基于現場總線技術的工廠Web

1 現場總線技術的發展

控制技術、計算機技術、通訊技術與網絡技術的發展，使得自動化系統的結構發生了變革， 現場總線技術正是這種變革的產物。由于市場的驅動，世界各大控制系統廠家都相繼開發了 各自的現場總線產品。為了規范其標準，IEC近期已通過了IEC61158現場總線標準，它 包括：IEC61158TS、ControlNet、Profibus、P-Net、FF-HSE、SwiftNet、WorldFIP、Inter bus、FF-H1等。

幾種標準類型的現場總線，實際上也構成了幾種現場總線控制系統體系結構，也都有多家控 制系統公司產品支持。由于各廠家對現場總線產品開發時還會要保護自己過去的投資利益， 因此各廠家現場總線產品也就各有其應用領域專長，這也使得我們在應用現場總線設備或系 統時，要充分考慮對象的實際特點，來合理選擇系統，以zui大限度地發揮其優勢作用。

2 實際對象分析

 

本文討論的對象是一個冶煉與煙氣制酸過程，它包括鋅沸騰焙燒、鉛燒結，以及兩個冶煉過 程的煙氣混合后經Monsanto動力波洗滌再送Toposo WSA工藝制酸。其工藝流程較長，設備布 置的地域分布較廣，雖然鋅的焙燒過程、鉛的燒結過程以及煙氣的洗滌與制酸過程都有一定 的 內部控制要求，但由于是將兩個冶煉過程的煙氣混合后制酸，流程中哪一個工序的變化都會 對其他工序有密切影響，因此這是一個緊密聯鎖關系的長流程，流程中許多工序如動力波 洗滌和WSA制酸等，其內部設備的聯鎖保護與工藝參數密切相關，這要求電氣設備控制 與工藝儀表監控必須統一考慮，基于上述的情形，可歸納為以下需求：

①由于各工藝內部聯鎖控制與儀表參數控制的關系密切，因而要求工藝控制過程中電儀一體 化；

②由于該流程是在老廠房內進行配置，許多設備或控制室的布置只能利用原廠區的空地或原 建筑物結構，使得主控室、操作室、配電室與工藝設備距離較遠，且不規范，為布線工程的 考慮要求儀表控制和電氣控制現場總線化；

③由于整個工藝流程較長，且各工序間具有緊密聯鎖要求，因此要求整個控制和管理網絡化 。

對于上述需求下的控制系統配置，顯然用前節中所提及的任何一種現場總線結構都難以* 滿足要求，這就需要根據具體情況來作具體配置，我們對各現場總線標準系統結構和對 象需求進行分析和比較如下：

①過程級現場總線類儀表，基于FF（H1）總線的產品相對較多，可選擇的余地較大，我們選擇FF現場 總線儀表；就電氣設備而言，基于Profibus D/P總線、DeviceNet總線、以及Interbus總線 的產品相對較多，但智能型電氣設備多集中于Profibus D/P總線和DeviceNet總線，考慮到P rofibus D/P總線上不僅可掛分散I/O、智能電氣設備，而且能掛從站型的PLC，這樣給系統 的配置帶來了更大的靈活性，我們選擇Profibus D/P總線作為電氣控制總線。

控制功能的分配，將具有較復雜運算功能要求的模擬量監控或與工藝控制有關的狀態信號， 由FF（H1）總線上的控制回路實現。對具有強聯鎖關系的電氣設備控制，出于速度和可靠 性考慮，選擇PLC作控制器進行控制，對于一些用于設備聯鎖或保護的模擬量信號也由PLC進 行控制。

盡可能地將回路控制功能分配到總線設備上，我們對總線輸出設備（即閥門定位器）分配PI D功能，這就使得控制真正分散，對于少量分散的不具有總輸入功能的設備，則選擇第三方 廠家的具有FF（H1）總線接口的分散I/O來進行數據采集。

在Profbus D/P總線上，基于電氣設備盡量接近動力電源的考慮，將PLC的分散I/O置于現場 配電間或主體設備處，

而將PLC主站置于主控室以便于通訊調試等。對自成體系的小系統或 設備，則使用PLC從站而置于主體設備處附近。

 

②監控級

在這一級上可選的網絡產品有：通用工業控制以太網、高速以太網HSE（尚無可選產品）、C ontrolNet網、以及Profibus-FMS網等。由于本對象地域分布較廣，因而我們選擇工業控制 以太網，對于Profibus D/P總線上的PLC主站控制器和FF（H1）總線上通訊控制器之間的通 訊，考慮因高速以太網尚無定型產品，出于對通用以太網處理高速通訊時在可靠性方面的考 慮，我們用Modbus（RTU）來實現兩者間的通訊，同時采用客戶機/服務器（Client/Server ）模式進行網絡服務和管理，在考慮與信息層進行數據交換時，在服務器內配置了帶OPC的 控制管理軟件。

實際上，實現該對象的控制，是將幾種現場總線標準結構進行合成，各取其長處，各發 揮其優勢，如圖1所示。

3 系統集成

從本對象的工藝流程及工藝設備與操作控制室的布置情況來看，系統構成時需按幾段工序集 中站點考慮，即按Web站思路布局，系統總監控點在1700余點，系統FF設備近190臺。控制系 統構筑如圖2所示。這里我嘗試且實現了多廠家控制設備與現場總線設備的集成。H1總線上 的總線設備主要采用了Emerson Procese Management 的3051壓力或差壓變送器，3244與848 T溫度變送器，DVC5010F與DVC5030F閥門定位器，Smar的FY302閥門定位器，YOKOGAWA的EJA1 10A差壓變送器，E+H的Pormag 53p電磁流量計等。電氣控制采用Si emens的S7-300主站PLC， 配置Profibus DP總線。在Profibus DP總線上集成有Siemens的S7-300從站PLC、S7-200從站 PLC、HMI、智能分散I/O、6SE71智能變頻器、以及ABB的ACS600智能變頻器等。上位監控與 管理采用Emerson Procese Management的DeltaV來實現，Delta V總線控制器與S7-300PLC通 過Modbus（RTU）通訊，各控制站間的通訊采用工業以太網及12端口雙速（10M/100M）光纖通 訊口Hub完成。多種控制產品的集成是通過操作站軟件、現場總線裝置數據庫、以及相應的 應用軟件等來實現，并用增強型專業工作站軟件進行系統網絡服務管理。這樣除各子站之間 實現相互的聯鎖控制之外還可提供操作信息的相互瀏覽，由于大量采用現場總線設備，這使 得基礎過程設備的參數可在操作站上實現透明的Web瀏覽和參數的互操作，同時還配有OPC遠 程服務軟件來實現與上層網絡的通訊，向工廠的管理網提供過程操作與數據趨勢的信息瀏覽服務。

系統的操作主要集中在4個控制室、對于監視站布置還考慮了2個分廠辦公室。

沸騰爐控制室，主要監控沸騰焙燒過程、余熱鍋爐及收塵等流程，設置2臺操作站，1臺工程 師站，設置現場網絡控制與管理站，PLC主站，對本控制站部分散的AI點從經濟角度考慮， 采用Siemens分散AI模塊，通過Profibus D/P總線送進系統處理。另外從本站通過光纜與在 分廠辦公室的工作站相連，以實現運方監視。對于沸騰爐溫度的監控采用Emerson Porcess Management 公司推出的848T總線型多點溫度變送器實現。

鋅精礦干燥控制室，主要處理DI與DO及順控邏輯，采用Siemens的S7-300PLC來實現監控，在 上位機上配置Citect 5.13工業監控軟件來實現本站監控信號的集成并通過Modus（RTU）與沸 騰爐通訊控制器控制進行通訊。

鉛燒結控制室，監控鉛燒結過程與動力波凈化過程，設置2臺操作站，1臺工作站同時兼作整個系統的網絡服務器。1臺現場網絡控制與管理站，2臺PLC主站，同樣部分分散的AI信號也 是通過Profibus D/P總線上的遠程I/O采集，在Profibus D/P總線還帶有幾臺現場人機接口 裝置（HM1），設置在現場操作間作為現場操作用。

鉛配料控制室，主要控制就近的配料秤信號和變頻給料信號，是利用原有的設備，因而采用 AI與AO模塊控制器。

WSA制酸工序控制室，設置2臺操作站，1臺工程師站，1臺現場網絡控制管理站、1臺PLC主站 、對一些分散但獨立的工序，如液化氣站、加熱鍋爐、高壓風機等，通過設置在當地的PLC 從站進行監控制，再經Profibus D/P總線將信號送入上位機進行監控。

4 采用現場總線與Web網的優點

由于本對象的測控點較為分散，特別適合現場總線技術的應用，加之是幾段緊密相關又相對 獨立的工藝，用Web技術尤顯其優勢，具體有如下幾個方面：

①大大減少了現場連接電纜和配線板的數量。

由于采用H1總線，總線輸入設備和輸出設備較模擬量設備平均每臺增加費用40%，但現場電 纜費用則減少80%，由于采用ProfibusD/P總線，使得電氣設備的控制電纜也大幅度減少。加 上電纜敷設費，后期維護費的相應減少，控制系統總擁有成本大幅降低。

②減少了系統輸入/輸出轉換器的個數

現場總線設備是基于數字信號傳輸，省出了轉換器，因而減少了中間環節，也減少了故障發 生點。

③減少了電源和機柜的數量

每個控制室只需一個機柜來放置電源、系統模件（包括PLC模件）等，且機柜內仍有一定空 間，線路簡捷整齊，維護十分方便。

④減少設備室的面積

由于系統機柜少，設備簡單，因而設備室的面積也大為減小，降低了工程造價，也 方便了操作間的布置。