PM 904F控制器在水泥厂DCS多种网络通讯的应用

李金明，王锋

1 前言

随着计算机集成技术、控制技术、通讯技术及微电子技术的迅速发展，大型水泥工厂的网络化及信息化应用日趋成熟。水泥工厂各车间电力室及现场的电气自动化控制设备与中控室DCS 系统的数据通讯必不可少，其种类繁多且各自支持的硬件接口和网络通讯协议不尽相同，这就要求DCS系统的PLC控制器需具有强大且可靠的网络拓扑功能，并能支持多种硬件接口和网络通讯协议。

Freelance 是 ABB 公司推出的一套 DCS 系统软件，其基于上下位工程一体化数据库设计，编程界面简易直观，方便用户学习使用；结构设计简单实用，对计算机软硬件要求不高，可直接在普通计算机上安装运行，方便用户安装、组态、调试和维护；PM 900系列控制器与I/O模块采用更加紧凑的结构设计，可安装在普通的DN35导轨上，不需要特殊的底板和插接件连接，可节省硬件成本，且易于I/O模块的扩展与替换。

2 PM 904F控制器的开发及功能介绍

2.1 PM 904F控制器的开发

2019 年 5 月 ，ABB 公 司 发 布 了 最 新 的Freelance Engineering 2019 版系统软件及功能强大的新型PM 904F 控制器。Freelance 系统软件由Freelance Engineering 和 Freelance Operations 构成，PM 904F控制器由Freelance Engineering组态编程。新版系统软件具有深度增强的可扩展性、可连接性及安全兼容性。2019 版Freelance Operations 扩展和支持多屏显示，一台操作员站最多可以连接4台显示屏，可以在不同的屏幕上分别显示程序执行状态流程、生产工艺流程图、报警信息记录、趋势归档等信息，极大方便了生产过程监控和中控操作工作。支持4 台显示屏的Freelance Operations 如图1所示（需计算机硬件接口支持），PM 904F控制器如图2所示。

图1 支持4台显示屏的Freelance Operations

图2 PM 904F控制器

PM 904F 控制器采用 800MHz 时钟 Power PC，基于RISC 架构设计开发，控制器总内存达48MB，其内部寻址运算和指令执行效率高、速度快。此外，PM 904F 控制器具有NVData 功能（非易失性数据存储），可永久存储数据变量，可保证控制器在冷启动或长时间掉电后，数据变量不会丢失，利于长期保存水泥厂生产过程中的重要参数数据。

2.2 PM 904F控制器的功能介绍

单台PM 904F 控制器在典型流程工业过程控制中约能带2 000 I/O Points，此外，通过集成或左侧插槽可配置以下总线模块接口：

（1）内置SD 卡插槽，通过配置SD 卡可以实现软件备份及硬件更新。用户可直接备份或恢复整个工程文件，包括所有的图形显示、组态逻辑程序及现场设备参数数据。

（2）集成4 个可自由配置的10/100M 以太网接口（RJ45）。 1 个 用 于 Control Net，与 安 装 有Freelance Operations 的上位计算机进行数据通讯，组成工厂分布式控制系统（DCS）；1 个用于Redundancy Link，用于 2 台 PM 904F 控制器之间的冗余通讯；2 个用于 TCP/IP 或 Modbus TCP/IP 及IEC60870-5-104 Telecontrol通信协议，支持系统总线的冗余，用于与第三方PLC、网关等设备的通讯连接。

（3）集成 2 个 RS232 或 RS485 串行端口，支持Modbus RTU/ASCII 或 IEC60870-5-101 通信协议，作为Modbus 主站，可与带有RS485 接口的PLC 控制器、多功能电量表、温度巡检仪等设备进行通讯连接。

（4）最多支持4 个插槽，用于Profibus-DP V0/V1 或CAN 总线通信接口。其典型应用之一是，配置CI 930F作为Profibus-DP 冗余主站通信模块，连接 CI 840A 及 S800 I/O 模块，构成 Profibus-DP 冗余总线网络；或配置CI 773F作为Profibus-DP 非冗余主站通信模块，连接CI 801 以及S800 I/O 模块，组成Profibus DP非冗余总线网络；也可连接其他第三方支持Profibus-DP 协议的从站设备（如SIMATIC ET200M/ET200S/ET200SP 系列 I/O 模块、魏德米勒UR20系列远程I/O及各类国产远程I/O模块等）；可配置拥有3 个CAN Bus 通道接口的CI 910F CAN Bus（符合ISO/DIN 11898、CAN2.0 标准）模块，用于连接Freelance Rack Based I/O模块。

（5）集成的DIAG 诊断接口可通过计算机对控制器进行深层次诊断与维护。

（6）工厂终端操作级网络由现场过程控制级总线网络、Freelance Engineering 工程师站计算机、Freelance Operations操作员站计算机组成，其中，现场过程控制级总线网络主要包括PM 904F控制器、S800 I/O模块、变频驱动器VFD、现场操作屏OP、智能开关柜MNS、智能马达控制器、过程自动化仪表等，工厂终端操作级网络如图3所示。

图3 工厂终端操作级网络示意图

3 PM 904F控制器在水泥厂网络总线系统的应用

由天津水泥工业设计研究院有限公司总承包的南方水泥某项目为国内水泥节能减排示范线项目，对工厂自动化控制系统网络化、信息化、智能化水平要求较高，对除极少数没有总线通讯接口的电气设备采用硬接线、点对点通讯外，其他电气设备均采用网络总线通讯。经多次技术澄清和方案论证后，确定了基于PM 904F控制器的全厂网络总线系统设计及实施方案。基于PM 904F 控制器的网络总线系统设计方案如下：

（1）PM 904F 控制器左侧配置 4 块 CI 773F Profibus 主站模块，1路CI 773F通过Profibus-DP 协议挂接S800 I/O模块，对本车间采用硬接线点对点控制的电气设备进行控制；1 路CI 773F 通过Profibus-DP 协议挂接智能马达控制器，对本车间所有智能马达控制器进行数据通讯和控制；1路CI 773F 通过Profibus-DP 协议挂接变频驱动器、软启动驱动器、数据协议转换网关和Sub-PLC 设备，对本车间所有变频驱动器、软启动驱动器、Sub-PLC设备进行数据通讯和控制；1 路CI 773F 通过Profibus-DP/PA 耦合器挂接支持Profibus-PA 协议的现场温度、压力自动化仪表。

其中，i和t分别表示样本城市和时间；CP、HP和LP分别表示物价、房价和地价；WI、RI、PS和FR分别表示工资收入、房地产住宅投资、人口规模和财政收入；CPi,t-2、HPi,t-2和LPi,t-2分别表示物价、房价和地价的二阶滞后项，滞后阶数是根据AIC准则确定的模型最佳滞后阶数；uit、ξit和vit分别表示对应方程的随机扰动项；α0、α1、α2、α3，β0、β1、β2、β3、β4，γ0、γ1、γ2和γ3为各方程的待估系数。

（2）PM 904F 控制器集成的以太网接口作为Modbus TCP/IP Server，与第三方支持Modbus TCP/IP 协议的Sub-PLC 进行数据通讯，如，与自动化取样控制器、智能化验室的施耐德Quantum CPU 及M340 CPU、M580 CPU等自动化系统设备进行数据通讯，与石灰石、辅料堆取料机的西门子1200PLC与1500PLC 进行数据通讯（目前，西门子TIA 博图系列1200PLC/1500PLC 集成的RJ-45 网口均支持Modbus TCP/IP 协议及 Profinet 协议，PM 904F 控制器既可作为MBTCP Server，也可作为MBTCP Client，与1200PLC/1500PLC进行数据交互）。

（3）PM 904F 控制器集成的 2 个 RS485 串行端口作为Modbus RTU 主站，与各车间电力室中低压配电系统中的多功能电量表、胶带输送机检测仪、空压机控制器、现场设备温度巡检仪等支持Modbus RTU协议的设备进行数据通讯。

（4）通过Freelance OPC 接口与生料在线分析仪配料系统、生料水泥在线粒度检测仪系统、余热发电控制系统、生产管理信息系统、智能优化APC服务器等进行设备数据交互。

（5）该项目DCS 系统网络拓扑图如图4 所示。对于工艺复杂、总线设备多、数据通讯量大的水泥厂原料调配及辅料预均化堆场、原料粉磨、烧成窑尾、烧成窑头，其现场控制站分别采用新型PM 904F控制器；对于总线设备少、数据通讯量小的石灰石破碎、石灰石预均化堆场、煤粉制备及公用电力室现场控制站，仍采用较为经济的PM 902F控制器。Freelance Engineering 部分控制站硬件组态如图5所示。

图4 南方水泥某项目DCS系统网络拓扑图

图5 Freelance Engineering 部分控制站硬件组态

4 PM 904F控制器的运行效果

自项目投产以来，PM 904F控制器以其充裕的程序运行内存、强大的带I/O Points 能力和优异的网络总线通讯处理功能，程序逻辑执行与网络总线通讯数据交换运行稳定可靠，DCS系统运行状况良好。PM 904F控制器支持多种网络通讯控制方式，与传统的I/O硬接线、点对点控制方式相比，有以下优点：

（1）降低了投资。总线网络通讯替代了大量控制电缆，减少了电缆采购与电缆敷设施工费用，安装接线简单，后期维护方便，节省了大量的人力物力，降低了项目投资和后期维护费用。

（2）系统可靠性高。网络总线替代了绝大部分控制信号电缆和硬接线，大量减少了DCS I/O 柜内的中间继电器、信号隔离器和I/O模块，降低了电气控制回路各元器件之间电缆接线松动、虚接、老化等造成的系统故障点，提高了系统可靠性。

（3）数据通讯量大。通过总线网络通讯与各自动化设备进行数据交换，数据信息交换量不再受制于控制电缆数量和硬件模块成本；同时，PM 904F控制器具有充裕的运行内存和强大的网络通讯处理能力，可以将过程设备中的大量模拟量数据和相关故障报警信息传送至工厂DCS，实现工厂DCS系统对生产线所有电气自动化设备的全方位、全信息实时监控。

（4）操作监控方便简洁。2019 版Freelance Operations 支持最多4 个屏幕显示，生产操作中操作员可通过4个操作屏幕同时监控生产流程画面、设备报警记录和运行数据趋势记录，节省了操作时间，提高了操作效率，减少了在不同流程画面之间切换屏幕可能造成的误操作，有利于生产的安全和稳定运行。