现场总线在铜闪速冶炼中的应用

2020-11-28朱壮志

中国电气工程学报 2020年13期

朱壮志

摘要：铜冶炼闪速炉锅炉区域环境恶劣，温度高、含有腐蚀性气体和导电粉尘，使用传统的控制系统的设计已不能满足锅炉振打装置的使用要求，采用了现场总线技术不仅完美的解决了这一问题，还节省了投资。

关键词：工业控制网络;现场总线;振打系统

现场总线技术产生于二十世纪八十年代后期，是针对当时DCS系统开放性差且布线复杂、费用高的缺陷而开发出来的一种适用于工业环境的网络结构和网络协议，并实现传感器、控制器层的通讯①。一般把现场总线理解为一根电缆，其实从定义上可见，更确切的说法应该是一种现场控制网络。它直接面向生产过程，一般只包括ISO/OSI 7层模型中的3层：物理层、数据链路层和应用层。现场总线的接线方式简单，一对双绞线或一根电缆可以挂接多个设备，因此节省了大量的电缆、电缆桥架和附件、接线端子等，同时也减少了安装调试的工作量和费用②。现场总线还具有提高系统精度和自诊断能力、抗干扰能力强、开放性好、智能化和功能自治性、新型全分布式结构等特点，在工业应用中越来越广。本文浅谈了现场总线在铜闪速冶炼余热锅炉振打系统中的应用。

1.工艺、环境简介

某公司的余热锅炉是把闪速炉冶炼过程中产生的大量的热量利用起来产生饱和蒸汽，达到循环利用、节能降耗的目的。振打装置则是给余热锅炉定期循环除垢的设备。随着公司的扩建，需要新增一台余热锅炉和改造现有的振打装置。

余热锅炉周边的环境十分恶劣：

（1）所有设备都是露天安装;

（2）锅炉热辐射使环境温度较高，最高可达到60多摄氏度;

（3）空气中含有少量的SO2、SO3等腐蚀性气体;

（4）有导电性的粉尘;

（5）钢结构平台，荷载有限，难以承受新增电缆;

（6）现场设备安装状况复杂，各种电缆及用电设备会产生一定的交叉干扰。

这些都是传统控制方式难以克服的困难。

设备分散在锅炉各层，同时局部相对集中，非常适合用现场总线。

2系统设计选型及特点

现有的余热锅炉控制系统采用的是传统的控制方式：美国AB公司的PLC5/40位于中控室内，输入、输出信号通过控制电缆敷设至中控室，仅控制电缆敷设就有上百根。

这次改造相关的振打设备有172台，每台设备需要4个DI和1个DO，点数多且相对比较集中，从技术和经济上综合比较，最终选用了图尔克公司的现场总线产品。

2.1系统结构

虽然信号数量比较多，但考虑到所有的信号都是开关量，设备也是按照规律顺序动作，现有的PLC5/40完全能满足要求，而且DeviceNet是一个开放的网络标准，同时公司还有PLC5备件，所以继续保留了现有的PLC5。DeviceNet扫描器则选择了双口的1771-SDN。

上位机采用AB公司RsView32软件实现动态画面组态，实现整个锅炉振打系统的集中控制、故障报警、报表打印等功能。上位机通过DH+网与PLC相连，通过以太网与上层系统相连。

现场总线采用Turck公司的EDS组态软件对总线模块进行组态编程。

整个系统分三条网络，总线拓扑结构是线性结构加短分支结构。

1、2两条网络的每台振打设备全为4点开关量输入，1点开关量输出。第3条网络振打设备为3点开关量输入，1点开关量输出。网络1控制66个振打设备，网络2控制66个振打设备，网络3控制40个振打设备，每条网直接连接到CPU后面的扫描卡上，考虑到第3条网络现场长度较长，通过加中继器来延长总线传输距离，每增加1个中继器，DeviceNet网络最多延伸400米，DeviceNet通訊速率超过400米距离是125kbps。

总线模块有点保护和组保护两种，采用了“点保护”方式。这样各模板上的点相互独立，不会因为其它点的故障而导致多个系统的停止运行，符合了生产的需要。由于现场设备分布不是绝对平均，选择固定I/O点数的模块将导致大量的浪费，按现场绝对情况选择又会导致模块种类较多，增加备件费用和数量，所以最终选择了可编程自定义输入输出点的16点模块，采用全灌封技术，拥有良好的抗拉伸、振动、防水和抗电磁干扰能力，工作温度可以达到70℃防护等级达到IP67，其拥有较强的故障自诊断能力，可以针对每个输入/输出点进行诊断和保护，实时LED显示使设备维护人员能够准确地发现和排除故障，使非专业人员进行现场维护成为可能。

16点的图尔克FDNP-XSG16-TT这一款型模块可以同时控制三台振打设备，一个控制箱内只放一个模块。因现场独个模块控制一台电机的情况仅为三处，现场振打设备一台、二台、三台全部选用一个模块进行控制，每个模块都有备用点，当输入或输出点出现故障时，可以将该点移到模块的另一个通道上，同时在软件中将地址更改即可。每个模块通过总线T型头将整条网络并联，就可以在更换模块时不影响网络中其它模块的正常运行;由于网络距离较长，为防止压降，集中使用西门子电源给总线供电，每隔5个模块一个电源。

2.2 系统的特点

由于生产的特殊性，电气控制系统采用分散式控制方式。分现场控制系统与上位机中央控制系统两大部份。现场控制系统与中央控制系统通过DH+网络进行数据交换（通讯）。传统PLC控制系统通常是将所有控制设备的信号通过电缆采用硬接线连接至中央控制室PLC I/O模块上，通过CPU再对I/O模块上输入、输出点进行寻址访问。由于采用的是电缆硬接线，加之电缆敷设距离长且现场环境恶劣，这样，控制系统的可靠性势必会大大降低，就会经常出现故障并产生误动作。如果出现故障，现场人员很难发现故障的产生地点，而要找出故障原因、地点势必又会增加检维护人员的工作量。而且控制系统在安装调试时电缆校验的工作量非常大。现场总线控制技术是将现场所有信号就近接至安装在现场的总线输入/输出模块上，通过总线产品如T型分支器、电源分配器及总线附件等用总线电缆将它们连接起来，最后只有一根通讯电缆敷设至中央控制室PLC的扫描器模块上，节省了大量的电缆。由于采用的是现场总线控制技术，其网络化的结构适合于现场设备与更高控制管理层通讯的要求;设计、施工及安装调试周期可相应缩短。现场总线输入/输出模块可安装在生产线本体上，其自身具有很强的故障自诊断能力，每个模块的通讯故障、供电故障以及模块的每个输入/输出点的短路（断路）故障都可以在模块上实时地显示出来。即减轻了维修人员的工作量又使系统的可靠性大大提高。以上所述就是现场总线控制技术与传统控制在设计应用中的最大不同。

设计采用上位机替代传统模拟屏在中央控制室对各个系统进行控制、管理。可以实现：a）实时画面监视，通过多级画面和图表相结合的方式，分层次描述实时控制过程;b）实时操作，在画面监视过程中，通过对画面的干预，可对整个控制过程进行实时操作，并能给出适当的操作指导;c）信息的存储与报告，能对信息进行存储，可供决策时参考。这样做可使系统具有更高的可靠性、灵活性和适应性。

3总结

目前，这套系统已运行了多年，整套系统运行安全可靠，时间证明了设计选型的正确性。

这套现场总线控制技术与传统控制技术相比具有：

1）投资节省了30%。

2）设计简单、安装调试方便，保证了改造总体进度。

3）故障率低，维护费用大幅的减少，维护、检修停工时间减少约70%，保证了锅炉设备处于良好运行状态中。

4）电源电缆和网络电缆分开，抗干扰能力强。

5）自动诊断、显示故障位置。使操作、维护人员可以迅速发现系统的各种故障位置和状态并排除故障。

6）开放式的总线系统，可以自由选择不同厂商所提供的设备来集成系统。避免因选择了某一品牌的产品而被“框死”了使用设备的选择范围，也不会为系统集成中不兼容的协议，接口而一筹莫展。使系统集成过程中的主动权牢牢掌握在用户手中。

由此可见，工业现场总线控制方式与传统的控制方式相比在信息集成能力、系统的开放性、互换性、控制的可靠性和系统的可维护性等多个方面有了很大改善。工业现场总线控制方式取代传统离散控制方式是一种必然的发展趋势。

参考文献

[1]《工业控制网络与现场总线技术》，陈在平岳有军编著;