全分布式網絡控制系統
——在陶瓷寬體輥道窯控制系統上的應用及探討

汪曉寅

（佛山市信力凱窯爐技術有限公司，佛山528000）

1 引言

現代陶瓷寬體輥道窯產量大，長度都在幾百米以上，采取傳動輥道上下、窯爐兩側交錯布置小流量燒嘴的形式供熱，燃燒加熱溫度控制區一般都有幾十、乃至一百幾十組。窯爐的燒成工藝控制主要采用集散儀表控制方式，計算機及單回路控制儀表安裝在主控制室，監控計算機與單回路控制儀表之間采用基于RS485 的MODBUS 通信；現場檢測傳感器—控制儀表—執行器形成閉環控制，彼此間傳輸的模擬信號采用一對一的物理連接實現。這種控制結構傳輸的信號單一、單向，沒有互動性，不可避免地出現系統抗干擾性能差、安裝布線及調試工作量大、調試維護及系統擴展十分不便、上下位機間通信速度慢等問題，對于幾百米的超長輥道窯爐顯得更加突出。

2 分布式網絡控制系統特點

現場總線方式完全克服了這種模擬信號傳輸的缺點，與傳統現場總線相比，以太網總線更有巨大的性能優勢及網絡成本優勢，是自動化控制系統的發展方向，與分布式的控制結構相結合，系統的各項性能大幅度提升。

基于以太網現場總線的分布式網絡控制系統，與集散儀表控制系統的性能比較見表1。

分布式網絡控制系統的結構特點在兩個方面：分布式系統結構和以太網數據傳輸。

分布式系統將控制功能下放到現場控制點，信息處理現場化，由智能現場設備完成控制和通信任務。形成控制功能分散、顯示操作及管理集中的金字塔結構。以太網數據傳輸是指通過工業以太網連接各種類型的現場設備，將現場設備組成一個局域網絡進行控制管理。這個控制網絡也可以連接其它自動化系統及INTERNET 網絡系統，與網外系統進行信息交換。

本項目是采用基于PROFINET 總線的分布式網絡控制系統。PROFINET 是由PROFIBUS 國際組織推出的自動化領域開放的工業以太網標準，它使用TCP/IP 和IT標準，完全兼容工業以太網和現有的所有現場總線技術。PROFINET 支持TCP/IP 標準通訊、RT（Real-Time 實時）通訊、IRT（Isochronous Real-Time 同步實時）通訊等通訊方式，能夠滿足從現場層到管理層的所有應用需求。PROFINET 提供的網絡解決方案包括：①基于組件對象模型的分布式自動化系統；②規定了PROFINET 現場總線和標準以太網之間的開放、透明的通信規則；③提供一個獨立于制造商，包括設備層和系統層的系統模型。PROFINET 可以為工業自動化系統提供安全、高性能、實時的水平和垂直通信，能夠真正實現“一網到底”數據傳輸的革命。

3 陶瓷寬體輥道窯工藝控制結構

隨著網絡技術及設備制造技術的快速提升，現場自動化系統的智能控制設備及組網通信成本大幅度降低，系統安全性及可靠性也大幅度提高。一體化的軟件平臺技術的開發應用，也使得系統組網通訊及組態也變得簡易。作為工業以太網的突出代表，PROFINET 完全滿足陶瓷窯爐自動化控制方面的各項要求，應用到陶瓷輥道窯自動化控制上，必將給行業基礎控制系統的體系結構帶來革命性的改變。本文以天然氣403.2m 寬體輥道窯為對象，結合實際使用效果及經驗，探討基于PROFINET的分布式網絡控制系統在輥道窯控制上的應用。

表1 集散儀表控制與分布式網絡控制方式性能比較

3.1 寬體輥道窯相關數據

燃氣寬體輥道窯功能結構見圖1。

圖1 窯爐功能結構簡圖

與控制相關的寬體輥道窯基本結構數據如表2

3.2 寬體輥道窯的控制內容

403.2m 寬體陶瓷輥道窯的工藝過程控制大體分為以下幾個部分：

3.2.1 傳動系統控制

輥道窯403.2m 磚坯傳送輥道分為100 段，對應由100 臺齒輪電機驅動；這100 臺電機分為82 組，由82 臺變頻器分別驅動，分為兩種方式：①一臺變頻器驅動一臺傳動電機（預熱段至急冷段電機）；②一臺變頻器驅動多臺電機（緩冷段及以后的傳動電機分為幾組，每組由一臺大功率變頻器控制）。傳動的控制包括：產品入窯監管及窯爐傳動對應動作控制；斷棒監測及傳動動作控制；傳動馬達運行狀態監測、傳動相關設備故障監控及傳動對應動作控制；各類報警；與上位機通信等；

表2 寬體輥道窯控制結構相關的基本參數

3.2.2 燃燒及燒成工藝過程控制

輸送到窯爐附近的天然氣經再次適應性減壓后分三段供燒成段燒嘴使用。助燃風分前后兩段獨立供應，采用熱風助燃；助燃熱風管路檢測控制器件按介質溫度max400℃的標準配置。

燃燒及燒成工藝過程控制包括：燃燒介質的供應控制、燒嘴燃燒控制、燒成工藝過程溫度控制、排煙及冷卻風機運行控制等。具體包括：

●燒成段908 支燒嘴燃燒及火焰監控/部分燒嘴；

●108 組燒嘴燃燒過程自動控制，包括燃燒介質（助燃風及天然氣）的溫度、壓力及流量自動控制，燃燒空燃比例自動控制，換熱溫度及換熱器安全控制等；

●窯爐溫度（預熱段、燒成段及冷卻段爐膛溫度）控制；

●爐膛壓力及殘氧量控制；排煙、助燃壓力控制；

●風機馬達溫度監測及風機運行控制；

●燒成溫度工藝數學模型控制等。3.2.3 其它

●共享數據庫；系統協調控制、顯示及人機交互；外網的通訊聯系等。

●窯爐視頻監控系統。自成體系，（如需要）可輸出報警信號給自動化控制系統。

4 寬體輥道窯控制系統基本網絡結構

根據輥道窯工藝控制需要，采用的基本網絡控制系統結構如圖2。

圖2 基本網絡控制結構圖

①系統采用服務器/客戶機模式，建立共享數據庫，集中監控管理。

②高性能可編程控制器系統完成現場信號的采集及工藝控制?，F場設備與監控系統是通過工業以太網交換數據。

③寬體輥道窯燒成工藝過程控制需要處理的主要是模擬量信號及復雜的模型控制等，對控制器運算能力等方面要求較高。窯爐的傳動控制處理的主要為開關量信號及邏輯動作控制。傳動系統是燒成工藝過程的重要保障，控制模式相對穩定、獨立，宜設置獨立控制器進行管控。

5 寬體輥道窯分布式網絡控制系統結構

窯爐控制系統采用分布式控制設備分散現場控制回路，集中管理工藝過程及設備數據；采用西門子S7-1500 系列高性能控制器，充分利用其高可靠性、冗余技術、容錯及故障自診斷等技術，保證系統的高可靠性。采用PROFINET 總線組建數據通訊網絡。PROFINET 支持實時通訊技術，支持PROFIsafe 功能安全通信行規，能夠保證數據傳輸的實時性、安全性。

5.1 分布式系統

5.1.1 系統規劃

寬體輥道窯系統控制策略是：一般實時控制盡可能由現場智能設備完成，需要特別算法、數學模型控制等高級控制的在上位控制器中實現。

窯爐控制系統的設計規劃立足于分布式控制及管理，對輥道窯現場相關檢測及控制設備器件進行選型及統一規劃。窯爐工藝過程控制系統規劃見表3。

注(1)：用于直接檢測磚坯溫度；采用雙色紅外型

注(2)：用于檢測爐膛殘氧含量；采用氧化鋯氧量分析儀

注(3)：用于爐膛CO 含量檢測；采用CO 分析儀。需還原氣氛燒成工藝時配置

本項目采用現場智能控制設備及分布式IO站對現場作分散控制。現場檢測設備輸出的模擬信號采用4-20mA標準信號或熱電偶毫伏信號，帶通訊功能的設備配置有MODBUS、PROFIBUS-DP、PROFINET 等通訊口。

5.1.2 主要設備器件選型說明

⑴檢測器件

包括工藝過程的溫度、壓力、流量、殘氧量、CO 含量等的檢測。過程檢測變送器采用4-20mA 標準信號輸出，由分布式IO，或附帶的總線通訊功能，通過總線通信進行信號傳輸。

溫度檢測：窯用型式有熱電阻/PT100、熱電偶/S、K等。用于爐膛溫度、燃燒介質溫度、煙氣及熱風溫度的檢測。輸出熱電偶/熱電阻信號，或統一轉換為標準信號輸出。要關注溫度傳感器的測量量程、測量精度及安裝方式等

壓力檢測：窯用型式有壓力變送器、差壓變送器等，4-20mA 標準信號輸出；需要關注量程、精度及安裝方式，特別關注測壓方式、變送器核心部件的信噪比特性及溫度特性，強調抗干擾能力及長期使用的穩定性等。

流量檢測：窯用流量計主要是體積流量的檢測，有直接測量與間接測量兩種方式，4-20mA 標準信號輸出。如容積式流量計和差壓式流量計。要關注流量計核心部件的信噪比特性及溫度特性，強調抗干擾能力及長期使用的穩定性；天然氣計量流量計還要關注準確度及計量起始流量的大小等。

氧含量檢測：在線式檢測，采用氧化鋯氧量分析儀；關注使用溫度及介質溫度、測量量程、精度及穩定性，安裝方式及維護的方便性。

表3 系統規劃表

CO 含量檢測：在線式檢測，采用CO 紅外氣體分析儀；關注使用溫度及介質溫度、測量量程、精度及穩定性，安裝方式及維護的方便性。

⑵智能電動調節閥

智能電動調節閥采用模擬量輸入輸出功能的執行器，配置光電耦合式閥位傳感器，提高閥位反饋的穩定性。配置RS485 總線接口功能。設備參數通過網絡傳輸。

基本參數如下：

●電機功率：5-100W

●標準時間力矩：60S/5-600NM

●回轉角度范圍：0-90°

●狀態及故障實時記錄傳輸

●使用環境溫度：-30℃～+60℃

●通信功能：RS485/MODBUS 協議；

●閥門：適配線性閥、蝶閥等

●閥門耐壓等級：PN0.6-1.6MPa

●閥門材質：鑄鋁、不銹鋼、鑄鋼

●助燃風調節閥適應溫度max400℃

⑶智能控制設備

現場智能控制設備將控制處理器器、執行器、電源模塊及閥門等集成一體，采用PID 模糊控制技術，帶HMI 操作顯示器。外接溫度/壓力等變送器信號，即可自行閉環完成溫度/壓力等的控制。輸入信號為4-20mA標準信號，或熱電偶毫伏信號等?？刂茀悼梢宰孕性贖MI 上設定，或通過RS485 通信口由上位機下達。設備的各類信息——閥門開度、運行方向、報警信息，以及控制參數如測量值、控制值、P/I/D 參數設定、閥門開度及運轉方向、通信傳輸參數等可以通過通信口傳輸至監控設備?；緟等缦拢?/p>

●電機功率：30W；額定電流：0.3A

●標準時間力矩：60S/10-100NM

●回轉角度范圍：0-90°

●防護等級：IP65

●使用環境溫度：-30℃～+60℃

●通信功能：RS485/MODBUS 協議

●閥門：適配線性閥、蝶閥等，耐壓等級PN0.6-1.6MPa

●閥門材質：鑄鋁、不銹鋼、鑄鋼

⑷燃燒控制器

燃燒控制器集成燒嘴控制器、顯示裝置于一體，可以實現自動點火、火焰監測、故障鎖定/重啟、程序狀態顯示、單獨空氣吹掃/冷卻、手動/自動模式，并具有遠程通訊功能實現遠程監控燃燒。通過總線通信由上位機輸出如點火、復位、吹掃、冷卻等信號，也可以由燒嘴控制器傳回工作狀態信號如火焰狀態、信號大小、故障代碼等給上位機。技術參數如下：

●電源供電：220V AC,-15%/+10%，50/60Hz；

●接線規格：信號電纜和控制線纜：MAX 2.5mm2；燒嘴接地線：MAX 4mm2.

●輸出電流：電磁閥輸出電流最大1A，其他輸出電流最大2A。

●火焰監測：UV 或電離方式

●通信總線：PROFIBUS-DP 總線接口

●使用溫度：-20 ～+60℃

●防護等級：IP54

●最大操作次數：30 萬次。

⑸交流變頻器

陶瓷窯爐用風機及傳動系統的三相交流電機的調速采用變頻方式。風機類變頻器及傳動類變頻器，分別用于窯用風機及窯爐傳動電機的驅動。

●風機變頻器選用平方負載類型的變頻器，完全滿足窯用風機的控制需求。傳動變頻器選用矢量型變頻器，在低速運行時可以獲得較好的轉矩。

●交流變頻器宜就地安置，以減少變頻信號對控制系統的干擾。

●變頻器集成PROFIBUS-DP/PROFINET 通訊功能。

⑹分布式IO 站

采用西門子ET200 分布式I/O 設備，符合控制器系列要求，可以配置帶CPU 的IO 站。分布式IO 支持PROFINET 和PROFIBUS-DP 通信，模塊化開放式結構，標準軌道安裝，支持熱插拔。分布式I/O 站包括電源模塊、接口模塊、模擬量及數字量I/O 模塊、通訊模塊等，根據實際需要選擇配置。

5.2 工業以太網總線傳輸系統

5.2.1 數據傳輸的實時性及高效性

輥道窯工藝過程控制系統中，不同的控制對象對實時性要求不同。過程參數的設置、設備診斷等一般沒有實時性的要求，而在控制過程中對于分布式傳感器、執行器等數據的交換則需要滿足一定的實時性要求，一般在10 毫秒級。PROFINET 有TCP/IP UDP、RT、IRT 三種通信方式以適應不同場合的時間要求。不同層級的時效性等的要求如表4：

表4 不同層級數據交換的時效要求

注 (1)：Transmission Control Protocol/ User Datagram Protocol Internet Protocol 傳輸控制協議/用戶數據報協議 網絡協議。TCP/UDP IP 為非實時通信。反應時間百毫秒級

注(2)：Real-Time 實時。反應時間十毫秒以下

注(3)：Isochronous Real-Time 等時實時。反應時間1毫秒以下

PROFINET 作為現場總線，其典型的10 毫秒級的通信方式為RT 通信，響應時間為幾毫秒。寬體輥道窯網絡控制系統要求的響應及數據傳輸時間大致在幾毫秒、幾十至幾百毫秒范圍，PROFINET 總線完全滿足輥道窯控制系統現場級的實時通信要求。

使用PROFINET 可以實現傳輸數據的快速、高效。PROFINET 網絡支持全雙工、 快速數據傳輸（10/100MB/S，1/10GB/S）。而且集成OPC（OLE for Process Control）通訊技術，可以更方便地實現異類控制網絡間的數據交換，實現更高通訊層次的數據交換。

5.2.2 PROFINET 與其它現場總線的集成連接方式

PROFINET 采用 TCP/IP 協議及應用層的RPC/DCOM（Remote Procedure Call/Distributed Component Object Model——遠程過程調用/分布式組件對象模型）實現節點間的尋址及通信，其對象可以是主動連接的控制設備、實時自動化設備、物理設備或邏輯設備，涵蓋了現場層到企業管理層的設備的直接、透明的訪問。

陶瓷輥道窯的現場設備可以通過直接或代理服務器的方式以網絡組件的形式掛接到PROFINET 網絡上。代理服務器是一個或多個現場設備的代表，可以是PLC控制器、PC 控制器、或其它現場總線網絡的集成。代理服務器將作為獨立的與PROFINET 通信的以太網設備組件，該組件內部可以采用其它總線協議（如MODBUS、PROFIBUS-DP、FF 等），組件外部采用PROFINET 協議連接到PROFINET 網絡，實現整個現場總線的應用集成。

PROFINET 通過系統接口連接到操作系統（如Windows 系統），通過應用接口連接到控制器（如PLC）。

5.2.3 網絡器件

⑴協議轉換網關

本網絡中配置網絡安全網關，將其它通信協議轉換為PROFINET 協議，實施安全、統一的通信。

MODBUS RTU 是基于串口RS485/422/232 的通訊協議?，F場配置的儀表傳感器設備等配置的主要為Modbus RTU 協議。通過代理服務器轉換，接入工業以太網絡進行高速數傳輸。協議轉換網關的主要性能指標如下：

●支持標準的PROFINET I/O 協議， 通過PROFINET 一致性認證；

●無需編程，雙看門狗，自動生成GSD 文件

●協議轉換Modbus RTU PROFINET

●串口、主數字電路、電源三方完全隔離，電源抗干擾能力強，安全性高

●供電：24VDC(9V ～30V)，內置靜電防護工業以太網交換機

●具備10/100/1000M電口（4/8/24 等），帶屏蔽RJ45接口

●存儲和轉發交換方式

●符合IEEE802.3 標準

● 提供電源冗余保護，支持電口自動協商功能

● 防火墻功能

●工作溫度范圍：-40℃～75℃，相對濕度5%-95%（無凝露）

● 供電：220VAC；直流電源冗余輸入

●防護等級：IP40

5.2.4 403.2m 陶瓷寬體輥道窯控制系統網絡構建

陶瓷寬體輥道窯現場控制網絡見圖3。

系統采用服務器/客戶機模式協調系統信息的管理及運行。

服務器是監控系統的核心，提供數據庫服務、通信服務等，負責窯爐各控制系統的協調控制等。負責監控控制設備的工作狀態、發送控制指令給PLC 系統等，以及生產現場實時數據庫、生產系統運行日志、記錄運行狀態等

客戶機為控制室人員人機操作提供直觀友好界面，提供窯爐系統的動態模擬顯示等?？蛻魴C從服務器獲取工藝設備參數，生成各類統計報表輸出及設備狀態記錄，同時操作員在客戶機上下達的操作控制指令，通過主控計算機發送至現場控制系統。

圖3 現場控制網絡示意圖

HMI 為操作員常用操作提供直觀簡易的人機界面操作，可以實現系統的各類日常生產操作、常規參數設置、報警信息查看等。

S7-1500 系列PLC 集成了OPC UA 協議。上位機與下位機之間可以通過OPC UA 進行數據交換，形成工廠信息化的基礎架構。

5.2.5 通信線路

圖4 通訊線路示意圖

傳輸介質采用屏蔽雙絞線/網線及光纖，網絡接口采用帶屏蔽RJ45 接頭等。光纖通信用于現場分布站與上位監控站的遠距離通信傳輸。采用適用于工業現場的鎧裝多芯光纖，具備良好的抗壓性及柔軟性，內嵌鋼絲保證光纜的抗拉強度。

5.2.6 PLC 及通訊

輥道窯傳動系統的控制，基本都是開關量信號的處理，基礎控制器即可勝任。

輥道窯工藝溫度控制除小部分工藝點的采樣及PID回路控制交予現場智能控制設備處理外，其余交予可編程控制器進行處理，涉及大量的模擬量信號采集處理、大量的PID 回路控制等，對PLC 中央處理器的浮點數處理能力、運算時間等提出了較高的要求。選用的可編程控制器需要重點關注其CPU 的浮點數運算能力、運算處理速度、刷新速度及組網通訊能力。采用以太網進行內、外數據交換管理，也需要從硬件及軟件兩方面關注系統信息安全及保密性能。

寬體輥道窯爐工藝過程控制系統選用西門子S7-1500 系列可編程序控制器作為主控制器及冗余控制器。其CPU 具有強大的浮點運算能力，最高處理速度達到1ns，支持最快125μs 的PROFINET 數據刷新時間，集成安全功能、保密功能，可靠診斷功能，高效的工程組態，完全滿足窯爐溫度及燃燒過程控制要求。

采用S7-1500 可編程控制器集成以太網口，與S7-1500PLC 的以太網通信，只需要將這些設備的GSD文件安裝到設備列表中，并且在硬件配置里添加到系統總線網絡上，就可以將其作為I/O 設備，通過數據讀寫簡易實現。通過TIA Portal 軟件平臺，可以簡易輕松實現系統各組件間的通訊配置，無需另外編程，大大簡化系統配置及調試過程。

S7-1500 還集成了OPC UA 協議，方便連接控制層與IT 層，實現與上位系統或云端的安全高效通訊。

5.2.7 工業計算機

配置兩種類別的工業計算機：服務器和客戶機。

選用西門子SIMATIC IPC 工業計算機，完全適應工業環境對工業計算機的可靠性要求?；九渲萌缦拢?/p>

●19″機架式/臺式PC

●I7 處理器，500G/1TB SSD 固態硬盤；16/32G 內存

●2 個GBit LAN 口，一個PROFINET 口，2 個COM2（RS232/422/485）口；

●操作系統：Windows 10 pro/server 2019；

系統監控組態選用WinCC(Windows Control Center)。Wincc 提供多種通訊通道可選，包括OPC 等。

5.2.8 冗余及系統安全

西門子S7-1500R/H 為新一代冗余控制系統，通過TIA Portal 可以容易地組態冗余控制器；與標準系列PLC的CPU 一樣，采用透明化編程方式，并采用PROFINET系統冗余的方式將程序從標準系統遷移到冗余系統，無需額外工作。能有效避免控制器故障引起的停機，即使沒有維修人員也能保證冗余系統正常接替工作。

PROFINET 支持通過PROFIsafe 實現故障安全通訊，而且故障安全通信和標準通信共存于同一條通訊電纜上。PR0FIsafe 也是在工業功能安全方面首個推薦性的國家標準通信行規（GB/T 20830）。

通過軟硬件兩方面的配置來加強網絡的安全性，系統配置的網絡交換、控制器件等具備防火墻功能，通過一系列針對性的組態配置，保證危險及錯誤的數據不能進入內部控制網絡，保護數據信息傳輸交換安全。S7-1500 系列PLC 的CPU 還集成了訪問保護、VPN（虛擬專用網絡）、防火墻及防拷貝專有知識產權保護功能。系統軟硬件的安全性能大幅提高。

6 總結

①陶瓷寬體輥道窯應用分布式網絡控制系統，硬件的選型應用是關鍵之一；采取網絡控制方式，系統穩定、可靠、高效，交互性好。設備布線簡潔，大大減少電纜敷設數量、I/O 設備數量，及設備控制室所需空間，節省了設計、安裝及維護費用，設備調試、維護操作簡便。是自動化控制系統結構的發展方向。

②采用PROFINET 總線，可以實現從設備層到控制及管理層的一網到底的數據傳輸。以高性能S7-1500 系列PLC 作為核心編程控制器，系統可靠性、保密性及安全性高。其集成的OPC UA 協議，易于構成信息化工廠的基礎架構。通過TIA Portal 軟件，系統編程及組態簡易、高效。

③全分布式網絡控制系統應用在陶瓷輥道窯上，大大提高了控制系統的穩定性、交互性及陶瓷輥道窯的控制水平；為陶瓷窯爐的自動化、智能化控制提供了堅實的硬件基礎，為工藝設備數據的后續處理及數字化工廠提供快捷全面的窯爐節點數據支撐，為實現現場微觀控制與企業宏觀決策控制一體化提供可靠保障。