益。