一 前言

工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)是近年來(lái)自動(dòng)化行業(yè)最為關(guān)注的技術(shù)之一，給自動(dòng)化控制技術(shù)帶來(lái)了很大的進(jìn)步。現(xiàn)場(chǎng)總線（Fieldbus）是近年來(lái)迅速發(fā)展起來(lái)的一種工業(yè)數(shù)據(jù)總線，它主要解決工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的智能化儀器儀表、控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備間的數(shù)字通信以及這些現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備和高級(jí)控制系統(tǒng)之間的信息傳遞問(wèn)題。由于現(xiàn)場(chǎng)總線簡(jiǎn)單、可靠、經(jīng)濟(jì)實(shí)用等一系列突出的優(yōu)點(diǎn)，因而受到了許多標(biāo)準(zhǔn)團(tuán)體和計(jì)算機(jī)廠商的高度重視。現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（Fieldbus Control System，F(xiàn)CS）使用一條通信電纜將現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備（智能化、帶有通信接口）連接，用數(shù)字化通信代替4-20mA/24VDC信號(hào)，完成現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備控制、監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程參數(shù)化等功能。它具有很多優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域有明顯的優(yōu)勢(shì)，如集成性高、組態(tài)簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)安裝方便、易于維護(hù)和擴(kuò)展、可以節(jié)約軟硬件投資等，使先進(jìn)的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備管理功能得以實(shí)現(xiàn)。現(xiàn)場(chǎng)總線（Fieldbus）是20世紀(jì)80年代末、90年代初國(guó)際上發(fā)展形成的，用于 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)過(guò)程自動(dòng)化、制造自動(dòng)化、樓宇自動(dòng)化等領(lǐng)域的現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備互連通訊網(wǎng)絡(luò)。它作為工廠數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，溝通了生產(chǎn)過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)及控制設(shè)備之間及其與更高控制管理層次之間的聯(lián)系。它不僅是一個(gè)基層網(wǎng)絡(luò)，而且還是一種開(kāi)放式、新型全分布控制系統(tǒng)。

武鋼煉鐵廠從2003年六號(hào)高爐新建工程開(kāi)始嘗試使用現(xiàn)場(chǎng)總線，這也是全國(guó)首例在高爐系統(tǒng)中采用總線。在六號(hào)高爐剛投產(chǎn)之初，一場(chǎng)意外導(dǎo)致主控樓失火，將爐頂布料和熱風(fēng)爐系統(tǒng)幾乎所有電氣線路燒壞，按照傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)級(jí)控制方式起碼要半個(gè)月的恢復(fù)時(shí)間，但因?yàn)槭褂昧爽F(xiàn)場(chǎng)總線，電纜數(shù)量很少，我們僅用了三天時(shí)間就恢復(fù)了生產(chǎn)，使高爐提前十幾天恢復(fù)生產(chǎn)，突出顯示了高爐現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)在維護(hù)和搶修方面相對(duì)于傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)控制方式的強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)。

二 傳統(tǒng)的高爐自動(dòng)化控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀及不足

高爐系統(tǒng)主要由爐頂上料系統(tǒng)、槽上和槽下供料系統(tǒng)、卷?yè)P(yáng)系統(tǒng)、噴煤系統(tǒng)、熱風(fēng)爐系統(tǒng)、爐前出鐵場(chǎng)系統(tǒng)和INBA渣處理系統(tǒng)等構(gòu)成，生產(chǎn)工藝復(fù)雜，分散點(diǎn)多，環(huán)境條件特殊，對(duì)電氣設(shè)備的要求非常高，這就造成了電氣自動(dòng)化系統(tǒng)非常龐雜，故障率高，維護(hù)量大。

目前我國(guó)高爐所采用的控制基本上是傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)控制方式。傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)級(jí)與車(chē)間級(jí)自動(dòng)化監(jiān)控及信息集成系統(tǒng)（包括：基于PC、PLC、DCS產(chǎn)品的分布式控制系統(tǒng)），其主要特點(diǎn)之一是，現(xiàn)場(chǎng)層設(shè)備與控制器之間的連接是一對(duì)一（一個(gè)I/O點(diǎn)對(duì)設(shè)備的一個(gè)測(cè)控點(diǎn)）所謂I/O接線方式，信號(hào)傳遞4-20mA（傳送模擬量信息）或24VDC（傳送開(kāi)關(guān)量信息）信號(hào)。如圖1所示：

從圖我們可以看出，這種傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)級(jí)自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)有幾個(gè)缺點(diǎn)：

（1）信息集成能力不強(qiáng)；

（2）系統(tǒng)不開(kāi)放、可集成性差、專(zhuān)業(yè)性不強(qiáng)；

（3）可靠性不易保證，它的主要缺點(diǎn)在于主機(jī)入口處的瓶頸現(xiàn)象。

由于現(xiàn)場(chǎng)及設(shè)備多，且比較分散，信號(hào)進(jìn)入PLC后，必須經(jīng)過(guò)A/D、D/A的轉(zhuǎn)換過(guò)程，且精確度有所降低，迫使PLC 的掃描周期加長(zhǎng)，使整個(gè)主機(jī)性能下降，威脅到高爐各種信號(hào)的實(shí)時(shí)性。影響到高爐控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

三 基于現(xiàn)場(chǎng)總線的高爐自動(dòng)化控制系統(tǒng)的原理及特點(diǎn)

Profibus 是唯一的全集成H1（過(guò)程）和H2（工廠自動(dòng)化）的現(xiàn)場(chǎng)總線解決方案，是一種不依賴(lài)于制造商的開(kāi)放式現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)。PROFIBUS，是一種國(guó)際化。開(kāi)放式。不依賴(lài)于設(shè)備生產(chǎn)商的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)。PROFIBUS傳送速度可在 9.6kbaud~12Mbaud范圍內(nèi)選擇且當(dāng)總線系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，所有連接到總線上的裝置應(yīng)該被設(shè)成相同的速度。廣泛適用于制造業(yè)自動(dòng)化、流程工業(yè)自動(dòng)化和樓宇、交通電力等其他領(lǐng)域自動(dòng)化。PROFIBUS是一種用于工廠自動(dòng)化車(chē)間級(jí)監(jiān)控和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層數(shù)據(jù)通信與控制的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)。可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層到車(chē)間級(jí)監(jiān)控的分散式數(shù)字控制和現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)，從而為實(shí)現(xiàn)工廠綜合自動(dòng)化和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備智能化提供了可行的解決方案。

Profibus根據(jù)應(yīng)用特點(diǎn)分為Profibus-DP ， Profibus-FMS ， Profibus-PA三個(gè)兼容版本。其中，Profibus-DP（H2）是一種經(jīng)過(guò)優(yōu)化的高速通信連接，專(zhuān)為自動(dòng)控制系統(tǒng)和設(shè)備級(jí)分散I/O之間的通信設(shè)計(jì)的，可用于分布式控制系統(tǒng)的高速數(shù)據(jù)傳輸，其傳輸速率可達(dá)12Mbit/s，一般構(gòu)成單主站系統(tǒng)。

Profibus的特點(diǎn)為可使分散式數(shù)字化控制器從現(xiàn)場(chǎng)層到車(chē)間級(jí)網(wǎng)絡(luò)化，該系統(tǒng)分為主站和從站。主站決定總線的數(shù)據(jù)通信，當(dāng)主站得到總線控制權(quán)（令牌）時(shí)，沒(méi)有外界請(qǐng)求也可以主動(dòng)發(fā)送信息。從站為外圍設(shè)備，典型的從站包括輸入輸出設(shè)備，控制器，驅(qū)動(dòng)器和測(cè)量變送器。

現(xiàn)場(chǎng)總線是以單個(gè)分散的、數(shù)字化、智能化的測(cè)量和控制設(shè)備作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，用總線相連接，實(shí)現(xiàn)相互交換信息，共同完成自動(dòng)控制功能的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與控制系統(tǒng)。它適合于替代價(jià)格昂貴的 24V DC和 4～20mA測(cè)量信號(hào)平行傳輸線路。在節(jié)省線路與設(shè)備的同時(shí)，也為武鋼煉鐵廠的以太網(wǎng)系統(tǒng)提供了現(xiàn)場(chǎng)級(jí)的控制功能。其原理如下圖2所示：

從圖中我們可以看到現(xiàn)場(chǎng)總線主要有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）減少設(shè)備（如隔離器、端子點(diǎn)數(shù)），節(jié)省工程費(fèi)用。

（2）由于免去了D/A及A/D轉(zhuǎn)換的過(guò)程，使信號(hào)精確度r提高。

（3）可以避免上千個(gè)檢測(cè)點(diǎn)和控制點(diǎn)的檢測(cè)信號(hào)匯集到DCS 的入口處所造成的信號(hào)堵塞，而是把控制功能下放到現(xiàn)場(chǎng)，增加了系統(tǒng)的可靠性。

（4）組態(tài)簡(jiǎn)單，安裝、運(yùn)行、維護(hù)簡(jiǎn)便；

（5）采用IP67的防護(hù)等級(jí)，使之完全適合高爐現(xiàn)場(chǎng)的惡劣環(huán)境。

四 武鋼煉鐵廠總線監(jiān)控及組態(tài)方式

4.1與PLC的總線接口

武鋼煉鐵廠采用施耐德PLC（Quantum系列），它采用PTQ模塊對(duì)總線進(jìn)行組態(tài)，PTQ模塊支持工業(yè)總線Profibus-DP協(xié)議，具有很強(qiáng)的擴(kuò)展性，機(jī)架上掛接一塊PTQ模塊，利用Profibus-DP 協(xié)議從工業(yè)總線上采集數(shù)據(jù)、控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行。通過(guò)Turck公司提供的GSD文件，PROFIBUS – DP的DP即Decentralized Periphery。它具有高速低成本，用于設(shè)備級(jí)控制系統(tǒng)與分散式I／O的通信。它與PROFIBUS－PA（Process Automation ）、PROFIBUS-FMS （Fieldbus Message Specification ）共同組成了PROFIBUS標(biāo)準(zhǔn)。組態(tài)圖如圖3：

4.2計(jì)算機(jī)監(jiān)控

在總線監(jiān)控畫(huà)面中，我們采用Wonderware公司的Intouch軟件進(jìn)行監(jiān)控，可以監(jiān)控每個(gè)總線模塊的通訊狀態(tài)，當(dāng)出現(xiàn)總線報(bào)警時(shí)，我們很快就可以通過(guò)總線確認(rèn)出現(xiàn)故障的設(shè)備，有效地提高了故障搶修的時(shí)間。Intouch 一種工業(yè)自動(dòng)化組態(tài)軟件，Wonderware公司產(chǎn)品。Wonderware 公司成立于 1987 年，是在制造運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)率先推出 Microsoft Windows 平臺(tái)的人機(jī)界面 （HMI） 自動(dòng)化軟件的先鋒。世界第一家推出組態(tài)軟件的公司。InTouch HMI軟件用于可視化和控制工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程。它為工程師提供了一種易用的開(kāi)發(fā)環(huán)境和廣泛的功能，使工程師能夠快速地建立、測(cè)試和部署強(qiáng)大的連接和傳遞實(shí)時(shí)信息的自動(dòng)化應(yīng)用。InTouch軟件是一個(gè)開(kāi)放的、可擴(kuò)展的人機(jī)界面，為定制應(yīng)用程序設(shè)計(jì)提供了靈活性，同時(shí)為工業(yè)中的各種自動(dòng)化設(shè)備提供了連接能力。

五 應(yīng)用效果及未來(lái)展望

采用現(xiàn)場(chǎng)總線避免了大量的點(diǎn)到點(diǎn)的電纜敷設(shè)，降低了線路敷設(shè)設(shè)計(jì)的難度和施工的復(fù)雜性，節(jié)省了投資、安裝、調(diào)試及維護(hù)的費(fèi)用，維護(hù)方便，減少了高爐休風(fēng)次數(shù)，為煉鐵廠的生產(chǎn)帶來(lái)了直接的經(jīng)濟(jì)效益，收到了良好效果。

面對(duì)工業(yè)技術(shù)革命的挑戰(zhàn)，我們應(yīng)該把握機(jī)遇。現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在自動(dòng)化控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，必將擁有越來(lái)越廣泛的領(lǐng)域和空間，對(duì)我們的發(fā)展起到良好的促進(jìn)作用。