一種基于現場總線與以太網技術的自動化控制系統設計

摘 要： 本文通過采用ProfiBus和ControlNet現場總線以太網技術，有效地解決了基礎自動化系統(L1)內部以及它與過程和管理控制系統(L2)之間的三電(電氣、儀表、計算機)無縫集成問題。
引言
隨著控制、計算機通信、網絡技術的發(fā)展，自動化系統結構正發(fā)生巨大變化。底層控制網絡不再是孤立的控制系統，通過現場總線和以太網技術實現網絡集成，將基礎自動化控制網絡(L1)、過程和管理控制系統(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設計方案，通過采用現場總線與以太網技術，有效地解決了L1內部以及它與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
鋼廠板坯庫/加熱爐區(qū)自動化控制系統由基礎自動化控制系統、過程與管理控制系統組成。通過將兩種現場總線技術ProfiBus和ControlNet相結合，從而實現L1級網絡中儀表、電氣控制系統的通信；同時通過采用以太網技術實現基礎自動化系統和過程與管理控制系統之間的通信。

基礎自動化控制系統
基礎自動化控制系統包括加熱爐電氣PLC控制系統和加熱爐儀表DCS控制系統。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(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。
在系統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控制系統的配置
儀表DCS硬件系統采用ProcessLogix系列。根據工藝要求及現場設備布置特點，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控制系統配置
電氣PLC硬件系統采用ControlLogix系列。根據工藝要求及現場設備布置特點，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，實現對現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系統通信，通過ProfiBus DP與ABB公司的ASC600型變頻裝置通信，實現對裝鋼機/出鋼機、加熱爐前后輥道的控制。
過程與管理控制系統
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據管理功能，因此，根據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通信。
加熱爐計算機通過訪問兩臺冗余服務器SERVERA，SERVERB，實現與基礎自動化系統的數據交換，板坯庫計算機則不通過服務器，而是通過以太網直接與板坯庫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鎖，如果通過中間L1級網絡，往往因通信丟失或延遲，使聯鎖失敗，造成難以想象的后果。
通信的一些特點
本自動化系統由L1，L2兩級構成，包含三種通信網絡。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協議的以太網連接。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)以太網上，共同構成三電自動化控制系統。基礎自動化控制系統通過工業(yè)以太網與二級計算機進行通訊。
以太網通信
目前，解決以太網實時性問題的一種方法是采用以太網和UDP/IP協議相結合的技術。本系統采用通用的以太網技術與TCP/IP協議相結合，實現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據，但不會對有時間苛刻要求的數據傳送造成沖擊。它支持混合系統結構(主/從、多主和對等設備的任意混合)。
本系統采用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。
傳統意義上的DCS系統，如HONEYWELL公司的DCS要實現與PLC之間的通信是極為困難的。但在本系統中，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)實現數據的實時傳輸。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，都可以實現程序的上裝和下載。這意味著，將筆記本電腦接到主站或現場遠程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場總線實現。
ProfiBus DP通信
ProfiBus DP用于設備級的高速數據傳送，中央控制器通過高速串行線同分散的現場設備(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，總線上最多站點數為126個。
本系統中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)，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模塊對應的數據區(qū)，并將各變頻器返回的狀態(tài)信號從對應的數據區(qū)取出，從而實現對下屬每個變頻裝置的監(jiān)控。
事實上，對本系統而言，PLC制造商RockWell公司推薦的傳動系統接入方案是采用DeviceNet總線。最終我們決定采用ProfiBus總線實現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、類型和站點數量及數據傳送量等因素有關。但我們注意到：DeviceNet的數據傳輸率最快為1.5Mbps，ProfiBus的數據傳輸率最快可達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現場總線的方案。
(3)系統可擴展方面的考慮。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
根據以上系統方案，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,效果良好。二期1號加熱爐正在建設之中。