总线控制系统在铜钴尾矿复垦项目的应用

刘振民

（江西瑞林电气自动化有限公司，江西南昌 330038）

现场总线是许多工业用通讯协议的总称，具备双向、多站点、总线式、全数字化的特点。现场总线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。它的出现使传统的控制系统结构产生了革命性的变化，使自控系统朝着“智能化、数字化、信息化、网络化、分散化”的方向进一步迈进。分散在各个工业现场的智能仪表、设备通过现场总线连为一体，并与控制室中的控制器和监视器一起共同构成现场总线控制系统FCS（Fieldbus Control System）。

1 PROFIBUS现场总线概述

PROFIBUS是目前国际上通用的开放式现场总线之一，已纳入现场总线的国际标准IEC 61158和欧洲标准EN 50170，并于2006年被定为中国的国家标准GB/T 20540-2006。PROFIBUS现场总线协议是1个协议簇，包含PROFIBUS-FMS、PROFIBUSDP和PROFIBUS-PA。其中，PROFIBUS-FMS是用于大范围、多主通信的通用通信协议，适合用于数据传输量较大，但对通信时间要求不太高的场合，数据传输速率为1.5 Mbps，其采用RS 485或光纤数据传输技术。PROFIBUS-DP是结构相对精简但可提供较高的通信速率和可靠通信质量的通信协议，最高可达12 Mbps，其采用RS 485或光纤数据传输技术。PROFIBUS-PA是专为过程自动化设计的协议，主要用于对安全性要求较高的场合及需由总线供电的应用，其采用标准的IEC 1158-2传输技术，传输速率为31.25 kbps。

2 项目应用介绍

某铜钴尾矿复垦项目是欧亚资源集团ERG在南非子公司Metalkol SA的1个尾矿复垦回收铜和钴的选矿和湿法冶金项目，位于刚果（金）民主共和国Katanga省Kolwezi镇。项目资源来自2个尾矿库（Kingamyambo和Musonoi），是某铜钴矿选厂于1952-1997年生产铜精矿所产生的尾矿，这些尾矿仍含有铜和钴并可经济回收。采用“搅拌浸出—萃取—电积”湿法冶炼工艺生产阴极铜、氢氧化钴产品。按照主工艺流程可分为尾矿回收、搅拌浸出、逆流洗涤、萃取、铜电积、钴沉淀、残渣处理、石灰乳制备等工段。针对该项目工艺流程分布区域广、过程仪表类型和数量多、电机全部采用变频器和马达保护器控制的特点设计并实施了1套基于PROFIBUS现场总线的总线控制系统。

3 控制系统结构

该总线控制系统结构如图1所示。

图1 总线控制系统结构

该控制系统为了保证系统可靠性，配置2台冗余的OS（operator system）服务器；为了扩展生产数据的储存时间，配置了1台供长期数据储存用的历史数据服务器；配置了1台OS Web服务器。这4台服务器放置在服务器室。另外，配置了4台OS客户端，放置在中央控制室，用于生产操作。Web客户端通过使用普通办公电脑上的浏览器访问OS Web服务器，其显示的OS画面和OS客户端上的OS画面完全一致。最多可将15个Web客户端连接到OS Web服务器，用于工艺工程师、管理人员在其办公室内通过Intranet或Internet监视生产和统计数据。OS Web客户端和OS Web服务器之间配置了防火墙，以隔离办公网络和控制系统网络，保证网络安全。配置2台工程师站ES(Engineering System)放置在服务器室，用于控制系统组态、控制程序开发、下载。配置 11 台 AS（Automation systems）(AS1～AS11)，采用西门子公司的AS 410-5。控制系统软件采用西门子公司PCS7V8.2。各个PLC所控制电气、仪表设备统计表如表1所示。

表1 各个PLC所控制电气、仪表设备统计 个

该控制系统控制650多台电机设备、800多台各式PA总线过程仪表，规模较大。如果折算成传统控制系统统计I/O点数，则远超万点。该控制系统采用服务器客户机结构，3层网络架构。3层网络依次是终端总线、工厂总线、现场总线。

1）终端总线，连接OS服务器和OS客户端。用以传输OS客户端与OS服务器之间的通讯数据。OS客户端本身不包含与AS之间的通讯及OS运行画面，所以要通过与OS服务器通讯的方式将这些数据由OS服务器发送到OS客户端上。终端总线采用以太网通讯，速率是100 Mbps。

2）工厂总线，连接OS服务器和各个AS。用以传输AS与 AS以及AS与OS服务器之间的通讯数据。AS与AS在一些情况下需要相互通讯，比如需要将连接到某个AS的液位信号发送到另外1个AS，这时通讯链路使用的就是工厂总线。OS服务器通过工厂总线读取AS的过程数据，同时将操作指令和参数发送给AS。其他成套设备自带的PLC连接到工厂总线，采用以太网通讯的方式与AS或OS服务器进行数据交换。工厂总线采用以太网通讯，网络拓扑结构采用光纤环网，速率是1 000 Mbps。OS服务器可以带运行界面，用作生产操作，也可以不带运行界面。大多数运用是OS服务器自身不用作操作界面，通过OS客户端的运行界面来显示和操作。这时OS服务器配置至少2个网卡，1个网卡连接在工厂总线上，用来与AS交换数据；另1个网卡连接在终端总线上，用来与OS客户端交换数据。工程师站因为需要下载OS服务器、OS客户端、AS的组态配置、项目文件及控制程序，所以也需要同时连接终端总线、工厂总线。

3）现场总线，用于连接AS和现场设备。该控制系统使用了PROFIBUS协议簇的2种协议，PROFIBUSDP和PROFIBUS-PA。PROFIBUS-DP用于连接远程I/O站、电气设备如变频器、马达保护器、软启动器及某些采用PROFIBUS-DP通讯的第3方PLC等。对于电机设备，过去每台电机需要1根或多根电缆连接到I/O模块。由于采用PROFIBUS-DP现场总线，理论上只需要1根2芯双绞线就可以完成几十台电机数据通讯。实际工程应用中每条DP总线所能连接的设备数由各个设备通讯数据量、网络拓扑结构等因素决定。PROFIBUS-PA用于连接过程仪表如流量计、压力表、液位计、调节阀等。如果采用4～20 mA电流等模拟量信号，每台仪表需要1根或多根电缆连接到I/O模块，由于采用PROFIBUS-PA现场总线，理论上只需1根两芯屏蔽双绞线可完成几十台仪表与AS的数据通讯及仪表供电。当然，如果某些仪表用电需求超出PROFIBUS-PA现场总线供电能力，就要额外供电，比如某些电磁流量计等。实际工程应用中每条PA总线所能连接的仪表数由仪表类型、网络拓扑结构、支线长度等多个因素决定。

4 控制系统特点

该控制系统的系统结构、网络架构较为合理，采用了分层结构。层级划分清晰、层级功能明确，使系统的稳定性和通信效率有所提高。在各个层级上通过合理配置、采用适宜的拓扑结构提升了系统的容错能力。该控制系统是基于PROFIBUS总线的现场总线控制系统，其具备如下特点：

1）开放性。现场总线控制系统（FCS）在所有的层级上都采用公开化的通信协议，遵守同一通信标准的不同厂商的设备之间可以互连及实现信息交换。在不同的层级上用户都可以灵活选用不同厂商的现场总线产品来组成实际的控制系统，包括控制器、马达保护器、变频器、远程I/O站及过程仪表，以达到最佳的系统集成。

2）先进性。以往控制系统不论采用DCS还是PLC，现场信号还采用全硬接线的方式接入。这导致线缆、桥架、穿线管使用量大，且工程安装施工量及施工费用大。信号容易衰减并容易被干扰，后期维护也多有不便。在FCS中，所有的信号被转换成标准数字信号，只需1根电缆就可把现场多达几十个的子站连接起来，进而能够非常便捷地把现场信号传送到控制室监控设备上，降低了成本，又便于安装和维护。同时数字化的数据传输使系统具有很高的传输速度和很强的抗干扰能力，这样控制系统仅仅通过这1根电缆就能够与多个现场设备快速、准确地交换更多信息。

3）高度智能化。传统的DCS使用相对集中的控制站，其控制站由CPU单元和输入/输出单元等组成。现场总线控制系统则将DCS的控制站功能彻底分散到现场控制设备，仅靠现场总线设备就可以实现自动控制的基本功能，如数据采集与补偿、PID运算和控制、设备自校验和自诊断等功能。系统的操作员可以在控制室实现远程监控，设定或调整现场设备的运行参数，还能借助现场设备的自诊断功能对故障进行定位和诊断。比如，在RTR项目中使用SIMOCODE ES软件就能实现在控制室ES上对SIMOCODE马达保护器进行参数设置、故障诊断等，使用PDM软件就能对所有的PA仪表进行参数设置、故障诊断等，十分方便。

5 结语

该控制系统已于2018年5月成功应用于RTR项目，保证了生产安全、高效、稳定运行。投入运行以来，效果良好，受到用户的好评。此系统为今后控制系统设计提供了一种解决方案，具有较高的借鉴推广价值。