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基于工业以太网混合网络的热风炉自控系统

热度0票 浏览0次 时间:2020年6月20日 09:43
陈宁宁
1 柴兆森 2 1 乐山职业技术学院 电子信息工程系 四川乐山 614000;2 新疆石河子大学 电气工程与信息工程学院 新疆乌鲁木齐 730050摘要:本文针对某冶炼厂熔炼车间热风炉站生产工艺和控制要求,通过这种工业以太网和现场总线集成的网络结构有效地实现了热风炉系统的自动控制和调度中心的远程监控。此网络结构很容易扩展并可升级到 PR O FIN et等高级以太网网络控制系统,为下一步的系统升级和扩建作好了准备。
关键词:工业以太网;PR O FIBU S;远程监控;网络控制系统1 引言工业以太网被喻为 21 世纪最有希望的现场总线,正在以其巨大的优势在向工业现场级渗透[1] 。就目前来说工业以太网不可能在实现中完全替代现有的现场总线,最经济实用的方案便是工业以太网和各大现场总线相结合的解决方案。本文便是采用这种控制网络结构对热风炉自动控制系统进行设计并完成和车间级的系统集成。
2 热风炉系统说明
热风炉是熔炼车间的一个重要分站,又是一个高危险性操作站。由仪表控制和电气控制两部分组成。要求通过仪表和电气两部分配合绝对保证热风炉正常运行。
仪控部分主要完成工艺参数采集和对各调节阀的智能控制等。
正常情况下要求和电控部分配合实现系统最优自动控制。在休风等异常情况下能够实现开环手动控制。
电控部分主要完成对所有电气阀门自动控制以实现自动换炉等重要操作。由于它的重要性此部分设置独立的 PLC 控制系统,要求通过上位机可以实现对热风炉所有阀门手 / 自动操作并且具有监控和报警等功能。
在车间级,车间调度中心要求不但能够对热风炉站所有信息实时远程监视而且还要对某些重要操作能够远程控制,如混风调节阀等。热风炉站上位机设置一台操作员站和一台工程师站(兼操作员功能)且相互冗余设计,并且实现上位机仪电合一的监控功能。
3 系统网络结构及其硬件选型
3.1 网络构架
工业以太网是一个开放的标准,它可以和许多高端网络如PROFINet 等很好集成,而且能与 MES(位于上层计划管理系统与底层工业控制之间的、面向车间层的管理信息系统)和 ERP(企业资源规划)等技术结合,为企业网络升级和扩建留有足够的空间[3] 。
在现场级,理论上最优方案是采用和上层统一的工业以太网,例如采用西门子工业以太网标准 PROFINet 来实现一网到底,但是现场设备极具分散性,而且安装环境比较恶劣,且耐高温高压的现场设备很少有带 PN(PROFINet)口,综合比较后,采用 PROFIBUS总线方案不矢为一种较优方案。故采用 PROFIBUS 数字信号电缆代替大量并行模拟信号电缆,分别在现场就近安装远程 IO 模块ET200M,然后将所有的 ET200M 模块都挂接在 PROFIBUS 总线上。最终系统采用如图 1 所示的混合式网络构架。
E thernet
变 频 器
电 控
PL C
仪 控
PL C
ET200M ET200M
OS E S
车 间
调 度
Profibus
ET200M ET200M
PN口
DP口
PN口
DP口
Profibus
交 换 机
图 1 系统网络图
3.2 硬件选型
根据控制要求和以上的网络结构,主要的硬件配置方案如下:
(1)CPU 选用西门子 315-2 PN/DP2 台。该新型 CPU 集成一个PROFINet 接口,支持 TCP/IP 协议可以很简易而且低成本的和包括IPC 在内的其它支持以太网的设备之间自由通信。本系统中它的优势体现以下两方面:
① 可以用软件编程方法代替硬件通信模块 CP342-5 而实现两个 PLC 之间的数据交换。
② 上下位机两侧都不需要另配置专用的网络通信接口。直接可以用工控机普通网卡就可以实现和 PN 口的互连。
(2)远程 IO 模块选择 ET200M 共 4 块;
(3)工业以太网的链路设备选用即插即用工业以太网交换机WISE2800-2M;(4)上位机选用研华工控机 2 台;4 软件设计
4.1 PLC 软件设计
下位程序设计包括三部分,仪控功能程序、电控功能程序和仪电合一功能程序。利用 Step7 5.4 对 PLC 进行控制算法的软件编程。在编程时发现 500 多个的变量极具规律性,且大部分在功能或结构上是相似的。所以编程时尽量多使用了结构化编程思想,从而优化了程序结构和变量管理。图 2 便表示了这种结构关系。
仪控OB1
FC1
PID
FB41
1#热风炉FB1 3#热风炉FB3 2#热风炉FB2
热风炉模型 FC1
送风操
作FC2
焖炉操
作FC3
燃烧操
作FC4
自动操
作FC5
手动操
作FC6
闸板阀门模型 FC7
数据交换
FB12、FB13
电控OB1
图 2 PLC 程序主体结构图
4.2 上位设计
上位监控要实现仪电合一就是对操作而言仪控和电控操作都通过同一台上位机操作实现。这样能够使操作更容易、更集中、信息更全面,使整个热风炉运行一体化。利用上位组态工具WinCC6.0 实现主要功能如下:
监视功能:全面实时显示各工艺参数值和各设备当前状态,以及故障报警、实时曲线等。调节功能:对各调节阀进行手 / 自动调节以及对工艺参数的设定等功能。
换炉操作:从上位机上实现全自动,半自动,手动三种方式的换炉操作。
5 结束语
系统下位采用两套独立的 PLC 实现了分布式控制,上位在功能上实现了仪电合一,而在通信上又保持独立,很好的达到了热风炉系统的控制要求。通信网络采用了 PROFIBUS 和工业以太网结合的混合式控制网络结构,让不同的网络在不同控制层发挥各自的优势。硬件配置上选用各种新型器件,从而大大节约成本,为系统以后向更高级的 PROFINet 升级和扩建搭建了硬件平台。利用全集成和仿真的方法大大降低了调试难度和风险,为热风炉系统早日复产使用争取了宝贵时间。改造复产后的热风炉系统运行表明大大缩短了热风炉换炉时间,高效地配合了鼓风炉系统生产。
参考文献:
[1]冯冬芹,黄文君等 .工业通信网络与系统集成 [M].科学出版社,2005[2] 阳宪惠 .工业数据通信与控制网络 [M].清华大学出版社 2003[3] 吉顺平,孙承志,路明 .西门子 PLC 与工业网络技术 [M].机械工业出版社,2008 年 .
[4] onas Berge,Field buses for Prosess Control:Engineer,operation,and Mainteenance[M].ISA-The Instrumentation,Systems,and Automation Society.2002.
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