基金會現(xiàn)場總線FF技術(shù)在球團豎爐上的應(yīng)用

冶金行業(yè)中運用精料技術(shù)是高爐冶煉技術(shù)進步的具體體現(xiàn)，使用球團礦來代替鐵礦和部分燒結(jié)礦是高爐精料技術(shù)的發(fā)展，采用高鹼度燒結(jié)礦加酸性球團礦的配料來進行高爐冶煉，從而達到增產(chǎn)節(jié)支的目的。
　　豎爐球團的生產(chǎn)是一個較復(fù)雜的包括專門設(shè)備的電氣聯(lián)鎖和過程控制的工業(yè)燒結(jié)過程，集配料、烘干、造球、燒結(jié)、成品運輸和除塵與一體。老式豎爐以手工操作為主，各種報表都是由操作工手工制作，工人的勞動強度較大，數(shù)據(jù)信息的可靠性差，難以作為指導(dǎo)生產(chǎn)的依據(jù)；工段間生產(chǎn)信息交流具有大滯后性；由于人工看表操作，在豎爐崗位不時出現(xiàn)過燒和欠燒的情況，布料排料崗位也不時因給料設(shè)備原因會有布料不均，卸料不勻的情況，使得產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，爐體壽命受到嚴重影響，同時，設(shè)備利用率低，生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)管理不完善，也造成了生產(chǎn)原料的浪費，增加了生產(chǎn)成本。近年來，DCS或PLC控制系統(tǒng)的的應(yīng)用取代了手動操作，逐步實現(xiàn)了豎爐造球系統(tǒng)的分散控制和集中監(jiān)控，但現(xiàn)場底層傳感器和數(shù)據(jù)采集器之間多采用一對一物理連線和模擬信號傳輸導(dǎo)致大量布線，信號傳輸?shù)目垢蓴_能力也較差。隨著自動控制技術(shù)，計算機技術(shù)和微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，現(xiàn)場總線技術(shù)的不斷創(chuàng)新，過程控制系統(tǒng)由第四代的DCS發(fā)展至今的FCS系統(tǒng)（現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)），被稱為第五代過程控制系統(tǒng)。現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的應(yīng)用避免了智能現(xiàn)場儀表與智能控制室儀表之間的非智能連接，　從而使現(xiàn)場智能儀表的各種智能功能得到淋漓盡致地發(fā)揮，同時，節(jié)省大量線纜，降低了施工和維護的成本。我們根據(jù)豎爐造球生產(chǎn)的基本工藝（見圖1）設(shè)計了現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用沈陽中科博微公司NCS-3000系列產(chǎn)品，以FF現(xiàn)場總線技術(shù)為核心，結(jié)合工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)和OPC技術(shù)，以工控機和PC機為系統(tǒng)組態(tài)、編程、監(jiān)控、維護和管理的一體化平臺，形成以網(wǎng)絡(luò)集成自動化系統(tǒng)為基礎(chǔ)的企業(yè)信息系統(tǒng)。由于采用現(xiàn)場總線技術(shù)，避免了現(xiàn)場智能儀表與控制室智能控制器/儀表之間的非智能連接，使現(xiàn)場智能儀表的各種智能功能得到淋漓盡致地發(fā)揮，體現(xiàn)出現(xiàn)場總線在過程控制中的優(yōu)勢；保留了對常規(guī)儀表信號的處理功能，提供相應(yīng)的常規(guī)IO卡件進行處理，可以隨時方便地過渡到現(xiàn)場總線，保護用戶原有投資；NCS-3000的分布控制單元可執(zhí)行IEC1161-3梯形圖編程語言，完成各種邏輯控制，能夠構(gòu)成完整的控制系統(tǒng)；同時，作為國內(nèi)首家通過現(xiàn)場總線基金會一致性和互操作性測試的產(chǎn)品，NCS-3000系統(tǒng)與其它廠商的設(shè)備實現(xiàn)了良好的互連和互操作，可對市場上取得FF認證的產(chǎn)品兼容。NCS-3000系統(tǒng)較好解決了傳統(tǒng)DCS及PLC系統(tǒng)中存在的問題，實現(xiàn)了工廠底層設(shè)備狀態(tài)、車間級監(jiān)控和工廠級信息管理的信息集成。

二．現(xiàn)場總線技術(shù)及NCS-3000系統(tǒng)

　　現(xiàn)場總線技術(shù)是近十年來興起的新技術(shù)，是二十一世紀工廠自動化必不可少的關(guān)鍵技術(shù)，它是用于現(xiàn)場儀表與控制室儀表之間實現(xiàn)全分散、全數(shù)字化、智能式、雙向、多變量、多站信息交換的一種通信系統(tǒng)，是信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與工業(yè)控制技術(shù)結(jié)合的集中體現(xiàn)。目前國際上流行的現(xiàn)場總線主要有過程現(xiàn)場總線PROFIBUS、基金會現(xiàn)場總線FF，LonWorks總線，CAN總線等，世界上許多自動化技術(shù)生產(chǎn)商都推出了支持某種主流現(xiàn)場總線標準的產(chǎn)品。FF現(xiàn)場總線基金會是可互操作系統(tǒng)協(xié)議ISP——基于德國的ProfiBus標準，　和工廠儀表世界協(xié)議WORLD（WorldFactoryInstrumentationProtocol）——基于法國的FIP標準于1994年6月合并成立的，包含100多個成員單位，負責制訂一個綜合IEC/ISA標準的國際現(xiàn)場總線?；饡F(xiàn)場總線是國際上幾家現(xiàn)場總線經(jīng)過激烈競爭后形成的一種現(xiàn)場總線，與私有的網(wǎng)絡(luò)總線協(xié)議不同，F(xiàn)F總線不附屬于任何一個企業(yè)或國家，得到了世界上幾乎所有的著名儀表制造商的支持，同時遵守IEC的協(xié)議規(guī)劃，與IEC的現(xiàn)場總線國際標準和草案基本一致，加上它在技術(shù)上的優(yōu)勢，所以極有希望成為將來的主要國際標準。經(jīng)過十年的發(fā)展，　基金會現(xiàn)場總線已經(jīng)形成了一個開放的、全數(shù)字化的工業(yè)通信系統(tǒng)，并在上世紀末開始進入中國市場，推動了中國的工業(yè)自動化技術(shù)進步，并開始了大型全區(qū)域系統(tǒng)集成的應(yīng)用。

　　NCS-3000系統(tǒng)是以現(xiàn)場總線技術(shù)為核心、OPC技術(shù)為紐帶的開放的網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)，可將現(xiàn)場總線儀表、模擬儀表、分布式智能I/O、DCS、和PLC等工業(yè)自動化設(shè)備有機地集成在一起，為企業(yè)綜合自動化系統(tǒng)提供了一套全新的解決方案。NCS-3000系統(tǒng)具有以下特點：

?以FF現(xiàn)場總線技術(shù)為核心，將控制任務(wù)下放至工業(yè)現(xiàn)場的智能儀表，實現(xiàn)了控制功能的徹底分散，而控制功能的分散意味著危險分散，從而極大地提高了系統(tǒng)的可靠性。

?FFHSE高速總線和FFH1總線相互補充，構(gòu)成企業(yè)綜合自動化系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)平臺?，F(xiàn)場總線儀表、智能I/O與計算機之間通過現(xiàn)場總線連成一體，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，可擴展性強，不僅降低了布線成本，而且還具有設(shè)備遠程調(diào)試和自診斷能力，維護方便。

?不僅支持多種現(xiàn)場總線智能儀表，也支持傳統(tǒng)的模擬儀表、DCS和PLC，可以在最大程度上保護用戶的已有投資。

?支持設(shè)備描述技術(shù)，保證了不同廠商現(xiàn)場總線設(shè)備間的客戶操作性，使用戶有很大的設(shè)備選擇空間。

?可以集成各種流行的工業(yè)自動化設(shè)備和監(jiān)控組態(tài)軟件，是真正開放的網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)。

?采用OPC標準，實現(xiàn)硬件與軟件及軟件與軟件間的信息集成，充分保證了系統(tǒng)的開放性。

?支持Internet，使用戶可以通過瀏覽器對生產(chǎn)過程進行遠程監(jiān)控。

三．系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　現(xiàn)場總線技術(shù)的核心是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，NCS-3000系統(tǒng)的計算機網(wǎng)絡(luò)是一個實時網(wǎng)絡(luò)，信息處理滿足實時性、完整性、一致性和可靠性的要求。

　　FF總線系統(tǒng)的功能體系結(jié)構(gòu)如圖一所示，共分為五個層次。

　　最底層是H1層。它的特點是可以總線供電，可以通過中繼器延長電纜距離；網(wǎng)段的調(diào)度設(shè)備（LAS）可以冗余；可以在儀表中運行功能塊，使控制功能分散到現(xiàn)場儀表；可以用于本質(zhì)安全防爆環(huán)境。

　　第二層是HSE層。它是高性能的控制干線，通訊速率達到100Mbit/s；采用標準以太網(wǎng)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)；通過聯(lián)接設(shè)備可以集成H1子系統(tǒng)；HSE可以選擇冗余；通過HSE不但能夠運行標準的功能塊，而且可以運行靈活功能塊，以滿足批量控制和混合控制的需要。

　　第三層是OPC數(shù)據(jù)交換層（OPCDX）。在這一層，服務(wù)器與服務(wù)器之間可以交換數(shù)據(jù)，從而使數(shù)據(jù)可以用于支持各種應(yīng)用軟件包，例如，應(yīng)用于ERP系統(tǒng)，資產(chǎn)管理系統(tǒng)（AssetManagement），歷史數(shù)據(jù)處理，最優(yōu)化算法，數(shù)據(jù)倉庫等，通過OPCDX還可以與非FF系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交換。

　　第四層是上述的各種應(yīng)用軟件包在這一層運行。

　　第五層是MIS系統(tǒng)，將過程數(shù)據(jù)用于全廠管理。

根據(jù)FF總線系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，結(jié)合豎爐造球生產(chǎn)的工藝特點，將豎爐造球控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計如下，見圖二。