对基于现场总线技术的水泥工业自动化控制系统分析

饶 锐

(安徽广德南方水泥有限公司， 安徽 宣城 313199）

0 前言

作为建筑业不可或缺的原材料，我国长期保持水泥需求高增长态势，但在资源节约型、环境友好型社会的不断创建中，资源消耗大、环境污染严重的水泥生产行业开始受到政府的严格监管，生产技术和设备的更新改造也因此成为水泥生产企业的生存与发展关键，由此可见本文研究具备的较高现实意义。

1 现场总线技术概述

所谓现场总线，指的是在生产现场、在微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统，其本质上属于多点通信、数字化、开放化的底层控制网络。不同于传统的现场级自动化监控系统，现场总线技术能够连接带有通信接口的智能化设备，通信电缆的数字化信号也能够代替4—20mA/24VDC信号，现场设备的监测、控制、远程参数化均可由此实现。现场总线技术具备系统为开放式、具有互可操作性与互用性、系统结构高度分散性、现场环境强适应性、赋予现场设备智能化与功能自治性、成本低、性能高等特点[1]。

现场总线技术存在多种类型，如基金会现场总线、CAN、Lonworks、DeviceNet、PROFIBUS、HART、CC-Link、WorldFIP、INTERBUS等，本文研究选择了 PROFIBUS现场总线，该现场总线技术由Siemens开发，具备开放化、国际化、不依赖于设备生产商现场总线标准等特点，PROFIBUS-DP、PROFIBUS-FMS、PROFIBUS-PA属于该技术的具体构成。PROFIBUS提供光纤传输、DPR的RS485传输、FMS的RS485传输，协议则参考了ISO7498国际标准，参考模型则选择了开放式系统互联网络。

2 基于现场总线技术的水泥工业自动化控制系统

本文选择了某地S水泥生产企业的4号窑作为研究对象，该水泥生产线采用了干式混合法工艺，产量为1000t/d，由于同时拥有料浆破碎均化系统、分解炉多级锻烧系统，水泥生产线对自动化控制提出了较高挑战。

2.1 控制方案设计

由于S企业4号窑水泥生产线原建有DCS控制系统，因此设计人员在充分了解生产线自动化控制系统现状、水泥工艺特点后提出了改造式的设计方案，通过结合原有的DCS系统、现场总线技术、PLC控制，即可满足水泥生产线的自动化控制需求。现场总线技术的应用可弥补DCS开放性差、布线复杂等缺陷，PLC具备的配置灵活、价格便宜、可靠性高特点也能够较好服务于水泥工业现场控制，三者由此实现的优势互补、取长补短理应得到重视。因此，设计人员在水泥生产线数据量较大设备区域采用了现场总线技术，DCS分布式控制则用于测控点较为分散区域，现场总线技术的特点和优势由此可实现最大化发挥，信号测量、传输、控制的精度也能够由此得到较好保障，由于原有DCS系统的控制设备、仪表大多可继续使用，这便实现了经济性较高的水泥工业自动化控制改造，控制系统的运行可靠性也由此得到了较好保障[2]。

深入考虑水泥生产工艺特点以及控制要求后，设计人员最终选择了以太网作为主干网，下位机主控制器选择了 PLC，PLC与现场智能控制设备的连接使用PROFIBUS，上位机部分采用TCP/CP通信协议，由此即可满足车间级与厂级上层网络连接需要。自动化控制系统采用了以太网和现场总线混合型结构，PROFIBUSUS-DP主从协议用于现场层通信，传输介质选择了屏蔽双绞线，接口模块或耦合器负责不同的子网和不同介质间连接。过程监控层使用以太网协议，通信协议的转换使用带有双网卡的PLC，一张为以太网卡、一张为PROFIBUSUS-DP网卡，由此PLC即可同时作为以太网站点和现场总线上的一个站，数据交换、现场控制参数传输由此即可得到较好保障。生产管理层采用了TCP/CP通信协议，服务器带有两块网卡，分别负责与其他局域网连接、监控层之间的数据传输，控制生产的以太网由此即可得到较好隔离。

2.2 总体方案设计

通过反复研究、论证，设计人员最终选择了西门子公司的自动化控制系统进行技术改造，由此即可建立基于PROFIBUS现场总线网络、DCS组态、PLC控制的分散控制与集中管理系统，具体设计由西门子 S7-1500系列 PLC、PROFIBUS现场总线网络、SINEC H1工业以太网、WINCC过程监控软件等组成。生产控制部分可细分为中控操作监视、现场控制两部分，中控操作监视由 4个操作员站、1个工程师站构成，现场控制由多个RBC远程站与2个PLC主站构成，由此实现了工况监视、过程控制、程序编制为一体。系统采集点数量为1075个，包括46个PROFIBUS-PA点、22个PROFIBUS-DP点、14个RTD输入点、25个模拟量AO输出点、179个模拟量AI输入点、263个开关量DO输出点、526个开关量DI输入点。系统具备数据采集和处理、故障报警及故障记录、实时及历史趋势曲线显示、工艺流程图画面显示、PID回路控制及参数修改、各种给定操作回路控制、阀门控制、逻辑运算和顺序控制等功能[3]。

2.3 具体设计

水泥工业自动化控制系统可细分为现场控制部分、中央控制部分、以及软硬件控制部分，具体设计如下：（1）现场控制部分。为缩短PLC与电气元件的信号电缆距离，在生产车间的电力室内设置现场控制站，以此实现对电流、电压、温度、压力、配比、阀位、流量、料位等过程量的控制，具体可细分为生料控制站、窑系统控制站。现场共设置 22台基于 PROFIBUS-DP的自动化测控装置、46台PROFIBUS-PA仪表、4条PROFIBUS-DP总线、7条PROFIBUS-PA总线。（2）中央控制部分。作为自动化系统的中枢，该部分主要由不间断电源、工程师站、操作员站组成，其中电源为GAMATRONIC公司的3.6KVA不间断电源。（3）软硬件控制部分。软件由工程师站、操作员站、WINCC软件、TISOFT监控软件组成，采用梯形图组态方式。硬件包括电源模块、CPU模块、通讯模块、开关量输入模块、开关量输出模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块、RTD模块、继电器输出模块等，通信采用了WINCC提供的通道单元及驱动程序。

2.4 生产控制方法

生产工艺控制可细分为三个部分，分别为生料制备系统、回转窑系统、煤粉制备系统，以煤粉制备系统为例，该系统主要控制设备包括斗式提升机、螺旋输送机、收尘器反吹风机、起动信号、圆盘喂料机机、磨主电机机等，而结合生产实际，该控制系统选择了模糊控制方法，由此即可较好满足水泥生产需要。

3 结论

综上所述，现场总线技术可较好服务于水泥工业自动化控制系统，在此基础上，本文涉及的控制方案设计、总体方案设计、具体设计、生产控制方法等内容，则提供了可行性较高的现场总线技术应用路径，而为了进一步提高水泥工业自动化控制水平，大数据技术的应用、国际标准的确定同样需要得到重视。