一種基于現(xiàn)場總線與以太網(wǎng)技術的自動化控制系統(tǒng)設計

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ProfiBus和ControlNet相結合，從而實現(xiàn)L1級網(wǎng)絡中儀表、電氣控制系統(tǒng)的通信；同時通過采用以太網(wǎng)技術實現(xiàn)基礎自動化系統(tǒng)和過程與管理控制系統(tǒng)之間的通信。

基礎自動化控制系統(tǒng)
基礎自動化控制系統(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與操作站的服務器連接，從而構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)場設備布置特點，每個加熱爐各設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、兩套助燃風機、一套稀釋風機、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)場設備布置特點，設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、步進梁、出鋼機、液壓站和其它公輔設施，并通過ControlNet總線連接遠程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器SERVERA，SERVERB，實現(xiàn)與基礎自動化系統(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責向庫內吊車發(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，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，L2兩級構成，包含三種通信網(wǎng)絡。操作站采用服務器/客戶端結構，服務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)設兩套HMI(1、2號操作站)，對加熱爐的儀表-電氣進行集中監(jiān)控和操作(每臺操作站均可對儀表、電氣進行操作)；加熱爐基礎自動化控制系統(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，共同構成三電自動化控制系統(tǒng)?；A自動化控制系統(tǒng)通過工業(yè)以太網(wǎng)與二級計算機進行通訊。
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)議相結合的技術。本系統(tǒng)采用通用的以太網(wǎng)技術與TCP/IP協(xié)議相結合，實現(xiàn)L2級內部以及L2與L1之間的通信。L2級內部通過5類雙絞線實現(xiàn)連接；L2交換機與距離較遠、且須穿越電纜溝道的L1設備之間，通過光纜進行連接。
ControlNet 通信
ControlNet是一種高速確定性網(wǎng)絡，用于對時間有苛刻要求的應用場合的信息傳輸。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)結構(主/從、多主和對等設備的任意混合)。
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。對承擔信號采集任務的遠程I/O站及控制器之間需要進行實時交換的信息，通過通信組態(tài)軟件設定為定周期讀寫方式，使這些信號傳輸不會延遲。
(3)調試與維護方便。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)場遠程I/O站的通信模塊上都可以進行調試或維護。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)場設備(如I/O、驅動器、閥門等)進行通信，通信速率為9.6kbps ~ 12Mbps，傳輸介質采用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模塊進行一次讀寫，就可將下達給變頻器的指令傳送到PFB-SST-CLX模塊對應的數(shù)據(jù)區(qū)，并將各變頻器返回的狀態(tài)信號從對應的數(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的長度、類型和站點數(shù)量及數(shù)據(jù)傳送量等因素有關。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12Mbps。
(2)調試和維護方面的考慮。SIEMENS自動化設備級通信解決方案—ProfiBus總線，已被廣泛采用。企業(yè)的管理人員和技術人員對該總線的調試以及維護有一定了解，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，這些細小的損失和ProfiBus的其它好處相比是微不足道的。

結語
根據(jù)以上系統(tǒng)方案，通過硬件設計、軟件編程、施工、調試及試運行后，該廠首期建設的2號加熱爐已投入生產(chǎn),效果良好。二期1號加熱爐正在建設之中?！?/P>

參考文獻
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后勤工程學院自動化系 王朝霞
重慶鋼鐵設計研究總院自動化二室 茍國忠 何茂松