基于總線與DCS技術(shù)實(shí)現(xiàn)相造紙廠堿回收車間燃燒工段自控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

現(xiàn)場總線技術(shù)是目前正在興起的一種全新的控制技術(shù)。目前比較流行的現(xiàn)場總線技術(shù)主要有：Profibus、基金會現(xiàn)場總線FF 等。Profibus是一種國際的、開放的、不依賴于生產(chǎn)廠商的總線標(biāo)準(zhǔn)。它由互相兼容的3部分組成：①Profibus-DP;主站和從站之間采用輪換查詢的方式通訊，用于設(shè)備級控制系統(tǒng)和分散式I/O的通訊;②ProNaus-PA，電源和通訊數(shù)據(jù)通過總線并行傳輸，可使得傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)通過一根總線相連接，主要用于單元級和現(xiàn)場級通訊;③Profibus—FMS，用于車間級監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，是一個(gè)令牌結(jié)構(gòu)、實(shí)時(shí)多主站網(wǎng)絡(luò)。

近年來Profibus在眾多總線控制技術(shù)應(yīng)用中已經(jīng)占據(jù)首位，廣泛應(yīng)用于加工制造自動化、過程控制自動化、樓宇自動化等領(lǐng)域。在開發(fā)設(shè)計(jì)造紙廠堿回收車間燃燒工段的自動控制系統(tǒng)中，考慮到目前的自動化水平和成本，將Profibus-DP現(xiàn)場總線技術(shù)應(yīng)用與DCS技術(shù)相結(jié)合，取得了良好的應(yīng)用效果。

1 燃燒工段控制需求

堿回收燃燒工段的工藝流程如圖1所示。蒸發(fā)工段送來的濃黑液進(jìn)入圓盤蒸發(fā)器，經(jīng)過爐膛煙氣的再次蒸發(fā)濃縮后送到人爐黑液槽。濃黑液經(jīng)過加熱器加熱后，由噴槍噴人堿爐燃燒，熔融物送人溶解槽后形成綠液并被送往苛化工段。一、二次風(fēng)經(jīng)預(yù)熱器和爐膛周圍的余熱再次加熱，并按照一定比例送入爐膛。三次風(fēng)被直接送人爐膛，爐膛出來的煙氣經(jīng)過圓盤蒸發(fā)器和靜電除塵器后通過引風(fēng)機(jī)送往煙囪。黑液在堿爐內(nèi)燃燒產(chǎn)生大量的熱量，此熱量使汽包中的一部分水生成蒸汽，通過分汽缸送往各個(gè)工段，送上汽包軟化水經(jīng)除氧器來補(bǔ)充汽包水量，將汽包水位穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)。

2、燃燒工段控制設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

針對上述工藝及控制特點(diǎn)，燃燒自動控制系統(tǒng)采用現(xiàn)場控制級和過程監(jiān)控級(如圖2)兩層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)場控制級采用可靠性很高的可編程控制器(PLC)，并基于現(xiàn)場總線和分布式控制技術(shù)，其可靠性不依賴于過程監(jiān)控級計(jì)算機(jī)，即使在監(jiān)控級計(jì)算機(jī)關(guān)機(jī)或停電的情況下，生產(chǎn)依舊可以正常進(jìn)行。過程監(jiān)控級采用2臺操作站(OP站1和OP站2)實(shí)時(shí)監(jiān)督生產(chǎn)狀況。操作站配置成雙機(jī)系統(tǒng)，有效實(shí)現(xiàn)故障切換，提高系統(tǒng)監(jiān)控的可靠性和數(shù)據(jù)記錄的準(zhǔn)確性，為現(xiàn)場控制提供安全、可靠的信息互聯(lián)。上位機(jī)采用的是西門子WinCC6.0軟件，下位機(jī)采用的是Step 75.2。如圖2所示，輸入輸出為模擬量的外部設(shè)備如壓力計(jì)、氣動閥門等都與EI‘200M上的模擬量輸入模塊(SM331)、模擬量輸出模塊(SM332)相連;電機(jī)的啟、停等信號與Eq‘200M上的數(shù)字量模塊SM321(數(shù)字量輸入模塊)、SM322(數(shù)字量輸出模塊)相連?，F(xiàn)場總線儀表等設(shè)備(如壓力傳感器等)可以直接與總線相連。

Profibus協(xié)議結(jié)構(gòu)采用了ISO/OSI模型中的第1層、第2層，必要時(shí)還采用第7層。第1層和第2層的導(dǎo)線和傳輸協(xié)議依據(jù)美國標(biāo)準(zhǔn)EIA RS-485、國際標(biāo)準(zhǔn)IEC870.5.1和歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 6087O.5.1、總線存取程序、數(shù)據(jù)傳輸和管理服務(wù)基于DIN19241標(biāo)準(zhǔn)的第1至第3部分和ⅢC955標(biāo)準(zhǔn)。管理功能(FMA7)采用ISO DIS 7498-4(管理框架)的概念。

Profibus提供了3種通信協(xié)議類型：DP、FMS、PA。Profibus.DP使用了第1層、第2層和用戶接口層，第3到第7層未使用，這種精簡的結(jié)構(gòu)確保高速數(shù)據(jù)傳輸。直接數(shù)據(jù)鏈路映像程序DDLM提供對第2層的訪問。在用戶接口中規(guī)定了Profibus-DP設(shè)備的應(yīng)用功能，以及各種類型的系統(tǒng)和設(shè)備的行為特性。由于Profibus-DP是為高速傳輸用戶數(shù)據(jù)而優(yōu)化的Profibus協(xié)議特別適用于可編程控制器與現(xiàn)場級分散I/O設(shè)備之間的通訊。

2.3 現(xiàn)場總線的設(shè)置

當(dāng)總線上使用溫度、壓力變送器等現(xiàn)場總線儀表時(shí)，終端電阻安裝在每條總線的最后一臺儀表上;當(dāng)沒有使用現(xiàn)場總線儀表并且只使用了ET200M從站，那么在使用的西門子專用的DP通訊接頭上就帶有終端電阻。通過它自帶的開關(guān)可以設(shè)置是否使用終端電阻。

現(xiàn)場總線上的每臺總線設(shè)備都必須分別設(shè)置1個(gè)不同的站地址。有些設(shè)備通過自帶的軟件進(jìn)行地址設(shè)定設(shè)置，每條總線上的物理地址必須和軟件組態(tài)中的地址相同;有些設(shè)備上帶有設(shè)置地址的撥碼開關(guān)(例如ET200M)。就可以按照8421碼進(jìn)行地址的設(shè)置;也有的可以在操作面板上進(jìn)行設(shè)置(如西門子位置定位器)。

所有的總線、支線或者其他信號線都必須單獨(dú)架設(shè)橋架，盡量避免干擾。可以將總線、支線還有信號線的屏蔽線連接在一起，然后在控制柜中集中一點(diǎn)接地。

2.4 現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)中的通訊

在現(xiàn)場控制級，主站可連接32個(gè)從站點(diǎn)，最大傳輸距離可達(dá)1000m。通過中繼器還可增加站點(diǎn)并可延伸通訊距離，便于將來系統(tǒng)擴(kuò)展。需要指出的是，在各站點(diǎn)之間要注意接地點(diǎn)電位的平衡問題。下位機(jī)PIE系統(tǒng)采用的是CPU414.2DP加3個(gè)ET200M從站構(gòu)成，主站CPU414.2DP具有1個(gè)MPI接口和1個(gè)DP接口，可以與MPI網(wǎng)絡(luò)和DP網(wǎng)絡(luò)連接。MPI網(wǎng)絡(luò)的通訊速率設(shè)置為187.5kbps，Profibus.DP網(wǎng)絡(luò)的通訊速率設(shè)置為1.5Mbps。

有時(shí)要求在幾個(gè)工段控制系統(tǒng)中有信息交互，即需要幾個(gè)CPU之間進(jìn)行通訊，而且在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中并不需要增加額外的通訊模塊，如果距離過遠(yuǎn)則需要使用中繼器。在程序設(shè)計(jì)中，可以使用Profibus網(wǎng)絡(luò)通訊的系統(tǒng)功能(SFC)和系統(tǒng)功能塊(SFB)。下面列舉了作為主站的CPU的通信程序。

CAIJ.SFC14 //接收數(shù)據(jù)子程序

LADDR ： =W #16#3E8 //輸入?yún)^(qū)的起始地址 ·

RET vAL ： ：MW100 //返回值存儲在MW100中

RECORD ：P#DB5.DBX0.0 BYTE 10 //指向存放輸入數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)區(qū)指針

CA1& SFC15 //發(fā)送數(shù)據(jù)子程序lADDR ： =W#16#3E8 //輸出區(qū)的起始地址

RECORD ：P#DB6.DBX0.0 BYTE 10 //指向存放輸出數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)區(qū)指針

RET_VAL ： =MW102 //返回值存儲在MW102中

在采用交互式通訊時(shí)，應(yīng)注意收發(fā)雙方通訊速度的匹配。例如：若發(fā)送方速度過快，接收方來不及應(yīng)答(Acknowledge)，發(fā)送方會顯示接收方已無接收資源的錯誤代碼，這可通過適當(dāng)降低發(fā)送頻率來解決。

PC與PLC間的通訊，在控制室設(shè)置的2臺OP站上各安裝1塊西門子CP5611通訊板卡，監(jiān)控計(jì)算機(jī)通過CP56ll通訊板卡與現(xiàn)場控制級的2臺PLC通訊。

2臺OP站實(shí)時(shí)讀取PLC數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)工藝流程和工藝數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示。同時(shí)，2臺OP站對PIE進(jìn)行監(jiān)督控制和參數(shù)優(yōu)化功能，協(xié)助現(xiàn)場級PLC完成復(fù)雜的控制算法?，F(xiàn)場控制級與過程監(jiān)控級之間的數(shù)據(jù)交換均采用密碼通訊與校驗(yàn)，避免信號傳輸干擾。

3、結(jié)束語

通過實(shí)際應(yīng)用可以總結(jié)出Profibus-DP現(xiàn)場總線具有下列優(yōu)點(diǎn)：

(1)更新、擴(kuò)充了DCS的功能。傳統(tǒng)的DCS中加入了現(xiàn)場總線，不但保持了DCS的穩(wěn)定性，且引入了現(xiàn)場總線的靈活性;同時(shí)可減少硬件數(shù)量，安裝、維護(hù)的工作量隨之減少。

(2)提高了系統(tǒng)的靈敏性、精確性。與此現(xiàn)場總線有關(guān)的信號，無需再像傳統(tǒng)的DCS在發(fā)送與接收過程中通過數(shù)模/模數(shù)反復(fù)轉(zhuǎn)換，而是直接進(jìn)行CPU間的通訊，從而提高了信號采集的品質(zhì)和系統(tǒng)的控制質(zhì)量。

(3)降低了DCS的負(fù)荷，提高了系統(tǒng)的控制品質(zhì)。由于一部分調(diào)節(jié)任務(wù)分配到現(xiàn)場智能儀表或者執(zhí)行機(jī)構(gòu)的CPU上去實(shí)現(xiàn)，DCS中相關(guān)自動處理單元中的CPU的負(fù)載得到降低，相關(guān)設(shè)備的調(diào)節(jié)品質(zhì)得到提高。

(4)由于現(xiàn)場總線具有自診斷和簡單的故障處理能力，并通過數(shù)字通訊將相關(guān)的診斷維護(hù)信息送往控制室，用戶可以查詢總線設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)與診斷維護(hù)信息。

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