基于现场总线技术的工厂Web网络集成

1 现场总线技术的发展

   控制技术、计算机技术、通讯技术与网络技术的发展，使得自动化系统的结构发生了变革， 现场总线技术正是这种变革的产物。由于市场的驱动，世界各大控制系统厂家都相继开发了  各自的现场总线产品。为了规范其标准，IEC近期已通过了IEC61158现场总线国际标准，它  包括：IEC61158TS、ControlNet、Profibus、P-Net、FF-HSE、SwiftNet、WorldFIP、Inter  bus、FF-H1等。几种标准类型的现场总线，实际上也构成了几种现场总线控制系统体系结构，也都有多家控  制系统公司产品支持。由于各厂家对现场总线产品开发时还会要保护自己过去的投资利益，  因此各厂家现场总线产品也就各有其应用领域专长，这也使得我们在应用现场总线设备或系  统时，要充分考虑对象的实际特点，来合理选择系统，以最大限度地发挥其优势作用。

2 实际对象分析

   本文讨论的对象是一个冶炼与烟气制酸过程，它包括锌沸腾焙烧、铅烧结，以及两个冶炼过 程的烟气混合后经Monsanto动力波洗涤再送Toposo  WSA工艺制酸。其工艺流程较长，设备布 置的地域分布较广，虽然锌的焙烧过程、铅的烧结过程以及烟气的洗涤与制酸过程都有一定 的  内部控制要求，但由于是将两个冶炼过程的烟气混合后制酸，流程中哪一个工序的变化都会 对其他工序有密切影响，因此这是一个紧密联锁关系的长流程，流程中许多工序如动力波  洗涤和WSA制酸等，其内部设备的联锁保护与工艺参数密切相关，这要求电气设备控制 与工艺仪表监控必须统一考虑，基于上述的情形，可归纳为以下需求：

①由于各工艺内部联锁控制与仪表参数控制的关系密切，因而要求工艺控制过程中电仪一体化;

②由于该流程是在老厂房内进行配置，许多设备或控制室的布置只能利用原厂区的空地或原建筑物结构，使得主控室、操作室、配电室与工艺设备距离较远，且不规范，为布线工程的  考虑要求仪表控制和电气控制现场总线化;

③由于整个工艺流程较长，且各工序间具有紧密联锁要求，因此要求整个控制和管理网络化。

    对于上述需求下的控制系统配置，显然用前节中所提及的任何一种现场总线结构都难以完全满足要求，这就需要根据具体情况来作具体配置，我们对各现场总线国际标准系统结构和对  象需求进行分析和比较如下： ①过程级现场总线类仪表，基于FF(H1)总线的产品相对较多，可选择的余地较大，我们选择FF现场  总线仪表;就电气设备而言，基于Profibus D/P总线、DeviceNet总线、以及Interbus总线  的产品相对较多，但智能型电气设备多集中于Profibus D/P总线和DeviceNet总线，考虑到P rofibus  D/P总线上不仅可挂分散I/O、智能电气设备，而且能挂从站型的PLC，这样给系统 的配置带来了更大的灵活性，我们选择Profibus  D/P总线作为电气控制总线。

    控制功能的分配，将具有较复杂运算功能要求的模拟量监控或与工艺控制有关的状态信号，由FF(H1)总线上的控制回路实现。对具有强联锁关系的电气设备控制，出于速度和可靠  性考虑，选择PLC作控制器进行控制，对于一些用于设备联锁或保护的模拟量信号也由PLC进 行控制。尽可能地将回路控制功能分配到总线设备上，我们对总线输出设备(即阀门定位器)分配PI  D功能，这就使得控制真正分散，对于少量分散的不具有总输入功能的设备，则选择第三方 厂家的具有FF(H1)总线接口的分散I/O来进行数据采集。

   在Profbus D/P总线上，基于电气设备尽量接近动力电源的考虑，将PLC的分散I/O置于现场  配电间或主体设备处，而将PLC主站置于主控室以便于通讯调试等。对自成体系的小系统或 设备，则使用PLC从站而置于主体设备处附近。

②监控级

    在这一级上可选的网络产品有：通用工业控制以太网、高速以太网HSE(尚无可选产品)、C  ontrolNet网、以及Profibus-FMS网等。由于本对象地域分布较广，因而我们选择工业控制 以太网，对于Profibus  D/P总线上的PLC主站控制器和FF(H1)总线上通讯控制器之间的通 讯，考虑因高速以太网尚无定型产品，出于对通用以太网处理高速通讯时在可靠性方面的考  虑，我们用Modbus(RTU)来实现两者间的通讯，同时采用客户机/服务器(Client/Server  )模式进行网络服务和管理，在考虑与信息层进行数据交换时，在服务器内配置了带OPC的 控制管理软件。

3 系统集成

    从本对象的工艺流程及工艺设备与操作控制室的布置情况来看，系统构成时需按几段工序集  中站点考虑，即按Web站思路布局，系统总监控点在1700余点，系统FF设备近190台。控制系  统构筑如图2所示。这里我尝试且实现了多厂家控制设备与现场总线设备的集成。H1总线上 的总线设备主要采用了Emerson Procese Management  的3051压力或差压变送器，3244与848  T温度变送器，DVC5010F与DVC5030F阀门定位器，Smar的FY302阀门定位器，YOKOGAWA的EJA1 10A差压变送器，E+H的Pormag  53p电磁流量计等。电气控制采用Si emens的S7-300主站PLC， 配置Profibus DP总线。在Profibus  DP总线上集成有Siemens的S7-300从站PLC、S7-200从站  PLC、HMI、智能分散I/O、6SE71智能变频器、以及ABB的ACS600智能变频器等。上位监控与 管理采用Emerson Procese  Management的DeltaV来实现，Delta V总线控制器与S7-300PLC通  过Modbus(RTU)通讯，各控制站间的通讯采用工业以太网及12端口双速(10M/100M)光纤通  讯口Hub完成。多种控制产品的集成是通过操作站软件、现场总线装置数据库、以及相应的  应用软件等来实现，并用增强型专业工作站软件进行系统网络服务管理。这样除各子站之间  实现相互的联锁控制之外还可提供操作信息的相互浏览，由于大量采用现场总线设备，这使  得基础过程设备的参数可在操作站上实现透明的Web浏览和参数的互操作，同时还配有OPC远  程服务软件来实现与上层网络的通讯，向工厂的管理网提供过程操作与数据趋势的信息浏览服务。

    系统的操作主要集中在4个控制室、对于监视站布置还考虑了2个分厂办公室。

沸腾炉控制室，主要监控沸腾焙烧过程、余热锅炉及收尘等流程，设置2台操作站，1台工程  师站，设置现场网络控制与管理站，PLC主站，对本控制站部分散的AI点从经济角度考虑， 采用Siemens分散AI模块，通过Profibus  D/P总线送进系统处理。另外从本站通过光缆与在 分厂办公室的工作站相连，以实现运方监视。对于沸腾炉温度的监控采用Emerson Porcess  Management 公司最新推出的848T总线型多点温度变送器实现。                          

    锌精矿干燥控制室，主要处理DI与DO及顺控逻辑，采用Siemens的S7-300PLC来实现监控，在 上位机上配置Citect  5.13工业监控软件来实现本站监控信号的集成并通过Modus(RTU)与沸 腾炉通讯控制器控制进行通讯。

铅烧结控制室，监控铅烧结过程与动力波净化过程，设置2台操作站，1台工作站同时兼作整  个系统的网络服务器。1台现场网络控制与管理站，2台PLC主站，同样部分分散的AI信号也 是通过Profibus D/P总线上的远程I/O采集，在Profibus  D/P总线还带有几台现场人机接口 装置(HM1)，设置在现场操作间作为现场操作用。

    铅配料控制室，主要控制就近的配料秤信号和变频给料信号，是利用原有的设备，因而采用 AI与AO模块控制器。

    WSA制酸工序控制室，设置2台操作站，1台工程师站，1台现场网络控制管理站、1台PLC主站  、对一些分散但独立的工序，如液化气站、加热锅炉、高压风机等，通过设置在当地的PLC 从站进行监控制，再经Profibus  D/P总线将信号送入上位机进行监控。

4 采用现场总线与Web网的优点

由于本对象的测控点较为分散，特别适合现场总线技术的应用，加之是几段紧密相关又相对 独立的工艺，用Web技术尤显其优势，具体有如下几个方面：

①大大减少了现场连接电缆和配线板的数量。

由于采用H1总线，总线输入设备和输出设备较模拟量设备平均每台增加费用40%，但现场电  缆费用则减少80%，由于采用ProfibusD/P总线，使得电气设备的控制电缆也大幅度减少。加  上电缆敷设费，后期维护费的相应减少，控制系统总拥有成本大幅降低。

②减少了系统输入/输出转换器的个数

现场总线设备是基于数字信号传输，省出了转换器，因而减少了中间环节，也减少了故障发 生点。

③减少了电源和机柜的数量

每个控制室只需一个机柜来放置电源、系统模件(包括PLC模件)等，且机柜内仍有一定空 间，线路简捷整齐，维护十分方便。

④减少设备室的面积

由于系统机柜少，设备简单，因而设备室的面积也大为减小，降低了工程造价，也 方便了操作间的布置。