摘 要： 本文通過采用ProfiBus和ControlNet現(xiàn)場總線以太網(wǎng)技術(shù)，有效地解決了基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)(L1)內(nèi)部以及它與過程和管理控制系統(tǒng)(L2)之間的三電(電氣、儀表、計(jì)算機(jī))無縫集成問題。
引言
隨著控制、計(jì)算機(jī)通信、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)正發(fā)生巨大變化。底層控制網(wǎng)絡(luò)不再是孤立的控制系統(tǒng)，通過現(xiàn)場總線和以太網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)集成，將基礎(chǔ)自動(dòng)化控制網(wǎng)絡(luò)(L1)、過程和管理控制系統(tǒng)(L2)與企業(yè)資源規(guī)劃層ERP (Enterprise Resource Planning)連接在一起，是目前自動(dòng)控制領(lǐng)域的發(fā)展方向。本文將介紹某鋼廠的板坯庫/加熱爐自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，通過采用現(xiàn)場總線與以太網(wǎng)技術(shù)，有效地解決了L1內(nèi)部以及它與L2之間的三電(電氣、儀表、計(jì)算機(jī))無縫集成問題。

鋼廠板坯庫/加熱爐區(qū)自動(dòng)化控制系統(tǒng)
鋼廠板坯庫/加熱爐區(qū)自動(dòng)化控制系統(tǒng)由基礎(chǔ)自動(dòng)化控制系統(tǒng)、過程與管理控制系統(tǒng)組成。通過將兩種現(xiàn)場總線技術(shù)ProfiBus和ControlNet相結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)L1級網(wǎng)絡(luò)中儀表、電氣控制系統(tǒng)的通信；同時(shí)通過采用以太網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)和過程與管理控制系統(tǒng)之間的通信。

基礎(chǔ)自動(dòng)化控制系統(tǒng)
基礎(chǔ)自動(dòng)化控制系統(tǒng)包括加熱爐電氣PLC控制系統(tǒng)和加熱爐儀表DCS控制系統(tǒng)。采用美國RockWell Automation 公司開發(fā)的Processlogix混合型控制器用于加熱爐儀表控制系統(tǒng)(每座加熱爐采用一套)；采用該公司開發(fā)的Controllogix控制器用于加熱爐電氣傳動(dòng)的控制(每座加熱爐采用一套)。儀表、電氣控制系統(tǒng)通過雙重化的ControlNet與操作站的服務(wù)器連接，從而構(gòu)成儀電一體化控制系統(tǒng)。
在系統(tǒng)配置上采用了兩臺(tái)互為冗余的ProcessLogix服務(wù)器:SERVER A和SERVER B。
儀表DCS控制系統(tǒng)的配置
儀表DCS硬件系統(tǒng)采用ProcessLogix系列。根據(jù)工藝要求及現(xiàn)場設(shè)備布置特點(diǎn)，每個(gè)加熱爐各設(shè)1個(gè)DCS控制站，通過ControlNet接本地I/O控制機(jī)架，分別用于加熱爐6段燃燒控制、爐壓控制、兩套助燃風(fēng)機(jī)、一套稀釋風(fēng)機(jī)、煙道、換熱器和冷卻水的過程檢測和控制。
電氣PLC控制系統(tǒng)配置
電氣PLC硬件系統(tǒng)采用ControlLogix系列。根據(jù)工藝要求及現(xiàn)場設(shè)備布置特點(diǎn)，設(shè)5個(gè)PLC控制站，分別完成板坯庫、1號加熱爐、2號加熱爐、1號加熱爐液壓站、2號加熱爐液壓站的電氣控制功能。

圖1 2號加熱爐電氣PLC控制系統(tǒng)配置

圖1為其中2號加熱爐PLC的配置情況。PLC控制器分別控制該加熱爐的裝鋼機(jī)、步進(jìn)梁、出鋼機(jī)、液壓站和其它公輔設(shè)施，并通過ControlNet總線連接遠(yuǎn)程I/O站，實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場信號的采集及信號輸出。同時(shí)通過兩條冗余的ControlNet總線與儀表DCS系統(tǒng)通信，通過ProfiBus DP與ABB公司的ASC600型變頻裝置通信，實(shí)現(xiàn)對裝鋼機(jī)/出鋼機(jī)、加熱爐前后輥道的控制。
過程與管理控制系統(tǒng)
L2級一方面要完成實(shí)時(shí)性較強(qiáng)的過程控制功能，如鋼坯跟蹤、裝出鋼設(shè)定等，另一方面要完成實(shí)時(shí)性要求低的軋制計(jì)劃編制和板坯庫數(shù)據(jù)管理功能，因此，根據(jù)工藝特點(diǎn)和控制功能分散從而降低危險(xiǎn)性的要求，過程與管理控制系統(tǒng)由加熱爐過程控制機(jī)和板坯庫控制機(jī)組成，各計(jì)算機(jī)之間通過以太網(wǎng)通信。
加熱爐計(jì)算機(jī)通過訪問兩臺(tái)冗余服務(wù)器SERVERA，SERVERB，實(shí)現(xiàn)與基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換，板坯庫計(jì)算機(jī)則不通過服務(wù)器，而是通過以太網(wǎng)直接與板坯庫PLC通信。因?yàn)榘迮鲙煊?jì)算機(jī)負(fù)責(zé)向庫內(nèi)吊車發(fā)出操作指令，這些吊車和由L1級PLC控制的輥道之間有十分密切的信號聯(lián)鎖，如果通過中間L1級網(wǎng)絡(luò)，往往因通信丟失或延遲，使聯(lián)鎖失敗，造成難以想象的后果。
通信的一些特點(diǎn)
本自動(dòng)化系統(tǒng)由L1，L2兩級構(gòu)成，包含三種通信網(wǎng)絡(luò)。操作站采用服務(wù)器/客戶端結(jié)構(gòu)，服務(wù)器和客戶端之間采用TCP/IP協(xié)議的以太網(wǎng)連接。出爐操作室(3CS)設(shè)兩套HMI(1、2號操作站)，對加熱爐的儀表-電氣進(jìn)行集中監(jiān)控和操作(每臺(tái)操作站均可對儀表、電氣進(jìn)行操作)；加熱爐基礎(chǔ)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的四臺(tái)HMI操作站和兩臺(tái)冗余配置的ProcessLogix服務(wù)器，以及二級計(jì)算機(jī)均建立在同一個(gè)工業(yè)以太網(wǎng)上，共同構(gòu)成三電自動(dòng)化控制系統(tǒng)。基礎(chǔ)自動(dòng)化控制系統(tǒng)通過工業(yè)以太網(wǎng)與二級計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊。
以太網(wǎng)通信
目前，解決以太網(wǎng)實(shí)時(shí)性問題的一種方法是采用以太網(wǎng)和UDP/IP協(xié)議相結(jié)合的技術(shù)。本系統(tǒng)采用通用的以太網(wǎng)技術(shù)與TCP/IP協(xié)議相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)L2級內(nèi)部以及L2與L1之間的通信。L2級內(nèi)部通過5類雙絞線實(shí)現(xiàn)連接；L2交換機(jī)與距離較遠(yuǎn)、且須穿越電纜溝道的L1設(shè)備之間，通過光纜進(jìn)行連接。
ControlNet 通信
ControlNet是一種高速確定性網(wǎng)絡(luò)，用于對時(shí)間有苛刻要求的應(yīng)用場合的信息傳輸。同時(shí)，它允許傳送對時(shí)間無苛刻要求的報(bào)文數(shù)據(jù)，但不會(huì)對有時(shí)間苛刻要求的數(shù)據(jù)傳送造成沖擊。它支持混合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(主/從、多主和對等設(shè)備的任意混合)。
本系統(tǒng)采用ControlNet總線主要基于以下三個(gè)理由：
(1)作為L1級控制器之間信息交換的通道，方便儀控DCS與電控PLC之間的通信。
傳統(tǒng)意義上的DCS系統(tǒng)，如HONEYWELL公司的DCS要實(shí)現(xiàn)與PLC之間的通信是極為困難的。但在本系統(tǒng)中，由于ControlNet的使用，ProcessLogix控制器與ControlLogix控制器之間的通信只須簡單組態(tài)即可完成。
(2)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸。對承擔(dān)信號采集任務(wù)的遠(yuǎn)程I/O站及控制器之間需要進(jìn)行實(shí)時(shí)交換的信息，通過通信組態(tài)軟件設(shè)定為定周期讀寫方式，使這些信號傳輸不會(huì)延遲。
(3)調(diào)試與維護(hù)方便。在任何一個(gè)ControlNet通信模塊上，都可以實(shí)現(xiàn)程序的上裝和下載。這意味著，將筆記本電腦接到主站或現(xiàn)場遠(yuǎn)程I/O站的通信模塊上都可以進(jìn)行調(diào)試或維護(hù)。對于像加熱爐爐底、液壓站等通話效果較差的場合，提供此種手段，是非常必要的。
雖然ControlNet具有以上的優(yōu)點(diǎn)，并且傳輸率最快可達(dá)5Mbps、支持周期與非周期掃描方式。但是，ControlNet總線通常用于控制器與遠(yuǎn)程I/O之間的通信或控制器之間的通信，而不用于控制器與傳動(dòng)裝置之間的通信。因此，在控制器與傳動(dòng)裝置之間的通信必須考慮用另一種現(xiàn)場總線實(shí)現(xiàn)。
ProfiBus DP通信
ProfiBus DP用于設(shè)備級的高速數(shù)據(jù)傳送，中央控制器通過高速串行線同分散的現(xiàn)場設(shè)備(如I/O、驅(qū)動(dòng)器、閥門等)進(jìn)行通信，通信速率為9.6kbps ~ 12Mbps，傳輸介質(zhì)采用RS-485雙絞線、電纜或光纜，支持單主或多主系統(tǒng)，總線上最多站點(diǎn)數(shù)為126個(gè)。
本系統(tǒng)中ProfiBus DP總線完成PLC與變頻裝置的通信，并采用主從方式通信：在PLC主機(jī)架配置型號為PFB-SST-CLX的ProfiBus通信模塊(SST公司生產(chǎn))，作為ProfiBus DP主站，以輪詢方式對下屬各從站(變頻裝置)進(jìn)行定周期掃描和讀寫。該模塊同時(shí)通過ControlNet背板總線實(shí)現(xiàn)與ControlLogix的通信。這樣，ControlLogix在一個(gè)掃描周期只須對PFB-SST-CLX模塊進(jìn)行一次讀寫，就可將下達(dá)給變頻器的指令傳送到PFB-SST-CLX模塊對應(yīng)的數(shù)據(jù)區(qū)，并將各變頻器返回的狀態(tài)信號從對應(yīng)的數(shù)據(jù)區(qū)取出，從而實(shí)現(xiàn)對下屬每個(gè)變頻裝置的監(jiān)控。
事實(shí)上，對本系統(tǒng)而言，PLC制造商RockWell公司推薦的傳動(dòng)系統(tǒng)接入方案是采用DeviceNet總線。最終我們決定采用ProfiBus總線實(shí)現(xiàn)PLC與變頻裝置的通信，是基于以下三點(diǎn)因素：
(1)速度方面的考慮。雖然通信速度快慢與使用介質(zhì)的長度、類型和站點(diǎn)數(shù)量及數(shù)據(jù)傳送量等因素有關(guān)。但我們注意到：DeviceNet的數(shù)據(jù)傳輸率最快為1.5Mbps，ProfiBus的數(shù)據(jù)傳輸率最快可達(dá)12Mbps。
(2)調(diào)試和維護(hù)方面的考慮。SIEMENS自動(dòng)化設(shè)備級通信解決方案—ProfiBus總線，已被廣泛采用。企業(yè)的管理人員和技術(shù)人員對該總線的調(diào)試以及維護(hù)有一定了解，故傾向于采用ProfiBus現(xiàn)場總線的方案。
(3)系統(tǒng)可擴(kuò)展方面的考慮。在電氣傳動(dòng)領(lǐng)域，不管是直流還是交流的傳動(dòng)裝置，大多支持ProfiBus通信，而DeviceNet在該領(lǐng)域的支持率相對較低。為以后系統(tǒng)升級或擴(kuò)容的方便起見，我們采用ProfiBus。
當(dāng)然，如果采用DeviceNet，就不必在ControlLogix機(jī)架上插入第三方生產(chǎn)的模塊。最初調(diào)試階段的難度和工作量會(huì)大為減小，特別是可以避免寫一些語句不多但極難理解的通信程序。但是，這些細(xì)小的損失和ProfiBus的其它好處相比是微不足道的。

結(jié)語
根據(jù)以上系統(tǒng)方案，通過硬件設(shè)計(jì)、軟件編程、施工、調(diào)試及試運(yùn)行后，該廠首期建設(shè)的2號加熱爐已投入生產(chǎn),效果良好。二期1號加熱爐正在建設(shè)之中。