現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的基本認(rèn)知及在水泥行業(yè)中的應(yīng)用

1 、引言

水泥工業(yè)作為當(dāng)前國(guó)民經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)之一，在我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占據(jù)重要地位。隨著計(jì)算機(jī)、通訊、網(wǎng)絡(luò)等信息技術(shù)的飛速發(fā)展，水泥工業(yè)的自動(dòng)控制系統(tǒng)正向著智能化、數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化方向邁進(jìn)?，F(xiàn)場(chǎng)總線作為一種正在發(fā)展的新技術(shù)，正在迅速覆蓋從工廠的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層到控制、管理的各個(gè)層次，既可以將一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)、狀態(tài)以及故障信息等送往控制室，又可將各種控制、維護(hù)、組態(tài)命令甚至現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的工作電源等送往各相關(guān)的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，從而溝通了生產(chǎn)過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備之間及其更高控制管理層之間的聯(lián)系。

2、 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)簡(jiǎn)介

2．1 現(xiàn)場(chǎng)總線基本認(rèn)知

現(xiàn)場(chǎng)總線是安裝在生產(chǎn)過(guò)程區(qū)域的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、儀表與控制室內(nèi)的自動(dòng)控制系統(tǒng)之間一種串行、數(shù)字式、多點(diǎn)通信的數(shù)據(jù)總線，它位于生產(chǎn)控制和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的低層，也稱為低層控制網(wǎng)絡(luò)。它與工廠的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備直接連接，將現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量控制設(shè)備互聯(lián)為通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)不同網(wǎng)段、不同現(xiàn)場(chǎng)通信設(shè)備的信息共享；同時(shí)又將現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的各種信號(hào)傳到遠(yuǎn)離現(xiàn)場(chǎng)的控制室，并進(jìn)一步與操作終端、上層控制管理網(wǎng)絡(luò)連接和信息共享。

2．2 現(xiàn)場(chǎng)總線的特點(diǎn)

在傳統(tǒng)的模擬控制系統(tǒng)中，現(xiàn)場(chǎng)的儀表設(shè)備與控制室的控制器之間，通常采用一對(duì)一的物理連接，實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)的通訊。而在現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)中，現(xiàn)場(chǎng)的儀表設(shè)備多采用智能化設(shè)備，通訊方式由數(shù)字信號(hào)取代了模擬信號(hào)，只需一根電纜即可將多個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的多個(gè)運(yùn)行參數(shù)傳人控制室，同時(shí)還可為多個(gè)設(shè)備提供電源，這樣不僅簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，節(jié)約了硬件投資，同時(shí)還便于安裝和維護(hù)。

基于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的控制系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：

（1）系統(tǒng)開(kāi)放性好，基于同一種總線協(xié)議的不同廠家的設(shè)備可以互連；

（2）具有智能化和功能自治性；

（3）可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)；

（4）具有顯著的經(jīng)濟(jì)性，基于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的控制系統(tǒng)可節(jié)省硬件投資和安裝費(fèi)用。

2．3 幾種主要現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)

2．3．1 基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線（FF，F(xiàn)oundation Fieldbus）

它以ISO／OSI開(kāi)放系統(tǒng)互連模型為基礎(chǔ)，取其物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層為FF通訊模型的相應(yīng)層次，并在應(yīng)用層上增加了用戶層。

2．3．2 Lon Works采用了ISO／OSI模型的全部七層通訊協(xié)議，采用了面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)變量把網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化為參數(shù)設(shè)置。支持雙絞線、同軸電纜、光纖、射頻等多種通訊介質(zhì)，是具有強(qiáng)勁實(shí)力的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)。

2．3．3 CAN總線

CAN是控制局域網(wǎng)總線（Control Area Network）的簡(jiǎn)稱，最早用于汽車內(nèi)部測(cè)量與執(zhí)行部件間的數(shù)據(jù)通信，其總線規(guī)范現(xiàn)已被ISO國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織制定為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，廣泛應(yīng)用在離散控制領(lǐng)域。其模型結(jié)構(gòu)只有三層，即只取OSI低層的物理層、數(shù)據(jù)鏈層和頂層的應(yīng)用層。

2．3．4 HART

HART是Highway Addressable Remote Transducer的縮寫(xiě)。特點(diǎn)是現(xiàn)在有模擬信號(hào)傳輸線上實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)通信，屬于模擬系統(tǒng)向熟悉系統(tǒng)轉(zhuǎn)變過(guò)程中的過(guò)渡性產(chǎn)品。

2．3．5 PROFIBUS

Profibus是德國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)DIN19245和歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN50170的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，包含3種類型，即Profibus-DP、Profibus．FMS和Profibus．PA。該總線技術(shù)是以西門(mén)子公司為主的德國(guó)公司和研究所共同推出的。DP型用于分散外設(shè)間的高速數(shù)據(jù)傳輸，適合于加工自動(dòng)化領(lǐng)域的應(yīng)用。FMS意為現(xiàn)場(chǎng)信息規(guī)范，PROFIBUSFMS適用于紡織、樓字自動(dòng)化、可編程控制器、低壓開(kāi)關(guān)等。PA專為過(guò)程自動(dòng)化設(shè)計(jì)，標(biāo)準(zhǔn)的本質(zhì)安全的傳輸協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了IEC1158-2中規(guī)定的通訊規(guī)程，用于對(duì)安全性要求高的場(chǎng)合及由總線供電的站點(diǎn)。

Profibus的傳輸速率為9．6kbps一12Mbps，最大傳輸距在12Mbps時(shí)為100m，1．5Mbps時(shí)為400m，可用中繼器延長(zhǎng)至10km。其傳輸介質(zhì)可以是雙絞線，也可以是光纜，最多可連接127個(gè)站點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)總線供電和本質(zhì)安全防爆。Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議的會(huì)員單位已有1000多家，支持該標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品有2O0余種，市場(chǎng)占有率已達(dá)20％左右。Profibus是世界上最成熟、市場(chǎng)占有率最高的一種現(xiàn)場(chǎng)總線。

3、 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的應(yīng)用

3．1 傳統(tǒng)模擬控制方式

在以往水泥廠窯尾系統(tǒng)工況監(jiān)測(cè)中，我們采用的是一對(duì)一模擬控制方式，見(jiàn)圖1：

這種方式中，現(xiàn)場(chǎng)每一臺(tái)儀表的測(cè)量信號(hào)，均通過(guò)各自的電纜以模擬量信號(hào)方式傳人現(xiàn)場(chǎng)控制站，在現(xiàn)場(chǎng)控制站中還需要配備相應(yīng)的AI、AO模件，每一個(gè)模擬量信號(hào)需占用一個(gè)通道，由于窯系統(tǒng)的儀表測(cè)點(diǎn)很多，控制站需設(shè)大量的模擬量模件，硬件投資大，而且設(shè)備維護(hù)任務(wù)也很重。

3．2 現(xiàn)場(chǎng)總線控制方式

水泥的生產(chǎn)過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，它的工藝特點(diǎn)決定了其工業(yè)環(huán)境的惡劣性、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的多樣性和復(fù)雜性。需要處理多達(dá)數(shù)千個(gè)甚至上萬(wàn)個(gè)不同的過(guò)程變量，包括各種設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)和狀態(tài)信息，各類工藝參數(shù)（如壓力、溫度、料位等）以及生產(chǎn)數(shù)據(jù)信息等。水泥廠自動(dòng)化的實(shí)現(xiàn)要求可性高、抗干擾性強(qiáng)、穩(wěn)定、實(shí)用和易操作，所以采用比較成熟的現(xiàn)場(chǎng)總線Profibus。

圖2是采用Pmfibus現(xiàn)場(chǎng)總線的控制方式的結(jié)構(gòu)圖。控制站與現(xiàn)場(chǎng)控制器之間通過(guò)光纜進(jìn)行通訊，而控制器通過(guò)一耦合器與現(xiàn)場(chǎng)總線儀表相連接?？刂普就ㄟ^(guò)雙絞線經(jīng)光纖HUB與現(xiàn)場(chǎng)控制器進(jìn)行通訊，上位機(jī)采用標(biāo)準(zhǔn)的TCP／IP協(xié)議進(jìn)行通訊，而下位機(jī)中，現(xiàn)場(chǎng)控制器和各I／O站和耦合器之間采用工業(yè)中標(biāo)準(zhǔn)的PROFIBUS-DP進(jìn)行通訊，而耦合器和現(xiàn)場(chǎng)總線儀表之間采用PROFIBUS—PA通訊協(xié)議。

在這種方式中，現(xiàn)場(chǎng)多個(gè)儀表的測(cè)量信號(hào)，通過(guò)一根總線電纜，采用數(shù)字信號(hào)的通訊方式，經(jīng)PROBUS DP／PA耦合器傳人現(xiàn)場(chǎng)控制站，在現(xiàn)場(chǎng)控制站中通過(guò)PROFIBUS DP卡件與控制器相連，省去大量模擬量模件。

在系統(tǒng)之中還有現(xiàn)場(chǎng)總線儀表的硬件組態(tài)和軟件組態(tài)兩大部分內(nèi)容，本文中不再詳細(xì)介紹。

水泥廠用于窯系統(tǒng)工況監(jiān)測(cè)的儀表設(shè)備較多且分布較為集中，采用現(xiàn)場(chǎng)總線的控制方式，業(yè)主既可省去許多的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件及電纜投資，還可減少大量的電纜敷設(shè)工作，不僅節(jié)約安裝費(fèi)用，還便于生產(chǎn)維護(hù)。此外水泥工業(yè)生產(chǎn)中的一些大型設(shè)備如輥壓機(jī)、篦冷機(jī)、立磨等，這些設(shè)備的自動(dòng)化控制較為復(fù)雜，他們與DCS系統(tǒng)通訊的點(diǎn)數(shù)很多，采用現(xiàn)場(chǎng)總線局域網(wǎng)，設(shè)備本體控制參數(shù)及時(shí)全面的傳人DCS系統(tǒng)，這樣不僅便于對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制監(jiān)測(cè)，對(duì)優(yōu)化設(shè)備的使用性能也大有幫助。

4、 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間使用證明，采用PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的作業(yè)系統(tǒng)大大提高了水泥企業(yè)的自動(dòng)化水平，同時(shí)對(duì)提高產(chǎn)品產(chǎn)量、質(zhì)量，降低能耗，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)文明生產(chǎn)等方面都有著顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。例如山東叢林集團(tuán)水泥項(xiàng)目中，對(duì)篦冷機(jī)、立磨均采用現(xiàn)場(chǎng)總線局域網(wǎng)控制方式，大大提高了企業(yè)的綜合經(jīng)濟(jì)效益。隨著現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的發(fā)展完善，它在水泥行業(yè)中的應(yīng)用會(huì)更加廣泛。

責(zé)任編輯：gt