總線控制系統(tǒng)在銅鈷尾礦復(fù)墾項(xiàng)目的應(yīng)用

劉振民

（江西瑞林電氣自動化有限公司，江西南昌 330038）

現(xiàn)場總線是許多工業(yè)用通訊協(xié)議的總稱，具備雙向、多站點(diǎn)、總線式、全數(shù)字化的特點(diǎn)?，F(xiàn)場總線主要解決工業(yè)現(xiàn)場的智能化儀器儀表、控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等現(xiàn)場設(shè)備間的數(shù)字通信以及這些現(xiàn)場控制設(shè)備和高級控制系統(tǒng)之間的信息傳遞問題。它的出現(xiàn)使傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了革命性的變化，使自控系統(tǒng)朝著“智能化、數(shù)字化、信息化、網(wǎng)絡(luò)化、分散化”的方向進(jìn)一步邁進(jìn)。分散在各個工業(yè)現(xiàn)場的智能儀表、設(shè)備通過現(xiàn)場總線連為一體，并與控制室中的控制器和監(jiān)視器一起共同構(gòu)成現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS（Fieldbus Control System）。

1 PROFIBUS現(xiàn)場總線概述

PROFIBUS是目前國際上通用的開放式現(xiàn)場總線之一，已納入現(xiàn)場總線的國際標(biāo)準(zhǔn)IEC 61158和歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 50170，并于2006年被定為中國的國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 20540-2006。PROFIBUS現(xiàn)場總線協(xié)議是1個協(xié)議簇，包含PROFIBUS-FMS、PROFIBUSDP和PROFIBUS-PA。其中，PROFIBUS-FMS是用于大范圍、多主通信的通用通信協(xié)議，適合用于數(shù)據(jù)傳輸量較大，但對通信時(shí)間要求不太高的場合，數(shù)據(jù)傳輸速率為1.5 Mbps，其采用RS 485或光纖數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。PROFIBUS-DP是結(jié)構(gòu)相對精簡但可提供較高的通信速率和可靠通信質(zhì)量的通信協(xié)議，最高可達(dá)12 Mbps，其采用RS 485或光纖數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。PROFIBUS-PA是專為過程自動化設(shè)計(jì)的協(xié)議，主要用于對安全性要求較高的場合及需由總線供電的應(yīng)用，其采用標(biāo)準(zhǔn)的IEC 1158-2傳輸技術(shù)，傳輸速率為31.25 kbps。

2 項(xiàng)目應(yīng)用介紹

某銅鈷尾礦復(fù)墾項(xiàng)目是歐亞資源集團(tuán)ERG在南非子公司Metalkol SA的1個尾礦復(fù)墾回收銅和鈷的選礦和濕法冶金項(xiàng)目，位于剛果（金）民主共和國Katanga省Kolwezi鎮(zhèn)。項(xiàng)目資源來自2個尾礦庫（Kingamyambo和Musonoi），是某銅鈷礦選廠于1952-1997年生產(chǎn)銅精礦所產(chǎn)生的尾礦，這些尾礦仍含有銅和鈷并可經(jīng)濟(jì)回收。采用“攪拌浸出—萃取—電積”濕法冶煉工藝生產(chǎn)陰極銅、氫氧化鈷產(chǎn)品。按照主工藝流程可分為尾礦回收、攪拌浸出、逆流洗滌、萃取、銅電積、鈷沉淀、殘?jiān)幚?、石灰乳制備等工段。針對該?xiàng)目工藝流程分布區(qū)域廣、過程儀表類型和數(shù)量多、電機(jī)全部采用變頻器和馬達(dá)保護(hù)器控制的特點(diǎn)設(shè)計(jì)并實(shí)施了1套基于PROFIBUS現(xiàn)場總線的總線控制系統(tǒng)。

3 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該總線控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 總線控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該控制系統(tǒng)為了保證系統(tǒng)可靠性，配置2臺冗余的OS（operator system）服務(wù)器；為了擴(kuò)展生產(chǎn)數(shù)據(jù)的儲存時(shí)間，配置了1臺供長期數(shù)據(jù)儲存用的歷史數(shù)據(jù)服務(wù)器；配置了1臺OS Web服務(wù)器。這4臺服務(wù)器放置在服務(wù)器室。另外，配置了4臺OS客戶端，放置在中央控制室，用于生產(chǎn)操作。Web客戶端通過使用普通辦公電腦上的瀏覽器訪問OS Web服務(wù)器，其顯示的OS畫面和OS客戶端上的OS畫面完全一致。最多可將15個Web客戶端連接到OS Web服務(wù)器，用于工藝工程師、管理人員在其辦公室內(nèi)通過Intranet或Internet監(jiān)視生產(chǎn)和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。OS Web客戶端和OS Web服務(wù)器之間配置了防火墻，以隔離辦公網(wǎng)絡(luò)和控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，保證網(wǎng)絡(luò)安全。配置2臺工程師站ES(Engineering System)放置在服務(wù)器室，用于控制系統(tǒng)組態(tài)、控制程序開發(fā)、下載。配置 11 臺 AS（Automation systems）(AS1～AS11)，采用西門子公司的AS 410-5。控制系統(tǒng)軟件采用西門子公司PCS7V8.2。各個PLC所控制電氣、儀表設(shè)備統(tǒng)計(jì)表如表1所示。

表1 各個PLC所控制電氣、儀表設(shè)備統(tǒng)計(jì) 個

該控制系統(tǒng)控制650多臺電機(jī)設(shè)備、800多臺各式PA總線過程儀表，規(guī)模較大。如果折算成傳統(tǒng)控制系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)I/O點(diǎn)數(shù)，則遠(yuǎn)超萬點(diǎn)。該控制系統(tǒng)采用服務(wù)器客戶機(jī)結(jié)構(gòu)，3層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。3層網(wǎng)絡(luò)依次是終端總線、工廠總線、現(xiàn)場總線。

1）終端總線，連接OS服務(wù)器和OS客戶端。用以傳輸OS客戶端與OS服務(wù)器之間的通訊數(shù)據(jù)。OS客戶端本身不包含與AS之間的通訊及OS運(yùn)行畫面，所以要通過與OS服務(wù)器通訊的方式將這些數(shù)據(jù)由OS服務(wù)器發(fā)送到OS客戶端上。終端總線采用以太網(wǎng)通訊，速率是100 Mbps。

2）工廠總線，連接OS服務(wù)器和各個AS。用以傳輸AS與 AS以及AS與OS服務(wù)器之間的通訊數(shù)據(jù)。AS與AS在一些情況下需要相互通訊，比如需要將連接到某個AS的液位信號發(fā)送到另外1個AS，這時(shí)通訊鏈路使用的就是工廠總線。OS服務(wù)器通過工廠總線讀取AS的過程數(shù)據(jù)，同時(shí)將操作指令和參數(shù)發(fā)送給AS。其他成套設(shè)備自帶的PLC連接到工廠總線，采用以太網(wǎng)通訊的方式與AS或OS服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。工廠總線采用以太網(wǎng)通訊，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用光纖環(huán)網(wǎng)，速率是1 000 Mbps。OS服務(wù)器可以帶運(yùn)行界面，用作生產(chǎn)操作，也可以不帶運(yùn)行界面。大多數(shù)運(yùn)用是OS服務(wù)器自身不用作操作界面，通過OS客戶端的運(yùn)行界面來顯示和操作。這時(shí)OS服務(wù)器配置至少2個網(wǎng)卡，1個網(wǎng)卡連接在工廠總線上，用來與AS交換數(shù)據(jù)；另1個網(wǎng)卡連接在終端總線上，用來與OS客戶端交換數(shù)據(jù)。工程師站因?yàn)樾枰螺dOS服務(wù)器、OS客戶端、AS的組態(tài)配置、項(xiàng)目文件及控制程序，所以也需要同時(shí)連接終端總線、工廠總線。

3）現(xiàn)場總線，用于連接AS和現(xiàn)場設(shè)備。該控制系統(tǒng)使用了PROFIBUS協(xié)議簇的2種協(xié)議，PROFIBUSDP和PROFIBUS-PA。PROFIBUS-DP用于連接遠(yuǎn)程I/O站、電氣設(shè)備如變頻器、馬達(dá)保護(hù)器、軟啟動器及某些采用PROFIBUS-DP通訊的第3方PLC等。對于電機(jī)設(shè)備，過去每臺電機(jī)需要1根或多根電纜連接到I/O模塊。由于采用PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線，理論上只需要1根2芯雙絞線就可以完成幾十臺電機(jī)數(shù)據(jù)通訊。實(shí)際工程應(yīng)用中每條DP總線所能連接的設(shè)備數(shù)由各個設(shè)備通訊數(shù)據(jù)量、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等因素決定。PROFIBUS-PA用于連接過程儀表如流量計(jì)、壓力表、液位計(jì)、調(diào)節(jié)閥等。如果采用4～20 mA電流等模擬量信號，每臺儀表需要1根或多根電纜連接到I/O模塊，由于采用PROFIBUS-PA現(xiàn)場總線，理論上只需1根兩芯屏蔽雙絞線可完成幾十臺儀表與AS的數(shù)據(jù)通訊及儀表供電。當(dāng)然，如果某些儀表用電需求超出PROFIBUS-PA現(xiàn)場總線供電能力，就要額外供電，比如某些電磁流量計(jì)等。實(shí)際工程應(yīng)用中每條PA總線所能連接的儀表數(shù)由儀表類型、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、支線長度等多個因素決定。

4 控制系統(tǒng)特點(diǎn)

該控制系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)較為合理，采用了分層結(jié)構(gòu)。層級劃分清晰、層級功能明確，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性和通信效率有所提高。在各個層級上通過合理配置、采用適宜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)提升了系統(tǒng)的容錯能力。該控制系統(tǒng)是基于PROFIBUS總線的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，其具備如下特點(diǎn)：

1）開放性?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）在所有的層級上都采用公開化的通信協(xié)議，遵守同一通信標(biāo)準(zhǔn)的不同廠商的設(shè)備之間可以互連及實(shí)現(xiàn)信息交換。在不同的層級上用戶都可以靈活選用不同廠商的現(xiàn)場總線產(chǎn)品來組成實(shí)際的控制系統(tǒng)，包括控制器、馬達(dá)保護(hù)器、變頻器、遠(yuǎn)程I/O站及過程儀表，以達(dá)到最佳的系統(tǒng)集成。

2）先進(jìn)性。以往控制系統(tǒng)不論采用DCS還是PLC，現(xiàn)場信號還采用全硬接線的方式接入。這導(dǎo)致線纜、橋架、穿線管使用量大，且工程安裝施工量及施工費(fèi)用大。信號容易衰減并容易被干擾，后期維護(hù)也多有不便。在FCS中，所有的信號被轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字信號，只需1根電纜就可把現(xiàn)場多達(dá)幾十個的子站連接起來，進(jìn)而能夠非常便捷地把現(xiàn)場信號傳送到控制室監(jiān)控設(shè)備上，降低了成本，又便于安裝和維護(hù)。同時(shí)數(shù)字化的數(shù)據(jù)傳輸使系統(tǒng)具有很高的傳輸速度和很強(qiáng)的抗干擾能力，這樣控制系統(tǒng)僅僅通過這1根電纜就能夠與多個現(xiàn)場設(shè)備快速、準(zhǔn)確地交換更多信息。

3）高度智能化。傳統(tǒng)的DCS使用相對集中的控制站，其控制站由CPU單元和輸入/輸出單元等組成?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)則將DCS的控制站功能徹底分散到現(xiàn)場控制設(shè)備，僅靠現(xiàn)場總線設(shè)備就可以實(shí)現(xiàn)自動控制的基本功能，如數(shù)據(jù)采集與補(bǔ)償、PID運(yùn)算和控制、設(shè)備自校驗(yàn)和自診斷等功能。系統(tǒng)的操作員可以在控制室實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，設(shè)定或調(diào)整現(xiàn)場設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)，還能借助現(xiàn)場設(shè)備的自診斷功能對故障進(jìn)行定位和診斷。比如，在RTR項(xiàng)目中使用SIMOCODE ES軟件就能實(shí)現(xiàn)在控制室ES上對SIMOCODE馬達(dá)保護(hù)器進(jìn)行參數(shù)設(shè)置、故障診斷等，使用PDM軟件就能對所有的PA儀表進(jìn)行參數(shù)設(shè)置、故障診斷等，十分方便。

5 結(jié)語

該控制系統(tǒng)已于2018年5月成功應(yīng)用于RTR項(xiàng)目，保證了生產(chǎn)安全、高效、穩(wěn)定運(yùn)行。投入運(yùn)行以來，效果良好，受到用戶的好評。此系統(tǒng)為今后控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了一種解決方案，具有較高的借鑒推廣價(jià)值。