1 、引言

水泥工業(yè)作為當前國民經(jīng)濟支柱產(chǎn)業(yè)之一，在我國國民經(jīng)濟中占據(jù)重要地位。隨著計算機、通訊、網(wǎng)絡等信息技術的飛速發(fā)展，水泥工業(yè)的自動控制系統(tǒng)正向著智能化、數(shù)字化和網(wǎng)絡化方向邁進?，F(xiàn)場總線作為一種正在發(fā)展的新技術，正在迅速覆蓋從工廠的現(xiàn)場設備層到控制、管理的各個層次，既可以將一個現(xiàn)場設備的運行參數(shù)、狀態(tài)以及故障信息等送往控制室，又可將各種控制、維護、組態(tài)命令甚至現(xiàn)場設備的工作電源等送往各相關的現(xiàn)場設備，從而溝通了生產(chǎn)過程現(xiàn)場控制設備之間及其更高控制管理層之間的聯(lián)系。

2、 現(xiàn)場總線技術簡介

2．1 現(xiàn)場總線基本認知

現(xiàn)場總線是安裝在生產(chǎn)過程區(qū)域的現(xiàn)場設備、儀表與控制室內(nèi)的自動控制系統(tǒng)之間一種串行、數(shù)字式、多點通信的數(shù)據(jù)總線，它位于生產(chǎn)控制和網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的低層，也稱為低層控制網(wǎng)絡。它與工廠的現(xiàn)場設備直接連接，將現(xiàn)場測量控制設備互聯(lián)為通信網(wǎng)絡，實現(xiàn)不同網(wǎng)段、不同現(xiàn)場通信設備的信息共享；同時又將現(xiàn)場運行的各種信號傳到遠離現(xiàn)場的控制室，并進一步與操作終端、上層控制管理網(wǎng)絡連接和信息共享。

2．2 現(xiàn)場總線的特點

在傳統(tǒng)的模擬控制系統(tǒng)中，現(xiàn)場的儀表設備與控制室的控制器之間，通常采用一對一的物理連接，實現(xiàn)模擬信號的通訊。而在現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)中，現(xiàn)場的儀表設備多采用智能化設備，通訊方式由數(shù)字信號取代了模擬信號，只需一根電纜即可將多個現(xiàn)場設備的多個運行參數(shù)傳人控制室，同時還可為多個設備提供電源，這樣不僅簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，節(jié)約了硬件投資，同時還便于安裝和維護。

基于現(xiàn)場總線技術的控制系統(tǒng)具有如下特點：

（1）系統(tǒng)開放性好，基于同一種總線協(xié)議的不同廠家的設備可以互連；

（2）具有智能化和功能自治性；

（3）可靠性高，抗干擾能力強；

（4）具有顯著的經(jīng)濟性，基于現(xiàn)場總線技術的控制系統(tǒng)可節(jié)省硬件投資和安裝費用。

2．3 幾種主要現(xiàn)場總線技術

2．3．1 基金會現(xiàn)場總線（FF，F(xiàn)oundation Fieldbus）

它以ISO／OSI開放系統(tǒng)互連模型為基礎，取其物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應用層為FF通訊模型的相應層次，并在應用層上增加了用戶層。

2．3．2 Lon Works采用了ISO／OSI模型的全部七層通訊協(xié)議，采用了面向?qū)ο蟮脑O計方法，通過網(wǎng)絡變量把網(wǎng)絡通訊設計簡化為參數(shù)設置。支持雙絞線、同軸電纜、光纖、射頻等多種通訊介質(zhì)，是具有強勁實力的現(xiàn)場總線技術。

2．3．3 CAN總線

CAN是控制局域網(wǎng)總線（Control Area Network）的簡稱，最早用于汽車內(nèi)部測量與執(zhí)行部件間的數(shù)據(jù)通信，其總線規(guī)范現(xiàn)已被ISO國際標準組織制定為國際標準，廣泛應用在離散控制領域。其模型結(jié)構(gòu)只有三層，即只取OSI低層的物理層、數(shù)據(jù)鏈層和頂層的應用層。

2．3．4 HART

HART是Highway Addressable Remote Transducer的縮寫。特點是現(xiàn)在有模擬信號傳輸線上實現(xiàn)數(shù)字信號通信，屬于模擬系統(tǒng)向熟悉系統(tǒng)轉(zhuǎn)變過程中的過渡性產(chǎn)品。

2．3．5 PROFIBUS

Profibus是德國國家標準DIN19245和歐洲標準EN50170的現(xiàn)場總線標準，包含3種類型，即Profibus-DP、Profibus．FMS和Profibus．PA。該總線技術是以西門子公司為主的德國公司和研究所共同推出的。DP型用于分散外設間的高速數(shù)據(jù)傳輸，適合于加工自動化領域的應用。FMS意為現(xiàn)場信息規(guī)范，PROFIBUSFMS適用于紡織、樓字自動化、可編程控制器、低壓開關等。PA專為過程自動化設計，標準的本質(zhì)安全的傳輸協(xié)議，實現(xiàn)了IEC1158-2中規(guī)定的通訊規(guī)程，用于對安全性要求高的場合及由總線供電的站點。

Profibus的傳輸速率為9．6kbps一12Mbps，最大傳輸距在12Mbps時為100m，1．5Mbps時為400m，可用中繼器延長至10km。其傳輸介質(zhì)可以是雙絞線，也可以是光纜，最多可連接127個站點，可實現(xiàn)總線供電和本質(zhì)安全防爆。Profibus現(xiàn)場總線協(xié)議的會員單位已有1000多家，支持該標準的產(chǎn)品有2O0余種，市場占有率已達20％左右。Profibus是世界上最成熟、市場占有率最高的一種現(xiàn)場總線。

3、 現(xiàn)場總線技術的應用

3．1 傳統(tǒng)模擬控制方式

在以往水泥廠窯尾系統(tǒng)工況監(jiān)測中，我們采用的是一對一模擬控制方式，見圖1：

這種方式中，現(xiàn)場每一臺儀表的測量信號，均通過各自的電纜以模擬量信號方式傳人現(xiàn)場控制站，在現(xiàn)場控制站中還需要配備相應的AI、AO模件，每一個模擬量信號需占用一個通道，由于窯系統(tǒng)的儀表測點很多，控制站需設大量的模擬量模件，硬件投資大，而且設備維護任務也很重。

3．2 現(xiàn)場總線控制方式

水泥的生產(chǎn)過程是一個復雜的過程，它的工藝特點決定了其工業(yè)環(huán)境的惡劣性、現(xiàn)場設備的多樣性和復雜性。需要處理多達數(shù)千個甚至上萬個不同的過程變量，包括各種設備的運行參數(shù)和狀態(tài)信息，各類工藝參數(shù)（如壓力、溫度、料位等）以及生產(chǎn)數(shù)據(jù)信息等。水泥廠自動化的實現(xiàn)要求可性高、抗干擾性強、穩(wěn)定、實用和易操作，所以采用比較成熟的現(xiàn)場總線Profibus。

圖2是采用Pmfibus現(xiàn)場總線的控制方式的結(jié)構(gòu)圖?？刂普九c現(xiàn)場控制器之間通過光纜進行通訊，而控制器通過一耦合器與現(xiàn)場總線儀表相連接?？刂普就ㄟ^雙絞線經(jīng)光纖HUB與現(xiàn)場控制器進行通訊，上位機采用標準的TCP／IP協(xié)議進行通訊，而下位機中，現(xiàn)場控制器和各I／O站和耦合器之間采用工業(yè)中標準的PROFIBUS-DP進行通訊，而耦合器和現(xiàn)場總線儀表之間采用PROFIBUS—PA通訊協(xié)議。

在這種方式中，現(xiàn)場多個儀表的測量信號，通過一根總線電纜，采用數(shù)字信號的通訊方式，經(jīng)PROBUS DP／PA耦合器傳人現(xiàn)場控制站，在現(xiàn)場控制站中通過PROFIBUS DP卡件與控制器相連，省去大量模擬量模件。

在系統(tǒng)之中還有現(xiàn)場總線儀表的硬件組態(tài)和軟件組態(tài)兩大部分內(nèi)容，本文中不再詳細介紹。

水泥廠用于窯系統(tǒng)工況監(jiān)測的儀表設備較多且分布較為集中，采用現(xiàn)場總線的控制方式，業(yè)主既可省去許多的計算機系統(tǒng)硬件及電纜投資，還可減少大量的電纜敷設工作，不僅節(jié)約安裝費用，還便于生產(chǎn)維護。此外水泥工業(yè)生產(chǎn)中的一些大型設備如輥壓機、篦冷機、立磨等，這些設備的自動化控制較為復雜，他們與DCS系統(tǒng)通訊的點數(shù)很多，采用現(xiàn)場總線局域網(wǎng)，設備本體控制參數(shù)及時全面的傳人DCS系統(tǒng)，這樣不僅便于對設備進行控制監(jiān)測，對優(yōu)化設備的使用性能也大有幫助。

4、 結(jié)束語

經(jīng)長時間使用證明，采用PROFIBUS現(xiàn)場總線技術的作業(yè)系統(tǒng)大大提高了水泥企業(yè)的自動化水平，同時對提高產(chǎn)品產(chǎn)量、質(zhì)量，降低能耗，減輕勞動強度，實現(xiàn)文明生產(chǎn)等方面都有著顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。例如山東叢林集團水泥項目中，對篦冷機、立磨均采用現(xiàn)場總線局域網(wǎng)控制方式，大大提高了企業(yè)的綜合經(jīng)濟效益。隨著現(xiàn)場總線技術的發(fā)展完善，它在水泥行業(yè)中的應用會更加廣泛。

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