在高炉自动化控制系统中现场总线技术有什么应用？

一 前言

工业现场总线技术是近年来自动化行业最为关注的技术之一，给自动化控制技术带来了很大的进步。现场总线（Fieldbus）是近年来迅速发展起来的一种工业数据总线，它主要解决工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题。由于现场总线简单、可靠、经济实用等一系列突出的优点，因而受到了许多标准团体和计算机厂商的高度重视。现场总线控制系统（Fieldbus Control System，FCS）使用一条通信电缆将现场设备（智能化、带有通信接口）连接，用数字化通信代替4-20mA/24VDC信号，完成现场设备控制、监测、远程参数化等功能。它具有很多优点，在工业自动化领域有明显的优势，如集成性高、组态简单、设计安装方便、易于维护和扩展、可以节约软硬件投资等，使先进的现场设备管理功能得以实现。现场总线（Fieldbus）是20世纪80年代末、90年代初国际上发展形成的，用于 现场总线技术过程自动化、制造自动化、楼宇自动化等领域的现场智能设备互连通讯网络。它作为工厂数字通信网络的基础，沟通了生产过程现场及控制设备之间及其与更高控制管理层次之间的联系。它不仅是一个基层网络，而且还是一种开放式、新型全分布控制系统。

武钢炼铁厂从2003年六号高炉新建工程开始尝试使用现场总线，这也是全国首例在高炉系统中采用总线。在六号高炉刚投产之初，一场意外导致主控楼失火，将炉顶布料和热风炉系统几乎所有电气线路烧坏，按照传统的现场级控制方式起码要半个月的恢复时间，但因为使用了现场总线，电缆数量很少，我们仅用了三天时间就恢复了生产，使高炉提前十几天恢复生产，突出显示了高炉现场总线控制系统在维护和抢修方面相对于传统的现场控制方式的强大优势。

二 传统的高炉自动化控制系统的现状及不足

高炉系统主要由炉顶上料系统、槽上和槽下供料系统、卷扬系统、喷煤系统、热风炉系统、炉前出铁场系统和INBA渣处理系统等构成，生产工艺复杂，分散点多，环境条件特殊，对电气设备的要求非常高，这就造成了电气自动化系统非常庞杂，故障率高，维护量大。

目前我国高炉所采用的控制基本上是传统的现场控制方式。传统的现场级与车间级自动化监控及信息集成系统（包括：基于PC、PLC、DCS产品的分布式控制系统），其主要特点之一是，现场层设备与控制器之间的连接是一对一（一个I/O点对设备的一个测控点）所谓I/O接线方式，信号传递4-20mA（传送模拟量信息）或24VDC（传送开关量信息）信号。如图1所示：

从图我们可以看出，这种传统的现场级自动化监控系统有几个缺点：

（1）信息集成能力不强；

（2）系统不开放、可集成性差、专业性不强；

（3）可靠性不易保证，它的主要缺点在于主机入口处的瓶颈现象。

由于现场及设备多，且比较分散，信号进入PLC后，必须经过A/D、D/A的转换过程，且精确度有所降低，迫使PLC 的扫描周期加长，使整个主机性能下降，威胁到高炉各种信号的实时性。影响到高炉控制系统的稳定性和可靠性。

三 基于现场总线的高炉自动化控制系统的原理及特点

Profibus 是唯一的全集成H1（过程）和H2（工厂自动化）的现场总线解决方案，是一种不依赖于制造商的开放式现场总线标准。PROFIBUS，是一种国际化。开放式。不依赖于设备生产商的现场总线标准。PROFIBUS传送速度可在 9.6kbaud~12Mbaud范围内选择且当总线系统启动时，所有连接到总线上的装置应该被设成相同的速度。广泛适用于制造业自动化、流程工业自动化和楼宇、交通电力等其他领域自动化。PROFIBUS是一种用于工厂自动化车间级监控和现场设备层数据通信与控制的现场总线技术。可实现现场设备层到车间级监控的分散式数字控制和现场通信网络，从而为实现工厂综合自动化和现场设备智能化提供了可行的解决方案。

Profibus根据应用特点分为Profibus-DP ， Profibus-FMS ， Profibus-PA三个兼容版本。其中，Profibus-DP（H2）是一种经过优化的高速通信连接，专为自动控制系统和设备级分散I/O之间的通信设计的，可用于分布式控制系统的高速数据传输，其传输速率可达12Mbit/s，一般构成单主站系统。

Profibus的特点为可使分散式数字化控制器从现场层到车间级网络化，该系统分为主站和从站。主站决定总线的数据通信，当主站得到总线控制权（令牌）时，没有外界请求也可以主动发送信息。从站为外围设备，典型的从站包括输入输出设备，控制器，驱动器和测量变送器。

现场总线是以单个分散的、数字化、智能化的测量和控制设备作为网络节点，用总线相连接，实现相互交换信息，共同完成自动控制功能的网络系统与控制系统。它适合于替代价格昂贵的 24V DC和 4～20mA测量信号平行传输线路。在节省线路与设备的同时，也为武钢炼铁厂的以太网系统提供了现场级的控制功能。其原理如下图2所示：

从图中我们可以看到现场总线主要有以下优点：

（1）减少设备（如隔离器、端子点数），节省工程费用。

（2）由于免去了D/A及A/D转换的过程，使信号精确度r提高。

（3）可以避免上千个检测点和控制点的检测信号汇集到DCS 的入口处所造成的信号堵塞，而是把控制功能下放到现场，增加了系统的可靠性。

（4）组态简单，安装、运行、维护简便；

（5）采用IP67的防护等级，使之完全适合高炉现场的恶劣环境。

四 武钢炼铁厂总线监控及组态方式

4.1与PLC的总线接口

武钢炼铁厂采用施耐德PLC（Quantum系列），它采用PTQ模块对总线进行组态，PTQ模块支持工业总线Profibus-DP协议，具有很强的扩展性，机架上挂接一块PTQ模块，利用Profibus-DP 协议从工业总线上采集数据、控制现场设备的运行。通过Turck公司提供的GSD文件，PROFIBUS – DP的DP即Decentralized Periphery。它具有高速低成本，用于设备级控制系统与分散式I／O的通信。它与PROFIBUS－PA（Process Automation ）、PROFIBUS-FMS （Fieldbus Message Specification ）共同组成了PROFIBUS标准。组态图如图3：

4.2计算机监控

在总线监控画面中，我们采用Wonderware公司的Intouch软件进行监控，可以监控每个总线模块的通讯状态，当出现总线报警时，我们很快就可以通过总线确认出现故障的设备，有效地提高了故障抢修的时间。Intouch 一种工业自动化组态软件，Wonderware公司产品。Wonderware 公司成立于 1987 年，是在制造运营系统率先推出 Microsoft Windows 平台的人机界面 （HMI） 自动化软件的先锋。世界第一家推出组态软件的公司。InTouch HMI软件用于可视化和控制工业生产过程。它为工程师提供了一种易用的开发环境和广泛的功能，使工程师能够快速地建立、测试和部署强大的连接和传递实时信息的自动化应用。InTouch软件是一个开放的、可扩展的人机界面，为定制应用程序设计提供了灵活性，同时为工业中的各种自动化设备提供了连接能力。

五 应用效果及未来展望

采用现场总线避免了大量的点到点的电缆敷设，降低了线路敷设设计的难度和施工的复杂性，节省了投资、安装、调试及维护的费用，维护方便，减少了高炉休风次数，为炼铁厂的生产带来了直接的经济效益，收到了良好效果。

面对工业技术革命的挑战，我们应该把握机遇。现场总线技术在自动化控制系统中的应用，必将拥有越来越广泛的领域和空间，对我们的发展起到良好的促进作用。