基金會現場總線FF技術在球團豎爐上的應用

冶金行業(yè)中運用精料技術是高爐冶煉技術進步的具體體現，使用球團礦來代替鐵礦和部分燒結礦是高爐精料技術的發(fā)展，采用高鹼度燒結礦加酸性球團礦的配料來進行高爐冶煉，從而達到增產節(jié)支的目的。
　　豎爐球團的生產是一個較復雜的包括專門設備的電氣聯鎖和過程控制的工業(yè)燒結過程，集配料、烘干、造球、燒結、成品運輸和除塵與一體。老式豎爐以手工操作為主，各種報表都是由操作工手工制作，工人的勞動強度較大，數據信息的可靠性差，難以作為指導生產的依據；工段間生產信息交流具有大滯后性；由于人工看表操作，在豎爐崗位不時出現過燒和欠燒的情況，布料排料崗位也不時因給料設備原因會有布料不均，卸料不勻的情況，使得產品質量不穩(wěn)定，爐體壽命受到嚴重影響，同時，設備利用率低，生產工藝和生產管理不完善，也造成了生產原料的浪費，增加了生產成本。近年來，DCS或PLC控制系統的的應用取代了手動操作，逐步實現了豎爐造球系統的分散控制和集中監(jiān)控，但現場底層傳感器和數據采集器之間多采用一對一物理連線和模擬信號傳輸導致大量布線，信號傳輸的抗干擾能力也較差。隨著自動控制技術，計算機技術和微電子技術的迅猛發(fā)展，現場總線技術的不斷創(chuàng)新，過程控制系統由第四代的DCS發(fā)展至今的FCS系統（現場總線控制系統），被稱為第五代過程控制系統。現場總線控制系統的應用避免了智能現場儀表與智能控制室儀表之間的非智能連接，　從而使現場智能儀表的各種智能功能得到淋漓盡致地發(fā)揮，同時，節(jié)省大量線纜，降低了施工和維護的成本。我們根據豎爐造球生產的基本工藝（見圖1）設計了現場總線控制系統。該系統采用沈陽中科博微公司NCS-3000系列產品，以FF現場總線技術為核心，結合工業(yè)以太網技術和OPC技術，以工控機和PC機為系統組態(tài)、編程、監(jiān)控、維護和管理的一體化平臺，形成以網絡集成自動化系統為基礎的企業(yè)信息系統。由于采用現場總線技術，避免了現場智能儀表與控制室智能控制器/儀表之間的非智能連接，使現場智能儀表的各種智能功能得到淋漓盡致地發(fā)揮，體現出現場總線在過程控制中的優(yōu)勢；保留了對常規(guī)儀表信號的處理功能，提供相應的常規(guī)IO卡件進行處理，可以隨時方便地過渡到現場總線，保護用戶原有投資；NCS-3000的分布控制單元可執(zhí)行IEC1161-3梯形圖編程語言，完成各種邏輯控制，能夠構成完整的控制系統；同時，作為國內首家通過現場總線基金會一致性和互操作性測試的產品，NCS-3000系統與其它廠商的設備實現了良好的互連和互操作，可對市場上取得FF認證的產品兼容。NCS-3000系統較好解決了傳統DCS及PLC系統中存在的問題，實現了工廠底層設備狀態(tài)、車間級監(jiān)控和工廠級信息管理的信息集成。

二．現場總線技術及NCS-3000系統

　　現場總線技術是近十年來興起的新技術，是二十一世紀工廠自動化必不可少的關鍵技術，它是用于現場儀表與控制室儀表之間實現全分散、全數字化、智能式、雙向、多變量、多站信息交換的一種通信系統，是信息技術、網絡技術與工業(yè)控制技術結合的集中體現。目前國際上流行的現場總線主要有過程現場總線PROFIBUS、基金會現場總線FF，LonWorks總線，CAN總線等，世界上許多自動化技術生產商都推出了支持某種主流現場總線標準的產品。FF現場總線基金會是可互操作系統協議ISP——基于德國的ProfiBus標準，　和工廠儀表世界協議WORLD（WorldFactoryInstrumentationProtocol）——基于法國的FIP標準于1994年6月合并成立的，包含100多個成員單位，負責制訂一個綜合IEC/ISA標準的國際現場總線?；饡F場總線是國際上幾家現場總線經過激烈競爭后形成的一種現場總線，與私有的網絡總線協議不同，FF總線不附屬于任何一個企業(yè)或國家，得到了世界上幾乎所有的著名儀表制造商的支持，同時遵守IEC的協議規(guī)劃，與IEC的現場總線國際標準和草案基本一致，加上它在技術上的優(yōu)勢，所以極有希望成為將來的主要國際標準。經過十年的發(fā)展，　基金會現場總線已經形成了一個開放的、全數字化的工業(yè)通信系統，并在上世紀末開始進入中國市場，推動了中國的工業(yè)自動化技術進步，并開始了大型全區(qū)域系統集成的應用。

　　NCS-3000系統是以現場總線技術為核心、OPC技術為紐帶的開放的網絡化控制系統，可將現場總線儀表、模擬儀表、分布式智能I/O、DCS、和PLC等工業(yè)自動化設備有機地集成在一起，為企業(yè)綜合自動化系統提供了一套全新的解決方案。NCS-3000系統具有以下特點：

?以FF現場總線技術為核心，將控制任務下放至工業(yè)現場的智能儀表，實現了控制功能的徹底分散，而控制功能的分散意味著危險分散，從而極大地提高了系統的可靠性。

?FFHSE高速總線和FFH1總線相互補充，構成企業(yè)綜合自動化系統的網絡平臺?，F場總線儀表、智能I/O與計算機之間通過現場總線連成一體，系統結構簡單，可擴展性強，不僅降低了布線成本，而且還具有設備遠程調試和自診斷能力，維護方便。

?不僅支持多種現場總線智能儀表，也支持傳統的模擬儀表、DCS和PLC，可以在最大程度上保護用戶的已有投資。

?支持設備描述技術，保證了不同廠商現場總線設備間的客戶操作性，使用戶有很大的設備選擇空間。

?可以集成各種流行的工業(yè)自動化設備和監(jiān)控組態(tài)軟件，是真正開放的網絡化控制系統。

?采用OPC標準，實現硬件與軟件及軟件與軟件間的信息集成，充分保證了系統的開放性。

?支持Internet，使用戶可以通過瀏覽器對生產過程進行遠程監(jiān)控。

三．系統網絡結構設計

　　現場總線技術的核心是網絡技術，NCS-3000系統的計算機網絡是一個實時網絡，信息處理滿足實時性、完整性、一致性和可靠性的要求。

　　FF總線系統的功能體系結構如圖一所示，共分為五個層次。

　　最底層是H1層。它的特點是可以總線供電，可以通過中繼器延長電纜距離；網段的調度設備（LAS）可以冗余；可以在儀表中運行功能塊，使控制功能分散到現場儀表；可以用于本質安全防爆環(huán)境。

　　第二層是HSE層。它是高性能的控制干線，通訊速率達到100Mbit/s；采用標準以太網設備和網絡；通過聯接設備可以集成H1子系統；HSE可以選擇冗余；通過HSE不但能夠運行標準的功能塊，而且可以運行靈活功能塊，以滿足批量控制和混合控制的需要。

　　第三層是OPC數據交換層（OPCDX）。在這一層，服務器與服務器之間可以交換數據，從而使數據可以用于支持各種應用軟件包，例如，應用于ERP系統，資產管理系統（AssetManagement），歷史數據處理，最優(yōu)化算法，數據倉庫等，通過OPCDX還可以與非FF系統進行數據交換。

　　第四層是上述的各種應用軟件包在這一層運行。

　　第五層是MIS系統，將過程數據用于全廠管理。

根據FF總線系統體系結構，結合豎爐造球生產的工藝特點，將豎爐造球控制系統結構設計如下，見圖二。