一種基于現(xiàn)場總線與以太網(wǎng)技術(shù)的自動化控制系統(tǒng)設(shè)計
關(guān)鍵詞: 現(xiàn)場總線;以太網(wǎng);儀表;電氣
引言
隨著控制、計算機通信、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展,自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)正發(fā)生巨大變化。底層控制網(wǎng)絡(luò)不再是孤立的控制系統(tǒng),通過現(xiàn)場總線和以太網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)集成,將基礎(chǔ)自動化控制網(wǎng)絡(luò)(L1)、過程和管理控制系統(tǒng)(L2)與企業(yè)資源規(guī)劃層ERP (Enterprise Resource Planning)連接在一起,是目前自動控制領(lǐng)域的發(fā)展方向。本文將介紹某鋼廠的板坯庫/加熱爐自動化控制系統(tǒng)設(shè)計方案,通過采用現(xiàn)場總線與以太網(wǎng)技術(shù),有效地解決了L1內(nèi)部以及它與L2之間的三電(電氣、儀表、計算機)無縫集成問題。
鋼廠板坯庫/加熱爐區(qū)自動化控制系統(tǒng)
鋼廠板坯庫/加熱爐區(qū)自動化控制系統(tǒng)由基礎(chǔ)自動化控制系統(tǒng)、過程與管理控制系統(tǒng)組成。通過將兩種現(xiàn)場總線技術(shù)ProfiBus和ControlNet相結(jié)合,從而實現(xiàn)L1級網(wǎng)絡(luò)中儀表、電氣控制系統(tǒng)的通信;同時通過采用以太網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)基礎(chǔ)自動化系統(tǒng)和過程與管理控制系統(tǒng)之間的通信。
基礎(chǔ)自動化控制系統(tǒng)
基礎(chǔ)自動化控制系統(tǒng)包括加熱爐電氣PLC控制系統(tǒng)和加熱爐儀表DCS控制系統(tǒng)。采用美國RockWell Automation 公司開發(fā)的Processlogix混合型控制器用于加熱爐儀表控制系統(tǒng)(每座加熱爐采用一套);采用該公司開發(fā)的Controllogix控制器用于加熱爐電氣傳動的控制(每座加熱爐采用一套)。儀表、電氣控制系統(tǒng)通過雙重化的ControlNet與操作站的服務(wù)器連接,從而構(gòu)成儀電一體化控制系統(tǒng)。
在系統(tǒng)配置上采用了兩臺互為冗余的ProcessLogix服務(wù)器:SERVER A和SERVER B。
儀表DCS控制系統(tǒng)的配置
儀表DCS硬件系統(tǒng)采用ProcessLogix系列。根據(jù)工藝要求及現(xiàn)場設(shè)備布置特點,每個加熱爐各設(shè)1個DCS控制站,通過ControlNet接本地I/O控制機架,分別用于加熱爐6段燃燒控制、爐壓控制、兩套助燃風(fēng)機、一套稀釋風(fēng)機、煙道、換熱器和冷卻水的過程檢測和控制。
電氣PLC控制系統(tǒng)配置
電氣PLC硬件系統(tǒng)采用ControlLogix系列。根據(jù)工藝要求及現(xiàn)場設(shè)備布置特點,設(shè)5個PLC控制站,分別完成板坯庫、1號加熱爐、2號加熱爐、1號加熱爐液壓站、2號加熱爐液壓站的電氣控制功能。
圖1 2號加熱爐電氣PLC控制系統(tǒng)配置
圖1為其中2號加熱爐PLC的配置情況。PLC控制器分別控制該加熱爐的裝鋼機、步進(jìn)梁、出鋼機、液壓站和其它公輔設(shè)施,并通過ControlNet總線連接遠(yuǎn)程I/O站,實現(xiàn)對現(xiàn)場信號的采集及信號輸出。同時通過兩條冗余的ControlNet總線與儀表DCS系統(tǒng)通信,通過ProfiBus DP與ABB公司的ASC600型變頻裝置通信,實現(xiàn)對裝鋼機/出鋼機、加熱爐前后輥道的控制。
過程與管理控制系統(tǒng)
L2級一方面要完成實時性較強的過程控制功能,如鋼坯跟蹤、裝出鋼設(shè)定等,另一方面要完成實時性要求低的軋制計劃編制和板坯庫數(shù)據(jù)管理功能,因此,根據(jù)工藝特點和控制功能分散從而降低危險性的要求,過程與管理控制系統(tǒng)由加熱爐過程控制機和板坯庫控制機組成,各計算機之間通過以太網(wǎng)通信。
加熱爐計算機通過訪問兩臺冗余服務(wù)器SERVERA,SERVERB,實現(xiàn)與基礎(chǔ)自動化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換,板坯庫計算機則不通過服務(wù)器,而是通過以太網(wǎng)直接與板坯庫PLC通信。因為板坯庫計算機負(fù)責(zé)向庫內(nèi)吊車發(fā)出操作指令,這些吊車和由L1級PLC控制的輥道之間有十分密切的信號聯(lián)鎖,如果通過中間L1級網(wǎng)絡(luò),往往因通信丟失或延遲,使聯(lián)鎖失敗,造成難以想象的后果。
通信的一些特點
本自動化系統(tǒng)由L1,L2兩級構(gòu)成,包含三種通信網(wǎng)絡(luò)。操作站采用服務(wù)器/客戶端結(jié)構(gòu),服務(wù)器和客戶端之間采用TCP/IP協(xié)議的以太網(wǎng)連接。出爐操作室(3CS)設(shè)兩套HMI(1、2號操作站),對加熱爐的儀表-電氣進(jìn)行集中監(jiān)控和操作(每臺操作站均可對儀表、電氣進(jìn)行操作);加熱爐基礎(chǔ)自動化控制系統(tǒng)的四臺HMI操作站和兩臺冗余配置的ProcessLogix服務(wù)器,以及二級計算機均建立在同一個工業(yè)以太網(wǎng)上,共同構(gòu)成三電自動化控制系統(tǒng)?;A(chǔ)自動化控制系統(tǒng)通過工業(yè)以太網(wǎng)與二級計算機進(jìn)行通訊。
以太網(wǎng)通信
目前,解決以太網(wǎng)實時性問題的一種方法是采用以太網(wǎng)和UDP/IP協(xié)議相結(jié)合的技術(shù)。本系統(tǒng)采用通用的以太網(wǎng)技術(shù)與TCP/IP協(xié)議相結(jié)合,實現(xiàn)L2級內(nèi)部以及L2與L1之間的通信。L2級內(nèi)部通過5類雙絞線實現(xiàn)連接;L2交換機與距離較遠(yuǎn)、且須穿越電纜溝道的L1設(shè)備之間,通過光纜進(jìn)行連接。
ControlNet 通信
ControlNet是一種高速確定性網(wǎng)絡(luò),用于對時間有苛刻要求的應(yīng)用場合的信息傳輸。同時,它允許傳送對時間無苛刻要求的報文數(shù)據(jù),但不會對有時間苛刻要求的數(shù)據(jù)傳送造成沖擊。它支持混合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(主/從、多主和對等設(shè)備的任意混合)。
本系統(tǒng)采用ControlNet總線主要基于以下三個理由:
(1)作為L1級控制器之間信息交換的通道,方便儀控DCS與電控PLC之間的通信。
傳統(tǒng)意義上的DCS系統(tǒng),如HONEYWELL公司的DCS要實現(xiàn)與PLC之間的通信是極為困難的。但在本系統(tǒng)中,由于ControlNet的使用,ProcessLogix控制器與ControlLogix控制器之間的通信只須簡單組態(tài)即可完成。
(2)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時傳輸。對承擔(dān)信號采集任務(wù)的遠(yuǎn)程I/O站及控制器之間需要進(jìn)行實時交換的信息,通過通信組態(tài)軟件設(shè)定為定周期讀寫方式,使這些信號傳輸不會延遲。
(3)調(diào)試與維護(hù)方便。在任何一個ControlNet通信模塊上,都可以實現(xiàn)程序的上裝和下載。這意味著,將筆記本電腦接到主站或現(xiàn)場遠(yuǎn)程I/O站的通信模塊上都可以進(jìn)行調(diào)試或維護(hù)。對于像加熱爐爐底、液壓站等通話效果較差的場合,提供此種手段,是非常必要的。
雖然ControlNet具有以上的優(yōu)點,并且傳輸率最快可達(dá)5Mbps、支持周期與非周期掃描方式。但是,ControlNet總線通常用于控制器與遠(yuǎn)程I/O之間的通信或控制器之間的通信,而不用于控制器與傳動裝置之間的通信。因此,在控制器與傳動裝置之間的通信必須考慮用另一種現(xiàn)場總線實現(xiàn)。
ProfiBus DP通信
ProfiBus DP用于設(shè)備級的高速數(shù)據(jù)傳送,中央控制器通過高速串行線同分散的現(xiàn)場設(shè)備(如I/O、驅(qū)動器、閥門等)進(jìn)行通信,通信速率為9.6kbps ~ 12Mbps,傳輸介質(zhì)采用RS-485雙絞線、電纜或光纜,支持單主或多主系統(tǒng),總線上最多站點數(shù)為126個。
本系統(tǒng)中ProfiBus DP總線完成PLC與變頻裝置的通信,并采用主從方式通信:在PLC主機架配置型號為PFB-SST-CLX的ProfiBus通信模塊(SST公司生產(chǎn)),作為ProfiBus DP主站,以輪詢方式對下屬各從站(變頻裝置)進(jìn)行定周期掃描和讀寫。該模塊同時通過ControlNet背板總線實現(xiàn)與ControlLogix的通信。這樣,ControlLogix在一個掃描周期只須對PFB-SST-CLX模塊進(jìn)行一次讀寫,就可將下達(dá)給變頻器的指令傳送到PFB-SST-CLX模塊對應(yīng)的數(shù)據(jù)區(qū),并將各變頻器返回的狀態(tài)信號從對應(yīng)的數(shù)據(jù)區(qū)取出,從而實現(xiàn)對下屬每個變頻裝置的監(jiān)控。
事實上,對本系統(tǒng)而言,PLC制造商RockWell公司推薦的傳動系統(tǒng)接入方案是采用DeviceNet總線。最終我們決定采用ProfiBus總線實現(xiàn)PLC與變頻裝置的通信,是基于以下三點因素:
(1)速度方面的考慮。雖然通信速度快慢與使用介質(zhì)的長度、類型和站點數(shù)量及數(shù)據(jù)傳送量等因素有關(guān)。但我們注意到:DeviceNet的數(shù)據(jù)傳輸率最快為1.5Mbps,ProfiBus的數(shù)據(jù)傳輸率最快可達(dá)12Mbps。
(2)調(diào)試和維護(hù)方面的考慮。SIEMENS自動化設(shè)備級通信解決方案—ProfiBus總線,已被廣泛采用。企業(yè)的管理人員和技術(shù)人員對該總線的調(diào)試以及維護(hù)有一定了解,故傾向于采用ProfiBus現(xiàn)場總線的方案。
(3)系統(tǒng)可擴展方面的考慮。在電氣傳動領(lǐng)域,不管是直流還是交流的傳動裝置,大多支持ProfiBus通信,而DeviceNet在該領(lǐng)域的支持率相對較低。為以后系統(tǒng)升級或擴容的方便起見,我們采用ProfiBus。
當(dāng)然,如果采用DeviceNet,就不必在ControlLogix機架上插入第三方生產(chǎn)的模塊。最初調(diào)試階段的難度和工作量會大為減小,特別是可以避免寫一些語句不多但極難理解的通信程序。但是,這些細(xì)小的損失和ProfiBus的其它好處相比是微不足道的。
結(jié)語
根據(jù)以上系統(tǒng)方案,通過硬件設(shè)計、軟件編程、施工、調(diào)試及試運行后,該廠首期建設(shè)的2號加熱爐已投入生產(chǎn),效果良好。二期1號加熱爐正在建設(shè)之中。■
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