可编程系统、集散系统及现场总线系统在水泥生产中的应用

1 引言
在水泥生产中，过程控制系统完成生产工艺参数的检测、显示、记录、调节、控制、报警等功能，它对提高水泥生产线的作业率，改善产品质量及缩短新产品、新工艺的开发周期起着极其重要的作用。其特点是对生产实时过程进行控制，控制过程复杂，工艺滞后，监控参数多且数据变化快，数据处理及贮存量大。根据过程控制系统的特点及不同生产工艺过程控制要求，应用不同的控制系统才可以既安全可靠又经济高效地完成生产任务。目前，国内先进的大、中型过程控制系统基本上以采用PLC 和DCS 为主。早期水泥行业的生产控制主要是采用常规仪表加继电保护联锁控制，在现场设置电气柜、仪表柜及操作台。控制室内集中控制结合机旁单机控制。使得硬件数量和投资大量增加，安装与维护不便，影响了生产效率。上世纪80年代，由于可编程控制器(PLC)的应用，使水泥工业的自动化程度得到提高，每个车间单独用PLC进行控制，直至90年代初，可编程控制器与计算机构成的集散控制系统(DCS)开始应用，这在一定程度上提高了水泥工业的自动化生产水平，改善了生产管理，而且，在相当长的时期内，各企业仍然会采用DCS系统。但是，随着计算机、通信网络等信息技术的飞速发展，水泥工业的自动控制系统正向着智能化、数字化和网络化方向迈进，传统的集散控制系统和计算机分层控制方式也开始向智能终端与网络结合的现场总线控制系统（Fieldbus Confrol System）方向发展[1]。
下面简要分析一下PLC、DCS 及FCS 在水泥生产过程控制中的不同应用特点及选择原则。同时,解决好传统仪表与现场总线的兼容问题。
2 各种控制系统的特点
2.1 PLC 系统
PLC 系统主要特点是：工作可靠，运行速度快；积木式结构，组合灵活；良好的兼容性；程序编制及生成简单、丰富；网络功能强。PLC 系统能很好地完成工业实时顺序控制、条件控制、计数控制、步进控制等功能；能够完成模/数（A/D）、数/模（D/A）转换、数据处理、通讯联网、实时监控等功能。
2.2 　DCS 系统
DCS 是目前工业过程控制领域里应用很成熟的一类控制系统, 与常规控制系统和集中控制系统相比, 它具有很好的适应性和扩张性, 控制功能主要由软件实现, 具有很高的灵活性和完善的控制能力, 由于系统采用模块化结构和各种冗余技术, 系统的可靠性高, 加上完善的在线故障诊断技术, 系统的可维修性好, 因此DCS 在工业过程控制领域得到了广泛的应用和发展, 而且也取得了很好的控制效果。然而, 随着控制技术和计算机技术的发展, 仍有一些问题有待解决。一是系统的开放性的问题。目前, DCS 通常都是由一个供应商提供整个系统的所有部件, 包括软硬件, 各厂家都有自己的通信协议, 产品之间不能兼容, 这实际上造成了系统的封闭, 也在一定程度上制约了DCS 的发展。另一个重要的问题是系统与现场仪表的通信问题。目前, 现场测量仪表、执行器与DCS 之间仍然是采用一对一的DC4～20mA 的标准模拟信号。这种传统的检测、传送和输出方式存在以下缺点。
①每路信号必须使用一对信号线, 这一结构的特点是信号线数目随着测点的增多而增多, 给系统的扩充和维修带来一点困难, 且信号线的长度受到限制。②每路模拟信号之间必须有良好的隔离, 保护措施, 以防止互相干扰。③现场仪表本身没有自检功能, 无法向计算机报告仪表的状态, 由于接线不良所引起的误差无法自动检测。④各个现场检测仪表的标识与定位是通过接线确定的, 这是一种隐式的定义, 很容易发生错误,而且查找困难。⑤仪表的输出信号一般不能直接共享, 而必须在进入计算机并成为数字信号后才能共享。在这样的背景下, 现场总线控制系统应运而生, 它很好地解决了DCS 中开放性的问题以及系统与现场仪表的通信问题[2]。
2.3 　现场总线控制系统
现场总线技术是20 世纪80 年代后期出现的,现场总线是指制造、生产过程中从控制室到现场仪表装置之间的数据总线, 实现现场仪表与计算机控制之间的全数字化、高性能、两线制、多支路的通信网络。
现场智能仪表使得控制系统的接线变得简单,由于每个现场仪表就是一个控制站, 测量和控制在现场由现场仪表来完成, 而不依赖于系统的操作,与上位监控系统相对独立, 这样, 现场仪表与系统的接线就简化了, 从控制现场到控制中心只需要标准的网络线连接, 而且可以多台仪表共用一对电缆, 这样大大节约了电缆, 以及相应的接线盒等硬件资源, 同时也为系统的硬件维护提供了方便, 减少了出现问题的可能性。
①系统具有很好的开放性。开放性是指对相关标准的一致性、公开性。一个开放的系统, 是指它可以与世界上任何地方遵守相同标准的其他设备和系统连接, 通信协议一致公开, 各不同厂家的设备之间可实现信息交换。现场总线就是这样的一个工厂底层网络的开放系统。
②互可操作性与互用性。互可操作性是指互连的设备或系统之间可以互传信息, 互用性即可替换性, 即不同厂家的同性能的产品可以互相替换。
③现场设备的智能化与功能自治性。现场智能仪表自身就可以完成计算与自动控制等基本功能,只有一些高级的控制任务才交给上位机来完成。同时, 它还可以随时诊断设备的运行状态。
④系统结构的高度分散。在DCS 控制系统中,分散与集中相结合, 虽然利用基本控制单元把控制任务分散, 但是仍然有很多的控制功能的实现依赖高层计算装置, 而现场总线实现了控制功能的彻底分散, 简化了系统结构, 提高了可靠性。
⑤对现场环境的适应性。现场总线是一种广泛应用于工厂低层的网络, 是专为现场环境而设计的, 可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等, 具有较强的抗干扰能力, 能采用两线制实现供电与通信, 并可以满足本质安全防爆等要求[3]。

3 　传统仪表与现场总线的兼容
在工业自动化领域, 现场总线已经得到了越来越广泛的应用, 而且随着大家对它的认识的增多,对它的认可程度也大大提高, 现场总线将有着广阔的前景。但是, 由于现场总线的出现时间比较短,特别是在产品开发上面, 还没有形成一个丰富的完善的产品市场, 而且由于目前协议的众多, 更加分散了产品开发的力量, 使得现有的产品还不能完全满足用户的需要。对于用户来说, 尽管现场总线系统有着这么多的优点, 但工程费用也是他们是否采纳该产品的考虑因素之一。目前智能仪表的价格都比较高, 用户要全部采用这些新产品, 工程费用会很大。对此,一个很好的解决的办法是把传统仪表“挂接”到总线上来, 这样, 利用了总线的控制和通信技术, 同时又节省了硬件开支, 特别是对于系统改造的用户来说, 很好的利用了他们的已有设备。实现传统仪表与现场总线兼容的设备就是标准信号―现场总线转换器和现场总线标--准信号转换器。标准信号―现场总线转换器的主要功能是把由传感器采集来的DC4～20mA 的模拟信号转换为符合总线协议的数字信号, 完成计算、控制等基本控制任务, 还对设备的运行状态实时的在线诊断。可以3 路或是4 路多路输入, 减少每一路的成本。现场总线―标准信号转换器的功能主要是将符合总线协议的信号转换位CPU能够识别的信号, 再进行计算处理, 最后转换为DC4～20mA 的模拟信号, 输出到执行机构[4]。
4 控制系统的选择
由于现场总线FCS 系统仍处于发展阶段，标准未统一，各设备生产厂家处于观望状态，现有总线标准的智能设备价格明显偏高（如变送器2 万元）。水泥行业具有调节回路较少、监视参数多的特点，现场总线FCS 控制系统应用较少，部分应用也是作为PLC系统的远程终端，一般采用Profibus 总线。这里主要介绍DCS 与PLC 控制系统的选择。随着微电子技术尤其是个人计算机技术的飞速发展，PLC 和DCS 的性能都有了极大的改进。PLC大大提高了数据处理功能和通讯与监控功能，DCS 系统向开放性发展，操作站采用工控机，操作系统采用通用的Windows NT 操作平台，PC 机丰富的软件资源得以利用，因而大大降低了系统繁琐程度和价格，提高了系统的性价比。PLC 和DCS 在抢占市场的过程中，两者相互借鉴、渗透、融合，极大地增加了用户在设计和使用中的选择性。同时，由于各种控制系统生产制造厂家较多，产品更新换代快，也给系统选择带来一定困难。现依据PLC 系统和DCS 的不同特点，在水泥建设和改造项目中，对过程控制系统的设计选型和应用归纳总结以下原则进行选择。
4.1 按过程控制系统的控制规模及复杂程度
不同的水泥生产过程，过程控制系统控制规模与复杂程度不同，通常在过程控制系统规模较大、复杂程度较高时优先选择DCS。因为该系统是根据过程控制系统的特点发展而来的，它对大量的模拟量数据信息能较好地进行处理、分析、运算，能完成各种复杂、繁琐的调节控制计算，因此能够完成规模大、复杂程度高的过程控制系统的工作。2002 年在贵阳水泥厂二期工程设计中，根据此项原则过程控制系统采用了日本横河?XL DCS 取得了较好的效果，系统配置如图1 所示。


4.2 按投资规模和项目经济效率合理选择
在一些中小型改造项目中，投资较少，规模较小的仪控系统应优先选择价格相对低廉、性价比较好的PLC 系统。如在2003年，重庆水泥厂技改工程设计中，根据此项原则在过程控制系统中选用了美国德州仪器（TI）公司生产的TI-545 系列PLC 系统，也取得了很好的效果。该系统配置如图2 所示。BA 机架 RBC 远程控制器 PS 电源模块 CPU 处理器 AI 模拟量输入模块 AO 模拟量输出模块 DI 开关量输入模块 DO 开关量输出模块 NIM 网络连接模块。


图2 重庆水泥厂技改工程TI-545 系统配置图
4.3 考虑系统连续性、兼容性及通讯性能
在一些水泥改造项目中，如原项目中已有计算机控制系统，则要考虑系统的连续性及兼容性。如果电气控制系统占有很大的比重，则要考虑与生产管理计算机系统信息网络的连接,即通讯性能。
4.4 考虑系统
生产厂家技术服务性目前在中国PLC 系统和DCS 的销售市场，国外生产厂家占有率很大，国外各大生产厂家一般在中国设有产品宣传和技术服务机构，而国外公司经常进行重组、合并或兼并，由于各公司产品结构、销售策略、市场占有方向个不相同，合并或兼并后，在中国市场的技术宣传和服务方面，将有所变化，有些有所加强而有些有所削弱，因此我们在选择系统时，应充分掌握信息，考虑系统生产厂家技术服务性，以保证所选择系统的先进性、发展性，以保证具有充分的技术支持和备品备件供应。
5 现场总线―标准信号转换器
如果选用现场总线FCS 控制系统就要解决现场总线―标准信号转换的问题。 WorldFip 是目前国际认证的8 种总线协议之一, 除了具备现场总线的一般特点, 还具有一些独到之处。WorldFIP 现场总线不论低速还是高速,只有一套通信协议, 所以不需要任何网桥或网关,低速与高速网络的衔接只用软件完成。另外它的生产者/ 使用者( Producer/ Consumer) 模式和总线仲裁器(Bus Arbiter) 的调度方式特别适合工业过程控制用的现场总线系统。FF 与IEC 标准都采用了这种通信模式, 只是名称不同。FF 称为发布方/ 接收方( Publisher/ Subscriber ) 与链接调度器(LAS) , 实际方式与WorldFIP 完成一致。
5．1 　现场总线―标准信号转换器的设计
现场总线―标准信号转换器的基本功能是将符合WorldFip 协议的总线信号转换为DC4-20mA 的标准模拟信号, 提供给外接的执行器。设计基本分为4 个模块: 电源板、通信板、输出板和显示模块。
通信板的设计中采用了微控制芯片MI2CROFIP。MICROFIP 芯片为低功耗芯片, 内置的通讯协议与WorldFip 标准和IEC 现场总线物理层标准兼容。它不需要支持总线仲裁器功能,与现有的WorldFip 协处理器, 如FULL FIP2 等完全兼容。它的主要特征有以下几点。
①可选择分界符和FCS 格式: IEC 或U TE。②芯片内置512 字节内存: 120 字节分配给8字节块, 最多支持8 个MPS 变量; 为全双工交换提供128 字节的发报通道能力。③两个可编程8 位I/ O 端口带有滤波和FALLBACK功能。④可直接与常用微控制器( INTEL , MO2TOROLA 的所有芯片) 相接。⑤有多种线驱动接口可供选择: FIECDRIVE ,CREOL 等。⑥选址空间: 7 个以节点地址为基础的标识符, 1 个完全可组态的16 位发报地址。⑦一个中断, 以指示发生了与变量及报文交换相关联的事件。⑧独立操作(无微处理器) ; 将简单的I/ O 系统接入网络。⑨工作电压可选择5V 或313V , 满足易爆环境下的本质安全要求。
MICROFIP 提供了数据链路层和MPS 应用层的接口, 提供的服务有以下几点。
① 物理层服务: 在EN10570 和FIP 标准之间进行选择。
② 数据链路层服务: 变量传送服务和报文传送服务。
③ 网络管理服务: MICROFIP 介质冗余管理。
④ 附加功能: 输入/ 输出端口, 通过并行端口获取站地址。
5．2 　CPU的选用
选用了MOTOROLA 的MC68HC12 , 它有多种工作模式。16 位的地址线, 具有64k 的地址空间, 也易于扩展。32kB 的ROM 和1kB 的RAM ,728kB 的EEPROM , 可以很方便的写入程序。串行口有同步串行通信和异步串行通信两种, 与外接芯片的接口设计比较简单。
5．3 　CPU与MICROFIP 的接口
MICROFIP 与CPU 之间的接口信号包括9 条地址/ 数据复用线, 1 条片选信号, 1 条重置信号,3 条读写控制信号和中断申请线等。MICROFIP 输出中断申请信号给CPU , CPU 通过读内部的中断状态信号来确定中断源。具体见图3 。

图3 　接口示意图
5．4 　MICROFIP 与总线的接口
MICROFIP 有8 条现场总线接口线, 分别是一条接收数据信号线, 一条发送数据信号线, 一条控制总线发送器工作状态的控制线, 5 条状态信号线。总线模拟接口包含的电路有接收信号的整形滤波部分, 发送信号的驱动部分和变压器隔离部分。
5．5 　CPU与D/ A 的接口
CPU 输出的数据信号DIN 经DAC8420 被转换为模拟信号。DAC8420 的工作时钟SCK 由CPU提供, 它还提供CS、LOAD 等控制信号, 它们都必须经过6N137 进行隔离[5]。
6 结语
综上所述，系统选型的原则可从以下几个方面考虑：系统规模、复杂程度、系统的兼容及通讯性能，以及生产厂家技术支持和售后服务等。在水泥生产过程控制系统中，根据过程对象复杂程度的不同，以及针对控制系统的可靠性合理选择的不同控制系统，对保证生产过程控制系统的自动化水平，降低工程造价有着十分重要的意义。同时, 如果选用现场总线FCS 控制系统,让传统仪表与现场总线兼容无疑是一个很好的途径, 目前几种不同协议的支持厂家都开发出了相应的总线和标准信号的转换器。
参考文献
[1] 　阳宪惠. 现场总线技术及其应用[M] . 北京: 清华大学出版社,19991
[2] 柳桂国 检测技术及应用 电子工业出版社 第一版 2002 23―40
[3] 　白焰1 计算机控制系统[M]1 北京:中国电力出版社,19981
[4] 刘曙光 现场总线技术的进展与展望 自动化与仪表 2001．3，56―60
[5] 　SMAR Company. Smar Fieldbus 302 series InstructionManual. SMAR Company , 19961