PM 904F控制器在水泥廠DCS多種網絡通訊的應用

李金明，王鋒

1 前言

隨著計算機集成技術、控制技術、通訊技術及微電子技術的迅速發展，大型水泥工廠的網絡化及信息化應用日趨成熟。水泥工廠各車間電力室及現場的電氣自動化控制設備與中控室DCS 系統的數據通訊必不可少，其種類繁多且各自支持的硬件接口和網絡通訊協議不盡相同，這就要求DCS系統的PLC控制器需具有強大且可靠的網絡拓撲功能，并能支持多種硬件接口和網絡通訊協議。

Freelance 是 ABB 公司推出的一套 DCS 系統軟件，其基于上下位工程一體化數據庫設計，編程界面簡易直觀，方便用戶學習使用；結構設計簡單實用，對計算機軟硬件要求不高，可直接在普通計算機上安裝運行，方便用戶安裝、組態、調試和維護；PM 900系列控制器與I/O模塊采用更加緊湊的結構設計，可安裝在普通的DN35導軌上，不需要特殊的底板和插接件連接，可節省硬件成本，且易于I/O模塊的擴展與替換。

2 PM 904F控制器的開發及功能介紹

2.1 PM 904F控制器的開發

2019 年 5 月 ，ABB 公 司 發 布 了 最 新 的Freelance Engineering 2019 版系統軟件及功能強大的新型PM 904F 控制器。Freelance 系統軟件由Freelance Engineering 和 Freelance Operations 構成，PM 904F控制器由Freelance Engineering組態編程。新版系統軟件具有深度增強的可擴展性、可連接性及安全兼容性。2019 版Freelance Operations 擴展和支持多屏顯示，一臺操作員站最多可以連接4臺顯示屏，可以在不同的屏幕上分別顯示程序執行狀態流程、生產工藝流程圖、報警信息記錄、趨勢歸檔等信息，極大方便了生產過程監控和中控操作工作。支持4 臺顯示屏的Freelance Operations 如圖1所示（需計算機硬件接口支持），PM 904F控制器如圖2所示。

圖1 支持4臺顯示屏的Freelance Operations

圖2 PM 904F控制器

PM 904F 控制器采用 800MHz 時鐘 Power PC，基于RISC 架構設計開發，控制器總內存達48MB，其內部尋址運算和指令執行效率高、速度快。此外，PM 904F 控制器具有NVData 功能（非易失性數據存儲），可永久存儲數據變量，可保證控制器在冷啟動或長時間掉電后，數據變量不會丟失，利于長期保存水泥廠生產過程中的重要參數數據。

2.2 PM 904F控制器的功能介紹

單臺PM 904F 控制器在典型流程工業過程控制中約能帶2 000 I/O Points，此外，通過集成或左側插槽可配置以下總線模塊接口：

（1）內置SD 卡插槽，通過配置SD 卡可以實現軟件備份及硬件更新。用戶可直接備份或恢復整個工程文件，包括所有的圖形顯示、組態邏輯程序及現場設備參數數據。

（2）集成4 個可自由配置的10/100M 以太網接口（RJ45）。 1 個 用 于 Control Net，與 安 裝 有Freelance Operations 的上位計算機進行數據通訊，組成工廠分布式控制系統（DCS）；1 個用于Redundancy Link，用于 2 臺 PM 904F 控制器之間的冗余通訊；2 個用于 TCP/IP 或 Modbus TCP/IP 及IEC60870-5-104 Telecontrol通信協議，支持系統總線的冗余，用于與第三方PLC、網關等設備的通訊連接。

（3）集成 2 個 RS232 或 RS485 串行端口，支持Modbus RTU/ASCII 或 IEC60870-5-101 通信協議，作為Modbus 主站，可與帶有RS485 接口的PLC 控制器、多功能電量表、溫度巡檢儀等設備進行通訊連接。

（4）最多支持4 個插槽，用于Profibus-DP V0/V1 或CAN 總線通信接口。其典型應用之一是，配置CI 930F作為Profibus-DP 冗余主站通信模塊，連接 CI 840A 及 S800 I/O 模塊，構成 Profibus-DP 冗余總線網絡；或配置CI 773F作為Profibus-DP 非冗余主站通信模塊，連接CI 801 以及S800 I/O 模塊，組成Profibus DP非冗余總線網絡；也可連接其他第三方支持Profibus-DP 協議的從站設備（如SIMATIC ET200M/ET200S/ET200SP 系列 I/O 模塊、魏德米勒UR20系列遠程I/O及各類國產遠程I/O模塊等）；可配置擁有3 個CAN Bus 通道接口的CI 910F CAN Bus（符合ISO/DIN 11898、CAN2.0 標準）模塊，用于連接Freelance Rack Based I/O模塊。

（5）集成的DIAG 診斷接口可通過計算機對控制器進行深層次診斷與維護。

（6）工廠終端操作級網絡由現場過程控制級總線網絡、Freelance Engineering 工程師站計算機、Freelance Operations操作員站計算機組成，其中，現場過程控制級總線網絡主要包括PM 904F控制器、S800 I/O模塊、變頻驅動器VFD、現場操作屏OP、智能開關柜MNS、智能馬達控制器、過程自動化儀表等，工廠終端操作級網絡如圖3所示。

圖3 工廠終端操作級網絡示意圖

3 PM 904F控制器在水泥廠網絡總線系統的應用

由天津水泥工業設計研究院有限公司總承包的南方水泥某項目為國內水泥節能減排示范線項目，對工廠自動化控制系統網絡化、信息化、智能化水平要求較高，對除極少數沒有總線通訊接口的電氣設備采用硬接線、點對點通訊外，其他電氣設備均采用網絡總線通訊。經多次技術澄清和方案論證后，確定了基于PM 904F控制器的全廠網絡總線系統設計及實施方案。基于PM 904F 控制器的網絡總線系統設計方案如下：

（1）PM 904F 控制器左側配置 4 塊 CI 773F Profibus 主站模塊，1路CI 773F通過Profibus-DP 協議掛接S800 I/O模塊，對本車間采用硬接線點對點控制的電氣設備進行控制；1 路CI 773F 通過Profibus-DP 協議掛接智能馬達控制器，對本車間所有智能馬達控制器進行數據通訊和控制；1路CI 773F 通過Profibus-DP 協議掛接變頻驅動器、軟啟動驅動器、數據協議轉換網關和Sub-PLC 設備，對本車間所有變頻驅動器、軟啟動驅動器、Sub-PLC設備進行數據通訊和控制；1 路CI 773F 通過Profibus-DP/PA 耦合器掛接支持Profibus-PA 協議的現場溫度、壓力自動化儀表。

其中，i和t分別表示樣本城市和時間；CP、HP和LP分別表示物價、房價和地價；WI、RI、PS和FR分別表示工資收入、房地產住宅投資、人口規模和財政收入；CPi,t-2、HPi,t-2和LPi,t-2分別表示物價、房價和地價的二階滯后項，滯后階數是根據AIC準則確定的模型最佳滯后階數；uit、ξit和vit分別表示對應方程的隨機擾動項；α0、α1、α2、α3，β0、β1、β2、β3、β4，γ0、γ1、γ2和γ3為各方程的待估系數。

（2）PM 904F 控制器集成的以太網接口作為Modbus TCP/IP Server，與第三方支持Modbus TCP/IP 協議的Sub-PLC 進行數據通訊，如，與自動化取樣控制器、智能化驗室的施耐德Quantum CPU 及M340 CPU、M580 CPU等自動化系統設備進行數據通訊，與石灰石、輔料堆取料機的西門子1200PLC與1500PLC 進行數據通訊（目前，西門子TIA 博圖系列1200PLC/1500PLC 集成的RJ-45 網口均支持Modbus TCP/IP 協議及 Profinet 協議，PM 904F 控制器既可作為MBTCP Server，也可作為MBTCP Client，與1200PLC/1500PLC進行數據交互）。

（3）PM 904F 控制器集成的 2 個 RS485 串行端口作為Modbus RTU 主站，與各車間電力室中低壓配電系統中的多功能電量表、膠帶輸送機檢測儀、空壓機控制器、現場設備溫度巡檢儀等支持Modbus RTU協議的設備進行數據通訊。

（4）通過Freelance OPC 接口與生料在線分析儀配料系統、生料水泥在線粒度檢測儀系統、余熱發電控制系統、生產管理信息系統、智能優化APC服務器等進行設備數據交互。

（5）該項目DCS 系統網絡拓撲圖如圖4 所示。對于工藝復雜、總線設備多、數據通訊量大的水泥廠原料調配及輔料預均化堆場、原料粉磨、燒成窯尾、燒成窯頭，其現場控制站分別采用新型PM 904F控制器；對于總線設備少、數據通訊量小的石灰石破碎、石灰石預均化堆場、煤粉制備及公用電力室現場控制站，仍采用較為經濟的PM 902F控制器。Freelance Engineering 部分控制站硬件組態如圖5所示。

圖4 南方水泥某項目DCS系統網絡拓撲圖

圖5 Freelance Engineering 部分控制站硬件組態

4 PM 904F控制器的運行效果

自項目投產以來，PM 904F控制器以其充裕的程序運行內存、強大的帶I/O Points 能力和優異的網絡總線通訊處理功能，程序邏輯執行與網絡總線通訊數據交換運行穩定可靠，DCS系統運行狀況良好。PM 904F控制器支持多種網絡通訊控制方式，與傳統的I/O硬接線、點對點控制方式相比，有以下優點：

（1）降低了投資。總線網絡通訊替代了大量控制電纜，減少了電纜采購與電纜敷設施工費用，安裝接線簡單，后期維護方便，節省了大量的人力物力，降低了項目投資和后期維護費用。

（2）系統可靠性高。網絡總線替代了絕大部分控制信號電纜和硬接線，大量減少了DCS I/O 柜內的中間繼電器、信號隔離器和I/O模塊，降低了電氣控制回路各元器件之間電纜接線松動、虛接、老化等造成的系統故障點，提高了系統可靠性。

（3）數據通訊量大。通過總線網絡通訊與各自動化設備進行數據交換，數據信息交換量不再受制于控制電纜數量和硬件模塊成本；同時，PM 904F控制器具有充裕的運行內存和強大的網絡通訊處理能力，可以將過程設備中的大量模擬量數據和相關故障報警信息傳送至工廠DCS，實現工廠DCS系統對生產線所有電氣自動化設備的全方位、全信息實時監控。

（4）操作監控方便簡潔。2019 版Freelance Operations 支持最多4 個屏幕顯示，生產操作中操作員可通過4個操作屏幕同時監控生產流程畫面、設備報警記錄和運行數據趨勢記錄，節省了操作時間，提高了操作效率，減少了在不同流程畫面之間切換屏幕可能造成的誤操作，有利于生產的安全和穩定運行。