李金明，王鋒

1 前言

隨著計(jì)算機(jī)集成技術(shù)、控制技術(shù)、通訊技術(shù)及微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，大型水泥工廠的網(wǎng)絡(luò)化及信息化應(yīng)用日趨成熟。水泥工廠各車(chē)間電力室及現(xiàn)場(chǎng)的電氣自動(dòng)化控制設(shè)備與中控室DCS 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通訊必不可少，其種類(lèi)繁多且各自支持的硬件接口和網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議不盡相同，這就要求DCS系統(tǒng)的PLC控制器需具有強(qiáng)大且可靠的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涔δ?，并能支持多種硬件接口和網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議。

Freelance 是 ABB 公司推出的一套 DCS 系統(tǒng)軟件，其基于上下位工程一體化數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)，編程界面簡(jiǎn)易直觀，方便用戶(hù)學(xué)習(xí)使用；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單實(shí)用，對(duì)計(jì)算機(jī)軟硬件要求不高，可直接在普通計(jì)算機(jī)上安裝運(yùn)行，方便用戶(hù)安裝、組態(tài)、調(diào)試和維護(hù)；PM 900系列控制器與I/O模塊采用更加緊湊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可安裝在普通的DN35導(dǎo)軌上，不需要特殊的底板和插接件連接，可節(jié)省硬件成本，且易于I/O模塊的擴(kuò)展與替換。

2 PM 904F控制器的開(kāi)發(fā)及功能介紹

2.1 PM 904F控制器的開(kāi)發(fā)

2019 年 5 月 ，ABB 公 司 發(fā) 布 了 最 新 的Freelance Engineering 2019 版系統(tǒng)軟件及功能強(qiáng)大的新型PM 904F 控制器。Freelance 系統(tǒng)軟件由Freelance Engineering 和 Freelance Operations 構(gòu)成，PM 904F控制器由Freelance Engineering組態(tài)編程。新版系統(tǒng)軟件具有深度增強(qiáng)的可擴(kuò)展性、可連接性及安全兼容性。2019 版Freelance Operations 擴(kuò)展和支持多屏顯示，一臺(tái)操作員站最多可以連接4臺(tái)顯示屏，可以在不同的屏幕上分別顯示程序執(zhí)行狀態(tài)流程、生產(chǎn)工藝流程圖、報(bào)警信息記錄、趨勢(shì)歸檔等信息，極大方便了生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)控和中控操作工作。支持4 臺(tái)顯示屏的Freelance Operations 如圖1所示（需計(jì)算機(jī)硬件接口支持），PM 904F控制器如圖2所示。

圖1 支持4臺(tái)顯示屏的Freelance Operations

圖2 PM 904F控制器

PM 904F 控制器采用 800MHz 時(shí)鐘 Power PC，基于RISC 架構(gòu)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，控制器總內(nèi)存達(dá)48MB，其內(nèi)部尋址運(yùn)算和指令執(zhí)行效率高、速度快。此外，PM 904F 控制器具有NVData 功能（非易失性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)），可永久存儲(chǔ)數(shù)據(jù)變量，可保證控制器在冷啟動(dòng)或長(zhǎng)時(shí)間掉電后，數(shù)據(jù)變量不會(huì)丟失，利于長(zhǎng)期保存水泥廠生產(chǎn)過(guò)程中的重要參數(shù)數(shù)據(jù)。

2.2 PM 904F控制器的功能介紹

單臺(tái)PM 904F 控制器在典型流程工業(yè)過(guò)程控制中約能帶2 000 I/O Points，此外，通過(guò)集成或左側(cè)插槽可配置以下總線(xiàn)模塊接口：

（1）內(nèi)置SD 卡插槽，通過(guò)配置SD 卡可以實(shí)現(xiàn)軟件備份及硬件更新。用戶(hù)可直接備份或恢復(fù)整個(gè)工程文件，包括所有的圖形顯示、組態(tài)邏輯程序及現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備參數(shù)數(shù)據(jù)。

（2）集成4 個(gè)可自由配置的10/100M 以太網(wǎng)接口（RJ45）。 1 個(gè) 用 于 Control Net，與 安 裝 有Freelance Operations 的上位計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，組成工廠分布式控制系統(tǒng)（DCS）；1 個(gè)用于Redundancy Link，用于 2 臺(tái) PM 904F 控制器之間的冗余通訊；2 個(gè)用于 TCP/IP 或 Modbus TCP/IP 及IEC60870-5-104 Telecontrol通信協(xié)議，支持系統(tǒng)總線(xiàn)的冗余，用于與第三方PLC、網(wǎng)關(guān)等設(shè)備的通訊連接。

（3）集成 2 個(gè) RS232 或 RS485 串行端口，支持Modbus RTU/ASCII 或 IEC60870-5-101 通信協(xié)議，作為Modbus 主站，可與帶有RS485 接口的PLC 控制器、多功能電量表、溫度巡檢儀等設(shè)備進(jìn)行通訊連接。

（4）最多支持4 個(gè)插槽，用于Profibus-DP V0/V1 或CAN 總線(xiàn)通信接口。其典型應(yīng)用之一是，配置CI 930F作為Profibus-DP 冗余主站通信模塊，連接 CI 840A 及 S800 I/O 模塊，構(gòu)成 Profibus-DP 冗余總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)；或配置CI 773F作為Profibus-DP 非冗余主站通信模塊，連接CI 801 以及S800 I/O 模塊，組成Profibus DP非冗余總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)；也可連接其他第三方支持Profibus-DP 協(xié)議的從站設(shè)備（如SIMATIC ET200M/ET200S/ET200SP 系列 I/O 模塊、魏德米勒UR20系列遠(yuǎn)程I/O及各類(lèi)國(guó)產(chǎn)遠(yuǎn)程I/O模塊等）；可配置擁有3 個(gè)CAN Bus 通道接口的CI 910F CAN Bus（符合ISO/DIN 11898、CAN2.0 標(biāo)準(zhǔn)）模塊，用于連接Freelance Rack Based I/O模塊。

（5）集成的DIAG 診斷接口可通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)控制器進(jìn)行深層次診斷與維護(hù)。

（6）工廠終端操作級(jí)網(wǎng)絡(luò)由現(xiàn)場(chǎng)過(guò)程控制級(jí)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)、Freelance Engineering 工程師站計(jì)算機(jī)、Freelance Operations操作員站計(jì)算機(jī)組成，其中，現(xiàn)場(chǎng)過(guò)程控制級(jí)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)主要包括PM 904F控制器、S800 I/O模塊、變頻驅(qū)動(dòng)器VFD、現(xiàn)場(chǎng)操作屏OP、智能開(kāi)關(guān)柜MNS、智能馬達(dá)控制器、過(guò)程自動(dòng)化儀表等，工廠終端操作級(jí)網(wǎng)絡(luò)如圖3所示。

圖3 工廠終端操作級(jí)網(wǎng)絡(luò)示意圖

3 PM 904F控制器在水泥廠網(wǎng)絡(luò)總線(xiàn)系統(tǒng)的應(yīng)用

由天津水泥工業(yè)設(shè)計(jì)研究院有限公司總承包的南方水泥某項(xiàng)目為國(guó)內(nèi)水泥節(jié)能減排示范線(xiàn)項(xiàng)目，對(duì)工廠自動(dòng)化控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化、信息化、智能化水平要求較高，對(duì)除極少數(shù)沒(méi)有總線(xiàn)通訊接口的電氣設(shè)備采用硬接線(xiàn)、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通訊外，其他電氣設(shè)備均采用網(wǎng)絡(luò)總線(xiàn)通訊。經(jīng)多次技術(shù)澄清和方案論證后，確定了基于PM 904F控制器的全廠網(wǎng)絡(luò)總線(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)施方案?；赑M 904F 控制器的網(wǎng)絡(luò)總線(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案如下：

（1）PM 904F 控制器左側(cè)配置 4 塊 CI 773F Profibus 主站模塊，1路CI 773F通過(guò)Profibus-DP 協(xié)議掛接S800 I/O模塊，對(duì)本車(chē)間采用硬接線(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)控制的電氣設(shè)備進(jìn)行控制；1 路CI 773F 通過(guò)Profibus-DP 協(xié)議掛接智能馬達(dá)控制器，對(duì)本車(chē)間所有智能馬達(dá)控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊和控制；1路CI 773F 通過(guò)Profibus-DP 協(xié)議掛接變頻驅(qū)動(dòng)器、軟啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)器、數(shù)據(jù)協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)和Sub-PLC 設(shè)備，對(duì)本車(chē)間所有變頻驅(qū)動(dòng)器、軟啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)器、Sub-PLC設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊和控制；1 路CI 773F 通過(guò)Profibus-DP/PA 耦合器掛接支持Profibus-PA 協(xié)議的現(xiàn)場(chǎng)溫度、壓力自動(dòng)化儀表。

其中，i和t分別表示樣本城市和時(shí)間；CP、HP和LP分別表示物價(jià)、房?jī)r(jià)和地價(jià)；WI、RI、PS和FR分別表示工資收入、房地產(chǎn)住宅投資、人口規(guī)模和財(cái)政收入；CPi,t-2、HPi,t-2和LPi,t-2分別表示物價(jià)、房?jī)r(jià)和地價(jià)的二階滯后項(xiàng)，滯后階數(shù)是根據(jù)AIC準(zhǔn)則確定的模型最佳滯后階數(shù)；uit、ξit和vit分別表示對(duì)應(yīng)方程的隨機(jī)擾動(dòng)項(xiàng)；α0、α1、α2、α3，β0、β1、β2、β3、β4，γ0、γ1、γ2和γ3為各方程的待估系數(shù)。

（2）PM 904F 控制器集成的以太網(wǎng)接口作為Modbus TCP/IP Server，與第三方支持Modbus TCP/IP 協(xié)議的Sub-PLC 進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，如，與自動(dòng)化取樣控制器、智能化驗(yàn)室的施耐德Quantum CPU 及M340 CPU、M580 CPU等自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，與石灰石、輔料堆取料機(jī)的西門(mén)子1200PLC與1500PLC 進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊（目前，西門(mén)子TIA 博圖系列1200PLC/1500PLC 集成的RJ-45 網(wǎng)口均支持Modbus TCP/IP 協(xié)議及 Profinet 協(xié)議，PM 904F 控制器既可作為MBTCP Server，也可作為MBTCP Client，與1200PLC/1500PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)交互）。

（3）PM 904F 控制器集成的 2 個(gè) RS485 串行端口作為Modbus RTU 主站，與各車(chē)間電力室中低壓配電系統(tǒng)中的多功能電量表、膠帶輸送機(jī)檢測(cè)儀、空壓機(jī)控制器、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備溫度巡檢儀等支持Modbus RTU協(xié)議的設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。

（4）通過(guò)Freelance OPC 接口與生料在線(xiàn)分析儀配料系統(tǒng)、生料水泥在線(xiàn)粒度檢測(cè)儀系統(tǒng)、余熱發(fā)電控制系統(tǒng)、生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)、智能優(yōu)化APC服務(wù)器等進(jìn)行設(shè)備數(shù)據(jù)交互。

（5）該項(xiàng)目DCS 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖4 所示。對(duì)于工藝復(fù)雜、總線(xiàn)設(shè)備多、數(shù)據(jù)通訊量大的水泥廠原料調(diào)配及輔料預(yù)均化堆場(chǎng)、原料粉磨、燒成窯尾、燒成窯頭，其現(xiàn)場(chǎng)控制站分別采用新型PM 904F控制器；對(duì)于總線(xiàn)設(shè)備少、數(shù)據(jù)通訊量小的石灰石破碎、石灰石預(yù)均化堆場(chǎng)、煤粉制備及公用電力室現(xiàn)場(chǎng)控制站，仍采用較為經(jīng)濟(jì)的PM 902F控制器。Freelance Engineering 部分控制站硬件組態(tài)如圖5所示。

圖4 南方水泥某項(xiàng)目DCS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

圖5 Freelance Engineering 部分控制站硬件組態(tài)

4 PM 904F控制器的運(yùn)行效果

自項(xiàng)目投產(chǎn)以來(lái)，PM 904F控制器以其充裕的程序運(yùn)行內(nèi)存、強(qiáng)大的帶I/O Points 能力和優(yōu)異的網(wǎng)絡(luò)總線(xiàn)通訊處理功能，程序邏輯執(zhí)行與網(wǎng)絡(luò)總線(xiàn)通訊數(shù)據(jù)交換運(yùn)行穩(wěn)定可靠，DCS系統(tǒng)運(yùn)行狀況良好。PM 904F控制器支持多種網(wǎng)絡(luò)通訊控制方式，與傳統(tǒng)的I/O硬接線(xiàn)、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)控制方式相比，有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）降低了投資。總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通訊替代了大量控制電纜，減少了電纜采購(gòu)與電纜敷設(shè)施工費(fèi)用，安裝接線(xiàn)簡(jiǎn)單，后期維護(hù)方便，節(jié)省了大量的人力物力，降低了項(xiàng)目投資和后期維護(hù)費(fèi)用。

（2）系統(tǒng)可靠性高。網(wǎng)絡(luò)總線(xiàn)替代了絕大部分控制信號(hào)電纜和硬接線(xiàn)，大量減少了DCS I/O 柜內(nèi)的中間繼電器、信號(hào)隔離器和I/O模塊，降低了電氣控制回路各元器件之間電纜接線(xiàn)松動(dòng)、虛接、老化等造成的系統(tǒng)故障點(diǎn)，提高了系統(tǒng)可靠性。

（3）數(shù)據(jù)通訊量大。通過(guò)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通訊與各自動(dòng)化設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，數(shù)據(jù)信息交換量不再受制于控制電纜數(shù)量和硬件模塊成本；同時(shí)，PM 904F控制器具有充裕的運(yùn)行內(nèi)存和強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)通訊處理能力，可以將過(guò)程設(shè)備中的大量模擬量數(shù)據(jù)和相關(guān)故障報(bào)警信息傳送至工廠DCS，實(shí)現(xiàn)工廠DCS系統(tǒng)對(duì)生產(chǎn)線(xiàn)所有電氣自動(dòng)化設(shè)備的全方位、全信息實(shí)時(shí)監(jiān)控。

（4）操作監(jiān)控方便簡(jiǎn)潔。2019 版Freelance Operations 支持最多4 個(gè)屏幕顯示，生產(chǎn)操作中操作員可通過(guò)4個(gè)操作屏幕同時(shí)監(jiān)控生產(chǎn)流程畫(huà)面、設(shè)備報(bào)警記錄和運(yùn)行數(shù)據(jù)趨勢(shì)記錄，節(jié)省了操作時(shí)間，提高了操作效率，減少了在不同流程畫(huà)面之間切換屏幕可能造成的誤操作，有利于生產(chǎn)的安全和穩(wěn)定運(yùn)行。