现场总线控制系统的应用

摘 要： 介绍现场总线控制系统的应用。

关键词： FCS控制系统；PCS7；应用

0 前言

随着计算机技术，自动控制技术，通信技术的飞速发展，一种数字化到现场，网络化到现场，控制功能分散到现场，设备管理功能下放到现场的新型控制系统―现场总线控制系统（FCS）已经得到了广泛应用。与传统DCS相比较，它具有节约工程电缆用量和安装敷设费用、减少了现场信号隔离变换装置、以及提高了系统的安全性等优势。

1 现场总线定义

按照国际电工委员会（IEC）标准和现场总线基金会（FF）对现场总线定义，现场总线主要包含以下几方面的意义：

1）现场总线是一种深入到现场设备的数字式通信网络，接在该通信网络上的设备（即网络节点）之间的通信是双向式的，这使现场信号到控制系统由传统上的多点单向多线并行传输，变为多点双向一线串行传输。从而大量减少了现场接线电缆，降低了电缆材料成本和配线成本。当然，实现双向信号传输还需要现场设备是智能型的。

2）接在现场总线上的设备之间只要遵从相同的通信协议，不管它们是否出自同一供货商制造，都可以直接通过现场总线交换信息。

3）现场总线将控制功能及故障诊断功能分散到各个智能型现场设备中，因而，不再依赖常规控制系统或DCS进行集中控制。

4）现场总线的供电特性及本质安全特性，决定了现场总线除了传输信息以外，还可以为现场仪表设备供电；并且可用于易燃、易爆环境中。

2 FCS的构成方式

FCS具有多种结构型式，归纳起来主要有以下二种方式：

1）由现场设备和操作员站所构成的结构型式。

2）由现场设备、控制站和操作员站所构成的结构型式。

2.1 由现场设备和操作员站所构成的结构型式

该结构型式的FCS没有专门的控制站，所有控制功能及故障诊断功能都分散在智能型现场设备中完成；操作员站通过插在机箱内的现场总线接口模件与现场智能型设备进行通信，操作人员在操作员站上对现场设备进行操作和监视。FCS通过操作员站上的以太网接口与其他高层设备实现通信，FCS也可以通过网关与以太网相连。这种结构型式的FCS适合于现场设备之间没有太多的联锁关系，且控制设备较少的简单工艺场合。

2.2 由现场设备、控制站和操作员站所构成的结构型式

该结构型式设置有控制站，一些基本的控制功能及故障诊断功能分散到智能型现场设备中。同时，控制站完成未分散的其他高级控制功能及现场设备之间的协调、联锁功能。这种结构的FCS通过操作员站上的以太网接口或通过网关与以太网相连。最为典型的如PCS7控制系统中Profibus-DP现场总线的应用。这种结构型式的FCS适合于控制功能复杂，现场设备之间有较多的联锁关系，且控制设备较多的工艺场合。用户可以较灵活的在现场智能设备和控制站之间分配控制功能。

在实际应用中，由现场设备、控制站和操作员站所构成的结构型式应用较多。

3 FCS的实际应用

我们在一个新建3200m3高炉炼铁工程中使用了由现场设备、控制站和操作员站所构成的FCS。

3.1 工程概况

新建3200m3高炉年产生铁275万吨。高炉主要由以下工艺单元组成：

1）矿石和焦炭供应及贮槽，以及小粒矿及小块焦回收设施。用于高炉的原燃料贮存和配料。2）上料皮带。用于原燃料从矿槽和焦槽向高炉的输送。3）无料钟炉顶和炉本体。用于接收上料皮带输送来的矿石和焦炭，并按照焦炭矿石焦炭矿石的顺序往复不间断的向高炉内部均匀布入矿石和焦炭。在炉本体上装有温度和压力检测设备，用于监视和调节高炉内部的冶炼状况。炉顶和炉本体是高炉炼铁的主体设施。4）出铁场设施。用于高炉铁水的产出和转运。5）4座高温长寿内燃式热风炉。为高炉炼铁持续不断的提供1000度以上的热风。6）重力除尘（DC）和布袋式干法除尘设施。用于高炉炼铁伴生的煤气的一次和二次除尘。7）搅笼渣水分离水渣处理设施。用于铁渣的水冲制和渣水分离处理。8）喷煤（PCI）设施。用于提高高炉炼铁的冶炼强度，降低焦炭用量。9）水循环及处理设施。用于高炉各部分水冷却以及循环。10）煤气余压发电（TRT）设施。利用高炉炉顶压力进行发电。11）环保除尘设施。用于高炉各部分的环保除尘，减少烟气粉尘对环境的污染。12）鼓风设施。鼓风机给高炉冶炼提供氧气（自然风），同时以一定风压克服料柱阻力，使高炉保持一定的炉顶压力。

上述工艺单元中，大多数机械设备都由交流低压电机驱动。其中，高炉炉顶布料溜槽的旋转和倾动、以及高炉内部料面机械探尺，根据绝对型旋转编码器检查出的位置进行变频调速控制；搅笼渣水分离脱水器根据高炉出渣量的变化进行变频调速控制；喷煤（PCI）制粉给煤机根据给煤量的变化进行变频调速控制。炉体上的冷却水流量监测电磁流量计带FF通讯接口。

3.2 自动化控制系统构成

高炉采用PCS7控制系统进行基础自动化（L1）控制。主要完成高炉炼铁项目生产过程的数据采集和初步处理、数据显示和记录，生产操作，执行对生产过程的连续调节控制和逻辑顺序控制。该控制系统具有以下特点：

① 通用性强，开放性好，能兼容不同制造商的自动化设备（凡遵从Profibus- DP协议的检测设备及控制设备均可直接接入系统）。

② 控制系统所特有的Profibus-DP现场总线，既是普通现场设备接入控制系统的I/O总线，又是现场智能设备接入控制系统的双向数据通信总线。使Profibus-DP现场总线尽可能地接近现场设备，可减少大量的电缆接线，降低布线成本。

③ Profibus-DP具有灵活的拓扑结构，支持线性、环形、以及冗余等多种网络结构。

④ PCS7所拥有的WinCC是使用32位技术的过程监控系统。无论是单用户网络直连系统，还是冗余的C/S架构系统，WinCC都为用户提供了良好的适用性。