摘 要 本文介紹了PROFIBUS現(xiàn)場總線技術(shù)在高爐系統(tǒng)的應(yīng)用。介紹了傳統(tǒng)的現(xiàn)場控制系統(tǒng)的原理和不足,，分析了基于現(xiàn)場總線控制的自動化系統(tǒng)的功能和特點,，通過系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡(luò)拓撲圖,說明了PROFIBUS網(wǎng)的通訊機理，給出了通訊軟件實現(xiàn)的方法,，介紹了總線在武鋼高爐的應(yīng)用狀況。
一 前言
工業(yè)現(xiàn)場總線技術(shù)是近年來自動化行業(yè)最為關(guān)注的技術(shù)之一,，給自動化控制技術(shù)帶來了很大的進步,。傳統(tǒng)的現(xiàn)場級控制系統(tǒng)系統(tǒng)不開放、可集成性差,、而且可靠性不易保證?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（Fieldbus Control System，F(xiàn)CS）使用一條通信電纜將現(xiàn)場設(shè)備（智能化,、帶有通信接口）連接,，用數(shù)字化通信代替4-20mA/24VDC信號，完成現(xiàn)場設(shè)備控制,、監(jiān)測,、遠程參數(shù)化等功能,。它具有很多優(yōu)點，在工業(yè)自動化領(lǐng)域有明顯的優(yōu)勢,，如集成性高,、組態(tài)簡單、設(shè)計安裝方便,、易于維護和擴展,、可以節(jié)約軟硬件投資等，使先進的現(xiàn)場設(shè)備管理功能得以實現(xiàn)?，F(xiàn)場總線已廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域,，如電力監(jiān)控、能源管理等,。
武鋼煉鐵廠從2003年六號高爐新建工程開始嘗試使用現(xiàn)場總線,，這也是全國首例在高爐系統(tǒng)中采用總線。在六號高爐剛投產(chǎn)之初,，一場意外導(dǎo)致主控樓失火,，將爐頂布料和熱風(fēng)爐系統(tǒng)幾乎所有電氣線路燒壞，按照傳統(tǒng)的現(xiàn)場級控制方式起碼要半個月的恢復(fù)時間,，但因為使用了現(xiàn)場總線,，電纜數(shù)量很少，我們僅用了三天時間就恢復(fù)了生產(chǎn),，使高爐提前十幾天恢復(fù)生產(chǎn),，突出顯示了高爐現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)在維護和搶修方面相對于傳統(tǒng)的現(xiàn)場控制方式的強大優(yōu)勢。現(xiàn)場總線技術(shù)在武鋼煉鐵廠的應(yīng)用,，使得高爐的電氣設(shè)備在控制和穩(wěn)定性上得到了很大提高,，目前已經(jīng)在其它各高爐得到推廣，在煉鐵廠取得了良好的效果,。
二 傳統(tǒng)的高爐自動化控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀及不足
高爐系統(tǒng)主要由爐頂上料系統(tǒng),、槽上和槽下供料系統(tǒng)、卷揚系統(tǒng),、噴煤系統(tǒng),、熱風(fēng)爐系統(tǒng)、爐前出鐵場系統(tǒng)和INBA渣處理系統(tǒng)等構(gòu)成,，生產(chǎn)工藝復(fù)雜,，分散點多，環(huán)境條件特殊,，對電氣設(shè)備的要求非常高,，這就造成了電氣自動化系統(tǒng)非常龐雜，故障率高,，維護量大,。
目前我國高爐所采用的控制基本上是傳統(tǒng)的現(xiàn)場控制方式,。傳統(tǒng)的現(xiàn)場級與車間級自動化監(jiān)控及信息集成系統(tǒng)（包括：基于PC、PLC,、DCS產(chǎn)品的分布式控制系統(tǒng)）,，其主要特點之一是，現(xiàn)場層設(shè)備與控制器之間的連接是一對一（一個I/O點對設(shè)備的一個測控點）所謂I/O接線方式,，信號傳遞4-20mA（傳送模擬量信息）或24VDC（傳送開關(guān)量信息）信號,。如圖1所示：

從圖我們可以看出，這種傳統(tǒng)的現(xiàn)場級自動化監(jiān)控系統(tǒng)有幾個缺點：
（1）信息集成能力不強,；
（2）系統(tǒng)不開放,、可集成性差、專業(yè)性不強,；
（3）可靠性不易保證,，它的主要缺點在于主機入口處的瓶頸現(xiàn)象。
由于現(xiàn)場及設(shè)備多,，且比較分散,，信號進入PLC后，必須經(jīng)過A/D,、D/A的轉(zhuǎn)換過程,，且精確度有所降低，迫使PLC 的掃描周期加長,，使整個主機性能下降,，威脅到高爐各種信號的實時性。影響到高爐控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性,。
三 基于現(xiàn)場總線的高爐自動化控制系統(tǒng)的原理及特點
Profibus 是唯一的全集成H1（過程）和H2（工廠自動化）的現(xiàn)場總線解決方案,，是一種不依賴于制造商的開放式現(xiàn)場總線標準。采用Profibus標準系統(tǒng),，不同的制造商所生產(chǎn)的設(shè)備部須對其接口進行特別調(diào)整就可通信,，Profibus可用于高速并對時間苛求的數(shù)據(jù)傳輸，也可用于大范圍的復(fù)雜通信場合,。
Profibus根據(jù)應(yīng)用特點分為Profibus-DP , Profibus-FMS , Profibus-PA三個兼容版本,。其中，Profibus-DP（H2）是一種經(jīng)過優(yōu)化的高速通信連接,，專為自動控制系統(tǒng)和設(shè)備級分散I/O之間的通信設(shè)計的,，可用于分布式控制系統(tǒng)的高速數(shù)據(jù)傳輸,，其傳輸速率可達12Mbit/s,，一般構(gòu)成單主站系統(tǒng)。
Profibus的特點為可使分散式數(shù)字化控制器從現(xiàn)場層到車間級網(wǎng)絡(luò)化,，該系統(tǒng)分為主站和從站,。主站決定總線的數(shù)據(jù)通信,，當(dāng)主站得到總線控制權(quán)（令牌）時，沒有外界請求也可以主動發(fā)送信息,。從站為外圍設(shè)備,，典型的從站包括輸入輸出設(shè)備，控制器,，驅(qū)動器和測量變送器,。他們沒有總線控制權(quán)，僅對接收到的信息給予確認或當(dāng)主站發(fā)出請求時向從站發(fā)送信息,。
現(xiàn)場總線是以單個分散的,、數(shù)字化、智能化的測量和控制設(shè)備作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點,，用總線相連接,，實現(xiàn)相互交換信息，共同完成自動控制功能的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與控制系統(tǒng),。它適合于替代價格昂貴的 24V DC和 4～20mA測量信號平行傳輸線路,。在節(jié)省線路與設(shè)備的同時，也為武鋼煉鐵廠的以太網(wǎng)系統(tǒng)提供了現(xiàn)場級的控制功能,。其原理如下圖2所示：

從圖中我們可以看到現(xiàn)場總線主要有以下優(yōu)點：
（1）減少設(shè)備（如隔離器,、端子點數(shù)），節(jié)省工程費用,。
（2）由于免去了D/A及A/D轉(zhuǎn)換的過程,，使信號精確度r提高。
（3）可以避免上千個檢測點和控制點的檢測信號匯集到DCS 的入口處所造成的信號堵塞,，而是把控制功能下放到現(xiàn)場,，增加了系統(tǒng)的可靠性。
（4）組態(tài)簡單,，安裝,、運行、維護簡便,；
（5）采用IP67的防護等級,，使之完全適合高爐現(xiàn)場的惡劣環(huán)境。
四 武鋼煉鐵廠總線監(jiān)控及組態(tài)方式
4.1與PLC的總線接口
武鋼煉鐵廠采用施耐德PLC（Quantum系列）,，它采用PTQ模塊對總線進行組態(tài),，PTQ模塊支持工業(yè)總線Profibus-DP協(xié)議，具有很強的擴展性,，機架上掛接一塊PTQ模塊,，利用Profibus-DP 協(xié)議從工業(yè)總線上采集數(shù)據(jù)、控制現(xiàn)場設(shè)備的運行,。通過Turck公司提供的GSD文件,，采用ProSoft Configuration Builder總線配置軟件,，完成對總線的配置，然后利用施耐德PLC編程軟件Concept導(dǎo)入配置后的文件,，然后通過程序完成對總線設(shè)備的監(jiān)控和操作,。組態(tài)圖如圖3：

4.2計算機監(jiān)控
在總線監(jiān)控畫面中，我們采用Wonderware公司的Intouch軟件進行監(jiān)控,，可以監(jiān)控每個總線模塊的通訊狀態(tài),，當(dāng)出現(xiàn)總線報警時，我們很快就可以通過總線確認出現(xiàn)故障的設(shè)備,，有效地提高了故障搶修的時間,。
五 應(yīng)用效果及未來展望
采用現(xiàn)場總線避免了大量的點到點的電纜敷設(shè)，降低了線路敷設(shè)設(shè)計的難度和施工的復(fù)雜性,，節(jié)省了投資,、安裝、調(diào)試及維護的費用,，維護方便,，減少了高爐休風(fēng)次數(shù)，為煉鐵廠的生產(chǎn)帶來了直接的經(jīng)濟效益,，收到了良好效果,。
面對工業(yè)技術(shù)革命的挑戰(zhàn)，我們應(yīng)該把握機遇?，F(xiàn)場總線技術(shù)在自動化控制系統(tǒng)中的應(yīng)用,，必將擁有越來越廣泛的領(lǐng)域和空間，對我們的發(fā)展起到良好的促進作用,。

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