高爐自動化控制系統中現場總線的研究

閆 曉

現場總線技術將傳統的4mA～20mA模擬信號與普通開關量信號替換成為數字信號，使得高爐自動化控制系統的底層數據通信網絡得以完善。其中由SIEMENS等公司組織開發的Profibus現場總線技術于2001年成為我國機械行業工業控制系統用現場總線的國家標準。而Profibus-DP作為其中一個重要的應用協議，能夠滿足設備級分布式控制系統的實時性、穩定性與可靠性要求，因此，在高爐自動化控制系統中的應用效果也得到確認和肯定。

1 Profibus-DP現場總線技術的應用優勢分析

1.1 傳統高爐自動化控制系統的PLC配置框架

傳統高爐電子器件采取了分立模式建造，在各個單元器件中，都能獨立完成所述工作區域，而自動化線路技術與高爐組合是全控制型器件的基礎上，要將其內部的多個單元器件的基礎上，要將其在一個基礎上共同進行運作，從而實現集成化的器件分立系統。過去，鋼鐵生產企業采用的高爐自動化控制系統，其信號的傳輸往往通過信號電纜完成向PLC系統的傳輸過程，PLC配置框架如圖1所示。

圖1 PLC配置框架圖

從圖1當中可以看出，高爐生產過程中產生的信號進入到PLC系統以后，首先需要經過A/D與D/A轉換，而轉換以后的信號精確度將大幅下降，這時，PLC系統的掃描周期也將延長，這就使得各種自動化設備執行各種動作時的精確度受到嚴重影響。與此同時，若采取這種傳統的通信方式，在前期布線階段，需要大量的電纜，這不僅影響整個生產區域的整體形象與環境，一旦線路出現故障，維修人員的工作量將大幅增加，進而給鋼鐵企業增加了維修成本。

1.2 Profibus-DP現場總線技術的應用優勢

Profibus-DP現場總線技術在控制精度、安全穩定性、組態方式以及經濟性方面均優于傳統的4mA～20mA模擬信號以及普通開關量信號。其信號轉換過程無需經過D/A與A/D轉換，信號精確度誤差也由原來的±0.5%提升到現在的±0.1%，而且可以將PID功能植入到變送器或者執行器當中，這就使得控制周期從每秒2次～3次增加到10次～20次，進而有效改善了系統的調節性能。與此同時，由于現場總線組態簡單，安裝便捷，運行穩定，因此，能夠節省大量的維修資金。此外，現場總線技術還具有以下應用優勢。

1.2.1 系統開放性

過去，高爐自動化控制系統要想實現對外通訊，往往需要借助于工作站的串口或者并口，這種封閉式的系統結構也使信號的傳輸通道受阻。而現場總線技術主要由兩層應用網絡組成，一層是現場總線網絡，一種局域網，在局域內，信息能夠快速得到交換，使同一網絡中的各種信息資源實現共享。同時，現場總線技術標準不僅僅帶有行業性特征，同時，對廣大用戶以及系統制造商也實現全面公開，這就使得現場總線技術實現共享，這樣可以滿足廣大用戶的個性化需求，組態過程也將更加隨意。

1.2.2 性能互通

過去的高爐自動化控制技術中使用的DCS產品，如果制造廠家不同，那么生產的產品也無法實現共用，這就極易給鋼鐵企業增加成本投入。而現場總線技術能夠實現所有互連設備與系統間的信息交互傳遞，數字信號可以進行點對點，或者一點對多點進行快速傳遞，即便產品來自于不同的生產廠家，那么各類設備之間也可實現共用與互換。

1.2.3 智能系統診斷特性

在應用傳統的DCS技術時，信號傳遞只能是模擬信號的單向傳遞，因此，信號在傳遞過程中將出現較大的誤差，在這種情況下，即便系統出現運行故障，也無法在第一時間發現，進而給生產進度造成嚴重影響。但是，應用現場總線技術以后，數字信號可以實現雙向傳遞，一些智能化的計算功能、處理功能與控制功能將直接植入現場設備當中，一旦設備出現運行故障，系統可以快速診斷出故障類型與具體部位，這就給設備檢修贏取了大量時間。

1.2.4 抗干擾能力強

應用現場總線技術，高爐自動化控制系統的環境適應能力大幅增加，這主要是由于現場總線支持雙絞線、同軸電纜、光纖、射頻、紅外線，在通信過程中，可以采取兩線制的信號傳輸方式，進而提升了系統的抗干擾能力。

2 Profibus-DP現場總線系統組成與通信原理

2.1 系統組成

Profibus-DP作為Profibus現場總線的一個重要分支，其信號傳輸速度快、投入成本低，因此，鋼鐵企業多采用Profibus-DP協議來完成高爐自動化控制系統的信號傳輸任務。其中，根據ISO7498的國際標準，Profibus-DP協議只給出了第一層與第二層的定義，即物理層和數據鏈路層，而第3層～7層并未給出確切的定義。關于用戶接口，也只是明確了用戶、系統以及各種不同設備可調用的應用功能。因此，這就給Profibus-DP的系統兼容性提供了諸多便利，在維護與調試系統過程中，也減少了大量的工作量。另外，在該系統當中，PLC主要承擔著主控功能，其軟件配置主要采用STEP7（5.2）對PLC進行硬件組態，在組態過程中，主要利用GSD文件將各個設備集成到一個總線系統當中。PLC程序可以對組態以后的上位機編程工具進行編譯，并將編譯后的程序統一存儲在CPU416當中，當程序運行以后，I/O模塊的狀態字將被快速讀取，進而對各種系統的各種硬件進行有效控制。

2.2 通信原理

Profibus-DP協議的物理層主要由DTE與DCE設備組成，即數據終端設備與數據端接設備，其主要功能是負責連接現場設備與總線，可以看出，物理層所發揮的作用是連接介質。而現場總線所使用的混合總線存取控制機制，主要包括主站和從站，主站通信采取邏輯令牌的方式，并以主-從輪循的方式與從站之間建立通信關系，并同時采用循環與非循環報文的方式實現主站與主站間的通信。目前，高爐自動化控制系統中的現場總線設備多采用獨立供電模式，每一個通信站點均擁有一個穩壓電源，如果電源供給出現波動，將嚴重影響通信效果。在現場總線連接過程中，采用的連接介質一般選擇雙絞線電纜，其屏蔽層的接地電阻值在10Ω以下。在總線與其它各站點建立連接關系時，絕緣電阻值在200Ω以下。如果高爐自動化控制系統連接的站點數量超過32時，則需要通過中繼器來建立連接關系，其總線速率一般為1.5M的波特率，在每一段總線當中，允許的最大電纜長度應當控制在200m以下，所使用的中斷器數量不得大于3個，這樣便可以順利完成信號放大功能。

3 Profibus-DP現場總線組態方式與控制功能

3.1 組態方式

Profibus-DP現場總線組態簡單，可以利用PTQ模塊對總線進行組態，因為這一模塊能夠支持Profibus-DP協議，并具有較好的擴展性能，當PTQ模塊與Profibus-DP協議構成工業現場總線系統之后，高爐自動化控制系統可以自動對各種數據信息進行采集與處理。然后可以結合總線配置軟件來完成整個組態過程，如圖2所示。

圖2 Profibus-DP現場總線組態

3.2 Profibus-DP現場總線技術的控制功能

利用現場總線技術，高爐自動化控制系統的終端操作界面可以實現以下控制功能。

3.2.1 在線實時控制功能

終端操作人員可以在控制室當中，直接對現場的各種運行設備進行在線實時控制，比如閥門的開啟與停止，選擇上料的種類，實時確定倉位，設定各種原材料的重量等，設備運轉的每一道工序都可以通過現場總線技術實現遠程操控，而無需在生產現場進行調試與操作，這就大大提升了高爐設備的生產效率。另外，如果現場的各種限位開關出現故障，而影響整個生產流程，這時，可以通過在線操作，對PLC的運行參數重新進行設定，這時，限位開關出現故障的概率將大幅下降。

3.2.2 模擬顯示功能

系統終端操作人員借助于計算機顯示器，可以直接獲取各種設備的實時運行狀態，這種狀態或以模擬信號的方式顯示出來，或者以曲線圖的方式展現在操作人員面前。根據顯示器所顯示的內容，操作人員可以第一時間獲取高爐系統各個閥門的關閉動作，各種稱量斗的實際重量，以及各種自動化儀表的溫度、壓力以及狀態等運行參數。以高爐溫度為例，根據顯示器上的數據，操作人員能夠快速判斷出高爐運行溫度是否超出了臨界限值，如果出現超限的情況，應當立即啟動現場應急處理預案，以確保高爐能夠安全穩定運行，因此，現場總線技術的模擬顯示功能使得高爐系統的運行管理變得更加快捷高效。

3.2.3 數據存儲與管理功能

現場總線技術主要擔負著數據傳輸與存儲功能，隨著大數據技術的迅猛發展，用來存儲高爐運行過程中產生的各類數據信息的數據庫，具有海量化存儲功能，尤其在建立歷史數據庫時，其原始數據可以追溯至高爐系統投入使用階段。由于這種強大的數據存儲功能，使得技術人員可以通過對歷史數據的比對分析，準確判定高爐的運行狀態，如果發現某些數據存在異常，則說明高爐設備出現了運行故障。比如每一斗料的重量與上料時間，一旦發現上料時間滯后，設備檢修人員應當及時做出反應，對生產工藝進行改進，或者對設備功能進行優化，這樣可以提高上料速度，促進經濟效益的提升。

3.2.4 故障預警功能

Profibus-DP現場總線技術的功能優勢還體現在故障快速診斷方面，比如高爐自動化控制系統在運行過程中，電流、溫度、濕度、壓力等參數都會顯示在終端操作界面，如果測量值遠遠超出給定范圍，那么則說明高爐系統已經出現運行故障，在這種情況下，利用現場總線技術可以將故障信號及時反饋給系統終端，這時，操作者可以根據信號的閃爍頻率來判定報警等級，進而確定故障類型與準確位置，這就為檢修工作帶來提供了諸多便利，而且也為鋼鐵生產企業節省了大量的設備檢修費用。

4 Profibus-DP現場總線故障診斷技術的具體應用

由于高爐設備占地面積大，硬件設備多，軟件組成復雜，而且在持續運轉狀態下，高爐自動化控制系統的荷載量將大幅增加，這時，各種設備出現故障的頻率也將不斷攀升，這不僅影響原材料供給，而且也會縮減高爐設備的使用壽命，為了最大限度的降低故障率，技術人員可以利用現場總線的故障診斷技術，對各種不同類型的故障進行精準判斷，進而針對性采取排障措施。目前，在鋼鐵生產企業，較為常用的故障診斷方法主要包括三種，即利用FB125程序對各個運行設備進行在線診斷、利用BT200測試裝置對設備進行故障診斷以及利用OB模塊讀取CPU硬件信息，以確定故障部位。

4.1 利用FB125程序對各個運行設備進行在線診斷

FB125屬于中斷驅動功能模塊，這一模塊只能在OB1、OB82、OB86中被調用，其診斷級別可以劃分為三個等級，即故障站點、故障模塊與故障通道。在診斷過程中，該模塊能夠顯示出更加準確、更加詳細的報錯信息。而且數據存儲區可以作為接口被其它程序讀取和調用，這樣，系統能夠更加快速的查找出故障源，確定故障從站的準確位置，其中，故障信息表中顯示的信息如表1所示。

表1 故障信息表中顯示的信息

4.2 利用BT200測試裝置對設備進行故障診斷

在高爐自動化控制系統安裝過程中，技術人員可以利用BT200測試裝置對Profibus-DP電纜進行測試，測試關鍵在于及時準確的辨識出電纜屬于線路中斷還是屬于屏蔽中斷，如果發生短路故障，通過這種測試方法，可以確定是線路之間短路，還是屏蔽層與線路之間發生短路。如果短路故障出現在數據線當中，則可以快速測定出故障的準確位置。當得出這些測試結論以后，在選取電纜長度時則可以確定最終的準確數值。如果安裝距離超出標準區間，技術人員可以采取加裝中繼器的方法將信號放大。也可以利用BT200測試裝置檢測從站或者入站的RSI485接口，同時檢查從站的可訪問性，并將訪問的站點進行準確編址。由此可以看出，利用BT200測試裝置能夠事先完成對被測試段的檢測任務，這種事前預測的方法，可以給設備安裝與調試節省大量的時間。另外，通過這種測試裝置，可以準確查找出設備的故障部位，其測試原理是利用可選日志生成的軟件包，來執行檢測動作。當檢測流程結束以后，產生的各類數據可以直接傳輸到PC機的終端控制界面，也可通過外設打印設備將檢測結果打印出來，這對提升故障判斷的準確性將大有幫助。

4.3 利用OB模塊讀取硬件信息

OB86是機架故障的組織模塊，一旦機架、DP主站、分布式I/O出現故障，CPU的操作系統將自動調用OB86模塊。在這種情況之下，在OB86模塊當中可以自動過多成程序編寫工作，與此同時，CPU中的故障代碼出將存儲在數據庫當中準備隨時調取。系統終端操作人員根據這些代碼，可以快速判斷出故障站點以及故障類型。因此，利用OB模塊對系統故障進行診斷，其故障診斷精確度相對較高。

5 結語

高爐與自動化線路組合應用的連接方式，解決了設計安裝時的注意事項，并給出一些抗干擾的方法，避免了導致可編程控制器或高爐的誤動作或損壞。同時，需要注意實際應用時的安全性，并對高次諧波問題加強關注度。現場總線布設不僅操作難度小，而且施工進度快，與傳統的點對點的布設方式相比，能夠節省大量的設備調試與維護費用，進而給鋼鐵生產企業節省了大量的投入資金。因此，鋼鐵企業的各級管理人員與技術人員應當時刻秉持與時俱進的態度，在運用現場總線技術過程中，應當不斷對各項工藝流程進行優化和改進，在保障高爐自動化控制系統高效運轉的前提下，快速推進高爐生產自動化與智能化發展進程。