浅谈Profibus-DP现场总线在煤气回收改造中的应用-技术方案

浅谈Profibus—DP现场总线在煤气回收改造中的应用-技术方案1引言

自控系统是当代进展快速，应用广泛，引人瞩目的高技术之一；是推动新的技术革命和新的产业革命的技术。通俗地说，自动化就是用机器设备或系统代替人完成某种生产任务，或者代替人实现某种过程，或代替人进行事务管理工作。严格地说，自动化就是指在没有人的直接参加下，机器设备或生产管理过程通过自动检测、信息处理、分析推断自动地实现预期的操作或某种过程。自动掌握系统是具有肯定功能，可以完成某种掌握任务的系统。自动掌握系统的组成和工作原理与人体的构成和工作机理有许多相像之处：自动掌握系统中有相当于人的感觉器官的传感器，有相当于人的大脑和神经系统的掌握装置，也有相当于人的手、腿及其肌肉的执行机构。传感器用于检测指令信息、外界变化信息以及被控对象的状态信息，并将其变换成电信号传给掌握装置。掌握装置则计算出被控对象的当前状态（称为被控量，或系统的输出量）与所盼望的状态（称为输入信号）之差，并依据这一偏差（称为误差信号）按肯定规律产生出掌握信号，然后经过放大，送给操作执行机构。操作执行机构用于驱动被控对象运动，直到它的状态达到所盼望的状态为止。这种把系统的输出或系统的另外一些受控变量和系统的输入作比较后，形成的掌握称为闭环掌握或反馈掌握。

莱钢集团股份公司所属炼钢厂是该公司支柱单位，应生产要求，对原煤气回收自控系统进行改造，原有的煤气回收自控系统于1998年投运，采纳德国siemens公司的s5plc系统，PLC是由摸仿原继电器掌握原理进展起来的，二十世纪七十年月的PLC只有开关量规律掌握，首先应用的是汽车制造行业。它以存储执行规律运算、挨次掌握、定时、计数和运算等操作的指令；并通过数字输入和输出操作，来掌握各类机械或生产过程。用户编制的掌握程序表达了生产过程的工艺要求，并事先存入PLC的用户程序存储器中。运行时按存储程序的内容逐条执行，以完成工艺流程要求的操作。PLC的CPU内有指示程序步存储地址的程序计数器，在程序运行过程中，每执行一步该计数器自动加1，程序从起始步（步序号为零）起依次执行到终步（通常为END指令），然后再返回起始步循环运算。PLC每完成循环操作所需的时间称为一个扫描周期。不同型号的PLC，循环扫描周期在1微秒到几十微秒之间。PLC用梯形图编程，在解算规律方面，表现出快速的优点，在微秒量级，解算1K规律程序不到1毫秒。它把全部的输入都当成开关量来处理，16位（也有32位的）为一个模拟量。大型PLC使用另外一个CPU来完成模拟量的运算。把计算结果送给PLC的掌握器。上位机采纳研华ipc—610（p166），mmi系统采纳fixdmacs监控软件，并采纳以同轴电缆为介质，基于tf协议的sinech1的以太网通讯网络如图1所示。

原系统渐渐暴露出越来越多的问题，主要突出在以下几个方面：

（1）无法满意硬件和软件扩容的需要；

（2）备品备件陈旧，供货困难；

（3）网络设计为环状结构，维护难度大；

（4）编程环境基于dos，无法与监控平台接口。

2系统介绍

现场总线是指以工厂内的测量和掌握机器间的数字通讯为主的网络，也称现场网络。也就是将传感器、各种操作终端和掌握器间的通讯及掌握器之间的通讯进行特化的网络。原来这些机器间的主体配线是ON/OFF、接点信号和模拟信号，通过通讯的数字化，使时间分割、多重化、多点化成为可能，从而实现高性能化、高牢靠化、保养简便化、节约配线（配线的共享）。是连接智能现场设备和自动化系统的全数字、双向、多站的通信系统。主要解决工业现场的智能化仪器仪表、掌握器、执行机构等现场设备间的数字通信以及这些现场掌握设备和掌握系统之间的信息传递问题。

此次系统改造除考虑将plc升级之外，还要将环状网络改为星状结构，用profibus-dp现场总线。掌握方式采纳现场总线掌握方式适于转炉煤气回收现场分散的掌握设备性以及恶劣的现场环境。

plc采纳siemens公司s7-300，监控站采纳研华piii系列。plc与上位机则采纳了基于tcp/ip协议、星型拓扑结构的以太网通讯方式。星型连接的拓扑结构使得网络的牢靠性、扩充性更强；由于网络走线距离长，通讯介质采纳光缆，可以支持100mbps的通讯速率、几十公里超长的传输距离、很强的抗干扰力量以及极低的误码率。为了能够适应恶劣的工业环境，采纳了turck公司功能防护等级高的pdp、sdpb系列i/o模块作为远程站进行现场设备的信号采集。turck远程模块具有高防护等级、爱护力量以及完善的诊断功能，特别适合用于条件差的现场，降低了维护成本，改造方案如图2所示。

（1）plc配置

支持profibus-dp总线协议的cpu315-2dp1块、支持tcp/ip通讯协议的cp343-11块、ps307（考虑到主机架模块的背板电流消耗较小，电源模块容量选择为5a）1块、32点24vdi模板3块、32点24vdo模板2块、8路ai模板1块。

炉前掌握采纳bl20，pdp、sdpb系列i/o模块则用于现场掌握。

（2）turck系统硬件配置为：

（a）现场掌握：

4路ai模块（sdpb-40a-0007）21块、4路rtd模块（sdpb-40a-0009）11块、16点di（pdp-im16-0002）3块、8点do（pdp-om8-0004，2a）4块。

（b）炉前掌握：

3座转炉炉前掌握系统的硬件配置相同，均为：

profibus-dp耦合器（bl20-gw-pbdp-12mb，12mbps）1块、总线电源模块（bl20-br-24vdc-d）1块、32点di模板（bl20-32di-24vdc-p）1块、输出模板供电模块（bl20-pf-24vdc-d）1块、16点do模板（bl20-16do-24vdc-0.5a-p，0.5a）1块。

（3）上位机则全部采纳高性能的台湾研华工控机ipc-610（pⅲ1.0g/256m/40g）。

3计算机系统软件编制

整个煤气回收生产过程工艺流程图如图3所示。

整个煤气回收生产过程的plc掌握软件由梯形图，挨次图，语句表三部分组成，使用step7软件。

3.1程序的编制和结构

本着掌握程序应当简洁，安全牢靠，易读，可修改性质等要求，采纳模块化编程结构，完成掌握程序的结构功能框图，掌握程序的结构功能框图如图4所示。

本程序主要的功能模块有：

（1）自诊断程序

完成系统硬件故障和软件故障的分析识别，并做出适当处理。防止消失事故停机，并能完成通讯中断后的自动启动。

（2）数据预处理程序

完成开关量和模拟量数据、二次处理和一些工程量转换等。

（3）报警和事故处理程序

完成风机电流以及其它重要过程参数的监测报警和事故的紧急处理。

（4）煤气回收、放散过程掌握程序

完成正常生产过程中煤气回收，放散过程中的设备运作联锁掌握和回路调整掌握。

（5）生产数据统计：对回收、吹氧、降罩等重要生产行为的数据进行统计。

（6）风机运行掌握：可完成对4台风机以及相关负数设备的自动化掌握。

3.2操作界面组态设计

监控操作界面采纳siemens公司的基于windows2000平台的wincc软件包，它是一套供应现场数据采集，过程可视化及过程监控功能的工业自动化软件。其自身的数据库容量大，并且可用c语言编程。

依据工艺要求，编制工艺流程图、实时趋势图、历史趋势图、报警图等，再把数据信息填充连接到编制好的各种图和输出报表中。全部这些组件功能集成为一体、实时、综合