PROFIBUS现场总线在炭黑生产的全部过程控制中的应用PROFIBUS现场总线在炭黑生产的全部过程控制中的应用 PROFIBUS现场总线 在炭 黑生产的全部过程控制中的应用 牟晓燕，曲立人 (青岛玖琦精细化工有限责任公司，266043) 摘要:本文介绍了一种低成本、高性能的PROFIBUS现场总线系统及其在炭黑生产的全部过程 制中的应用。PROFIBUS是一种国际性的开放的现场总线，它和西门子的PLC控制器、I,控 O模板 硬件，以及iFIX2(6软件组态的操作站，组成了一种规模可变的DCS系统。这是一种经济、 完善、 强大的自动化解决方案。 关键词:炭黑;现场总线;SCADA...

  PROFIBUS现场总线在炭黑生产的全部过程控制中的应用 PROFIBUS现场总线 在炭 黑生产的全部过程控制中的应用 牟晓燕，曲立人 (青岛玖琦精细化工有限

  公司，266043) 摘要:本文介绍了一种低成本、高性能的PROFIBUS现场总线系统及其在炭黑生产的全部过程 制中的应用。PROFIBUS是一种国际性的开放的现场总线，它和西门子的PLC控制器、I,控 O模板 硬件，以及iFIX2(6软件组态的操作站，组成了一种规模可变的DCS系统。这是一种经济、 完善、 强大的自动化解决

  。 关键词:炭黑;现场总线;SCADA系统;PLC编程;组态软件 2003年，我企业决定新建一套1(5万吨，年硬质炭黑生产装置。由于工厂刚刚改制起步， 百废待兴，资金不足，决定分两步走，首先建设炉前部分，炉后的收集造粒部分仍然采用以 前的干法装置。万吨级炭黑生产装置，其工艺路线及主要设备经过多年来的实践、总结和优 化，大体来说已经基本定型。但它所使用的控制管理系统，由于仪表和自动化技术的迅速发展， 以及生产的基本工艺要求差异和投资额的限制，各厂家的控制管理系统也不一样。针对我厂的特别的条件，我们在设计选型时，对各种控制模式进行了大量的方案比较，最终采用了当今工业自动化领 域比较流行的PROFIBUS—DP现场总线技术方案。 PROFIBUS作为符合欧洲

  EN50170和国际标准IEC 61158的现场总线系统，是 Field bus)，在欧洲和世界各国有很高的市场占有率。一种开放的过程现场总线(Process PROFIBUS 总线对ISO,OSI模型的七层通讯体系结构可以进行了优化，确保了数据传输的快速性 PROFIBUS总线包括PROFIBUS—DP等三个兼容的版本，PROFIBUS(DP和有效性。 是设备层现场总线， 用于控制器(如PLC、PC)与现场控制设备(如驱动器、检测设备、 系统的结构见图1。 HMI等)之间的通信。 1 系统硬件结构 主控制器采用西门子新型的可编程控制器$7-315-2DP，它具有中、大规模的存储容量和 强大的浮点运算功能，集中配置可以扩充到256个模拟量和1024个开关量。CPU运算速度 快， 183 基本指令执行速度为0(2?s--一O(6?s。采用脚C存储卡，不需要额外的后备电池，就可以实 现PLC的免维护运行。该控制器具有一个内置的DP口，可直接连接在PROFIBUS-DP总线 为主站工作。主站周期地读取从站的输入信息并周期地向从站发送输出信息，在同一总上作 线个站点。每个PROFIBUS-DP系统可包括以下三种不同类型设备: (1)一级DP主站(DPMI) 一级DP主站是中央控制器，它在预定的信息周期内与分散 站(如DP从站)交换信息。这里的一级DP主站是PLC$7-315—2DP; 的 (2)二级DP主站(DPM2) 二级DP主站是编程器、组态设备或操作面板，在DP系统 态操作时使用，完成系统操作和监视目的，互为备用的两台监控站在这里是二级DP主站; 组 (3)DP从站DP从站是进行输入和输出信息采集和发送的外围设备(I,o设备、驱动器 ‘’ 等)。 图1控制系统结构图 按初步的设计方案，未来的炉后收 DP从站的，在现场可以另设触摸屏集造粒部分是属于 作为人机界面，方便现场操作。PROFIBUS-DP现场总线也可以构成多主站系统，在总线上 置若干个主站，主站与各自从站构成相互独立的子系统。任何一个主站都可以读取总线上设 DP 从站的输入,输出映像，但只有一个主站允许对某个DP从站写入数据。各主、从站之间 一条PROFIBUS双芯屏蔽电缆互连，最高传输速度可达12Mbps。通过 西门子的PLC工业自动化产品，在现场控制、网络控制中的可靠性和实时性方面性能优 越，S7系列的控制器和各种I,O模块的平均无故障时间(MTBF)在数十万小时以上(最短MTBF =19(6年)。因此，为了节约成本，我们没有在PLC主控制器方面采取冗余措施。但为了 证主控制器的正常运行，尽管选用的$7-300系列i,o模块已经具备了隔离功能，但我们对保 外部进出主控制器的所有模拟量和开关量信号，还是全部采用了隔离端子、继电器等硬件于 离措施，以隔离所有的外部干扰。隔离端子同时也起到了变送器和配电器的功能。 隔 由于监控操作站是整个系统中的薄弱环节，鼠标、硬盘、显示器的故障率比较高，所以 采取了操作站冗余，两台监控操作站同时挂在PROFIBUS-DP现场总线上j互为备用。操作 是由普通的工业PC加西门子的5611网卡组成的，这类网卡具有PROFIBUS接口，通过站 置，决定该PC机作为一类主站还是只作为编程和监控的二类主站。操作站的冗余，软件设 作人员监控生产过程。两台操作站又通过交换机互联，由于操作站的组态软件方便了操 iFIX2(6是基 于client,server架构的软件，可以直接通过TCP,IP协议连接到工厂局域 能很好地完成生产现场的数据处理和数据通信外，也便于用户将来信息化建网，这样，除了 控制系统和计算机系统的远程服务。 设的联网以及对 模块配置包括:S7—315-2DP×1;10A开关电源×l;8路模拟量输入×3;4路模拟量输 出×1;FM355C闭环控制模块×2;16路数字量输入×1;16路数字量输出×1;CP5611网卡 ×2;20针连接器×10;64k埘C存储卡×1等。系统资源为:模拟量输入32点，模拟量输 出12点，数字量输入16点，数字量输出16点。完全可以满足生产工艺需要。 硬件组态是在STEP7软件环境中进行的，即对$7-315的机架底板、电源、CPU、各种i,o 模块等，按其实际配置和物理地址进行组态。另外，通过在STEP7软件中的组态，对 站和子站的I,O单元统一分配地址，这样，在编程时无须考虑通讯问题。例如:在组所有主 置315-2DP的DP地址为2、两个监控操作站分别是3，4。(如图l所示) 态中设 2 PLC软件编程 7 V5(1 PLC的编程软件使用STEP SP3，运行在Windows2000中文版系统平台上。STEP7 符合IEC-61131标准，该软件具有友好的用户介面，可帮助用户很容易地利用上述系 它提供的功能包括:系统硬件配置和参数设置、通信配置、编程、测试、维护统资源。 STEP7软 件提供了标准化的编程语言，包括LAD梯形逻辑、STL语句表和FBD功能等。 3种编程语 言，并且3者之间可以互相转换，我们主要采用了STL语句表。 方块图 程序结构设计的任务，就是考虑整个应用程序如何进行资源分配，从全局、整体上规划 程序的组织结构。合理的程序结构，可以降低开发程序的难度，增加程序的可读性和可维护 性。程序结构化设计就是将复杂控制任务按照某一规律，分解为几个独立和相对简单的子程 序，再对子程序进行编程。这样，大规模的程序容易开发和理解，使程序组织简化，程序修 改更容易，排错更简单，系统调试更容易。通常用户程序由组织块(oB)功能块(FB、FC)、 数据块(DB)组成。FB、FC模块是用户子程序，DB模块是用户定义的用于存取数据的存储 是操作站监控软件与STEP7程序的数据接口。组织块OBI是PLC操作系统与用户程序区， 接口，PLC控制器周期性的调用此模块。我们可以通过组织块OBI来调用其它的模 之间的 块，如功 一 l 85 ( 能块FB、FC、数据块DB等。在STEP7编程时要注意以一FJL点:(1)从编程开始，程序每 到一个变量，就马上对其设置一个变量符号，这在大型的程序设计时尤其重要; (2)对每一 用 个控制点的控制程序编写成独立模块，每一个控制功能定义一个FC或FB块，然后由组织块 OBl调用; (3)由于主站运行时要

  众多的运行参数并保存在DB数据块中，涉及大量的 数 据计算，而该部分数据不要求速度太高，所以将该部分程序写入定时中断之中，从而降低CPU的处理负荷; (4)在数据处理运算功能模块FC，FB的编写时，要采用语句表(STL)编 程，这样，不仅能轻松实现复杂的控制功能，还可以节省大量的存储空间。 例如:在本文介绍的系统中，有十一个控制回路，分别控制压力、流量、温度等，对应 于每个控制回路设计相应的程序(FC)，放在中断程序0835中，这些程序各自都调用PID控 制功能块(FBl31)，这样我们只要编写一个PID控制模块就可以了，提高了编程速度。 按照工艺方面的要求，我们将供风系统、供油系统、急冷水系统及高温空气预热器的保 护纳入了安全连锁。为了避免连锁系统误动作，采取了事件表决的方式。例如:只有当供风 系统的空气流量、空气压力同时达到连锁下限时，系统才会进入连锁保护状态。(具体设定 参数可以由工艺技术人员设置)。在控制柜上设有连锁按钮和相应的指示灯。开气时，生产 尚未正常，要解开连锁。当各个回路投入自动并运行正常时，人工手动(DI)切入连锁保护。 软件有强大的在线帮助功能，提供了各种可能遇到问题的解决

  。软件编写过 程STEP7 中，可以边写边调试，用变量表监视和修改变量，也可以用西门子的仿线 操作站的软件组态 for 2(6组态软件，iFIX全面支持OPC(OLE 操作站采用了Intellution公司的iFIX Process Contr01)标准，是一种开放的自动化监控软件，通过安装iFIX的OPC driver和西 门子提供的SOFTNET软件，使PROFIBUS现场总线和iFIX组态软件融为一体，保证了系 效率地运行。iFlX的图形功能很强，图形库内容丰富，使用树状管理结构，运用直观的统高 工具，可以快速上手，简单快捷地满足各种应用类型和应用规模的需要。 ( 图形 操作站的控制管理系统，是一个基于WINDoWS2000操作平台的SCADA系统，操作员通过21英 寸纯平的人机界面，采用鼠标和键盘操作，可以完成系统授权提供的全部功能。开气 先启动控制柜的电源开关，PLC控制站开始引导，引导成功后，CPU的运行指示灯前，首 系统的各个控制点全部进入初始化状态。 亮，此时， 系统监控操作画面共有20多幅，包括:形象直观的流程图画面，方便工人操作的调整画 面，易于全面监视的实时信息画面，便于分析工艺操作的历史趋势画面等。为了保证系统运 行安全，防止越权操作，采用口令字控制，对操作员的操作权限和操作范围进行了限定。操 作员的重要操作、报警情况及运行中的事件等，系统都将在运行日志中予以记录。 主要的控制调节回路有:燃料油流量的比值调节，油泵出口压力定值调节，原料油流量 定值调节，空气流量的压力、温度补偿及定值调节，添加剂流量定值调节，高温空气预热器 入口温度定值调节，袋滤入口温度定值调节，油预热器出口油温定值调节，引风机入口压力 定值调节等十一个闭环控制回路和鼓风机入口蝶阀遥控。调整画面共有六幅，将相关的几组 动态参数曲线放在一起，可以分析判断工艺参数的整定情况。在调整画面上可以设置被调参 数的给定值(SV)，比例(,)，积分(秒)，微分(秒)、输出(,)等各个参数。移动鼠标到 欲 “数值输入对话框，用键盘输入后，回车即可，也可以通 过鼠设置的数值上并点击它，出现 变 标拖动对话框下面的滑块来输入数值，画面上的实时曲线图可以立即显示修改参数后的 化。 ( 在本系统中，给定值、比例、积分、微分、输出值、报警上下限、安全连锁的动作值等 各个参数被修改之后，都存放在控制站的存储卡中，一旦改动，即加保留，停电不会丢失。 ， 系统制作了九幅历史趋势画面。在画面上，尽量将相关参数做在一起，以备观察分析。 在该画面上，根据设置可以观察200天以内的历史趋势。通过按钮?，??和?，??翻页 察，可以设置翻页速度，使每页显示间隔为5分钟、15分钟、30分钟、1小时、6小观 12 小时。也可以设置察看历史趋势的起始时间。 时、 系统提供的画面缓存功能，明显提高了画面刷新速度，用户可以设置画面缓存的数量， 以及可以加载哪些画面到缓存中。 4结束语 该系统在2004年3月投入试运行，一次投产试车成功，自动化控制回路全部投 入运行， 连续试产了N220系列和N330系列的7-8个品种，产品质量稳定，基本上都是优质品。虽然 因为炉后的收集造粒系统不配套，尚无法满负荷生产，但平均单耗还是由过去2号炉的2(4 吨,吨，降为2(1吨,吨，取得很好的经济效益。 随着开放系统和平台技术的发展，自动化产品的选择更加灵活，软件组态功能也越来越 强大，标准化的现场总线能够提供智能化、简单化的设备接口，使过程控制用户可以在低成 本、易移植、易扩展这样一种友好的环境中进行系统设计、安装和运行，有着广泛的应用领 ‘域和市场。

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