摘 要：介紹了自主開發(fā)的FF現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)在煉焦制氣工藝中的典型應(yīng)用。首先論述了其在生產(chǎn)工藝中應(yīng)用的合理性，然后描述了整個系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和軟件運行關(guān)系，提出在系統(tǒng)設(shè)計、安裝、聯(lián)調(diào)與運行過程中所解決的多種關(guān)鍵技術(shù)，最后通過該控制系統(tǒng)與工廠原有控制系統(tǒng)的對比，論述了該控制系統(tǒng)的優(yōu)越性。 關(guān)鍵詞：基金會現(xiàn)場總線 現(xiàn)場總線 控制系統(tǒng) 煉焦制氣 0 引言 隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步，工業(yè)控制系統(tǒng)正向著開放化、數(shù)字化、智能化、分布化和網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS即順應(yīng)了這一發(fā)展方向，正替代著傳統(tǒng)的DCS和PLC系統(tǒng)而成為主流的控制系統(tǒng)。另一方面隨著工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的日趨成熟，F(xiàn)CS也正逐步向工業(yè)以太網(wǎng)統(tǒng)一，形成通用的網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)框架。 為順應(yīng)工業(yè)控制發(fā)展的需要，沈陽自動化研究所從1997年起開始研究基金會現(xiàn)場總線FFH1，2001年起研究基金會高速以太網(wǎng)FFHSE。迄今為止，我所在研究的基礎(chǔ)上開發(fā)了各種H1智能儀表、H1I/O設(shè)備、FFH1/HSE網(wǎng)關(guān)設(shè)備和HSEI/O設(shè)備等，以及各種組態(tài)軟件、監(jiān)控軟件和OPCServer等。 作為中國科學(xué)院知識創(chuàng)新工程項目《多總線集成的分布式工業(yè)控制系統(tǒng)》的示范工程，2003年我們對煉焦制氣廠的粗苯和精苯車間的控制系統(tǒng)進行了改造，在原有模擬設(shè)備和手動控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，應(yīng)用上位機以及我們自主開發(fā)的壓力表、網(wǎng)關(guān)和I／O設(shè)備等組成典型的FCS系統(tǒng)。該工程體現(xiàn)了現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)低成本、易維護、易擴展等特點，還提高了企業(yè)的控制和管理水平，充分展示了FCS的優(yōu)越性。 1 生產(chǎn)工藝 煉焦制氣是典型的連續(xù)生產(chǎn)過程。工藝流程一般如圖1所示。 從焦?fàn)t炭化室出來的荒煤氣在冷鼓工段被氨水和冷卻水冷卻后，溫度由700～800࠷降到25࠷，由鼓風(fēng)機送至硫銨工段。在硫銨工段經(jīng)蒸汽預(yù)熱后進入噴淋式飽和器的上段噴淋室，脫除氨和酸霧后送往粗苯工段。在脫苯工段經(jīng)洗苯塔與洗油逆流接觸，洗滌煤氣中的苯，洗滌后將煤氣送去脫硫工段，再經(jīng)脫硫工段脫硫后送去氣柜供城市用氣。 我們的FCS涉及到的工藝包括粗苯工段和精苯工段，其中粗苯工段工藝流程包括洗苯系統(tǒng)和脫苯系統(tǒng)，其主要特點是：煤氣經(jīng)兩步終冷（溫度達到20～25࠷）和油洗萘后進入3個串聯(lián)的洗苯塔洗苯，苯蒸餾采用管式爐加熱（溫度達到180～200࠷）生產(chǎn)兩種苯，脫苯塔取消分縮器代之以回流泵，脫苯塔側(cè)線提取萘溶劑油。精苯工段是對粗苯進行精制，采用連續(xù)洗滌、熱油進料、連續(xù)精餾的工藝。 可見無論粗苯工段還是精苯工段，都需要對各生產(chǎn)工段的煤氣或蒸氣的壓力、流量和溫度等進行實時采樣，并在允許的范圍內(nèi)對其進行嚴(yán)格控制。因此可以采用FCS實現(xiàn)上述的檢測與控制功能。 2系統(tǒng)組成 2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu) ①兩臺工控機及兩個控制柜。粗苯車間與精苯車間各一套，分別位于兩樓，之間相隔約200m。工控機作為上位機（Host），控制柜用來安裝網(wǎng)關(guān)及各種I／O設(shè)備。兩臺 工控機分別通過以太網(wǎng)連接到控制柜中的Hub上，兩個Hub之間通過以太網(wǎng)連接，實現(xiàn)工控機數(shù)據(jù)共享。 ②精苯工段控制柜中安裝4個FFHSEI／O設(shè)備，各設(shè)備通過以太網(wǎng)連接到Hub上。 ③粗苯工段控制柜中安裝一個FFHSE／FFH1網(wǎng)關(guān)和3個FFH1I／O設(shè)備，網(wǎng)關(guān)通過以太網(wǎng)連接到Hub上，I／O設(shè)備連接到現(xiàn)場總線集線器上。 ④粗苯工段現(xiàn)場安裝4個FFH1壓力變送器，通過安全柵連接到控制柜中的現(xiàn)場總線集線器上，距離約200m。 I／O設(shè)備也被稱為分布控制單元，具有AI、AO、DI、DO等多路模擬和數(shù)字輸入輸出端口，可以連接各種模擬或數(shù)字儀表以及執(zhí)行器等。各儀表接入I／O要通過安全柵隔離，以實現(xiàn)本質(zhì)安全。各工段I／O點數(shù)為：粗苯工段AI36點，AO6點；精苯工段AI42點。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。 2.2軟件組成每臺工控機上都運行以下軟件： ①Windows2000操作系統(tǒng)； ②自主開發(fā)的SIACON-Configurator組態(tài)軟件，用來下載控制調(diào)度； ③自主開發(fā)的SiaView監(jiān)控軟件，支持網(wǎng)絡(luò)分布和OPC標(biāo)準(zhǔn)（作為OPC客戶端），并具有完善的歷史數(shù)據(jù)管理，可以連接任意數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)； ④SQLServer數(shù)據(jù)庫，用來記錄檢測點的歷史數(shù)據(jù)； ⑤自主開發(fā)的FFH1和FFHSEOPC服務(wù)器，每秒鐘刷新一次，實現(xiàn)設(shè)備的實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)共享以及報警等功能； ⑥HseInit接口軟件，作為HSE協(xié)議棧為組態(tài)軟件、監(jiān)控軟件及OPC服務(wù)器等上層應(yīng)用軟件提供的API接口。 由于SiaView和OPC支持網(wǎng)絡(luò)分布，所以無論在哪臺工控機上，都可以同時獲得粗苯和精苯的采樣數(shù)據(jù)，方便地實現(xiàn)兩系統(tǒng)的同時監(jiān)測與控制。系統(tǒng)所有軟件運行的關(guān)系結(jié)構(gòu)如圖3所示。 3 現(xiàn)場總線技術(shù)的優(yōu)越性 粗苯和精苯車間原來的控制系統(tǒng)由各種模擬儀表組成，工人每隔一小時進行一次觀測記錄，根據(jù)觀測結(jié)果進行手動控制。這種方法人為因素較大，觀測不便，誤差大，更不符合現(xiàn)代工業(yè)控制要求。 我們用FCS對其進行改造后，所有的過程變量都在工控機的屏幕上實時顯示，并配有系統(tǒng)工藝流程圖，使得監(jiān)測點一目了然。使用的監(jiān)控軟件還可以記錄所有監(jiān)測點的實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，畫出實時趨勢曲線和歷史趨勢曲線，方便地了解系統(tǒng)即時狀態(tài)和把握系統(tǒng)歷史過程。當(dāng)有數(shù)據(jù)超出正常范圍時，還能自動發(fā)出報警信息。通過組態(tài)軟件將控制調(diào)度直接下載到網(wǎng)關(guān)和I／O設(shè)備中，即將控制完全分散到設(shè)備中，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的自動控制（同時提供運行方式手動、自動的切換）。這樣可以把工人從簡單的記錄中解脫出來，去學(xué)習(xí)和掌握更先進的控制理論和生產(chǎn)技能，從而提高企業(yè)的生產(chǎn)效率。 總之，現(xiàn)場總線系統(tǒng)是連接智能現(xiàn)場設(shè)備和自動化系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)，與現(xiàn)行控制系統(tǒng)相比，具有如下一些固有的技術(shù)優(yōu)勢： ①現(xiàn)場總線用數(shù)字信號代替?zhèn)鹘y(tǒng)的模擬信號，測量精度高，抗干擾能力強； ②基于總線的現(xiàn)場儀表可以對量程和零點進行遠方設(shè)定，具有儀表工作狀態(tài)自診斷功能，能進行多參數(shù)測量和對環(huán)境影響的自動補償； ③現(xiàn)場設(shè)備集檢測、轉(zhuǎn)換、運算和控制功能于一體，既降低了成本，又增加了安全性和可靠性。上位機主要對其進行總體監(jiān)控、協(xié)調(diào)、優(yōu)化和下載控制調(diào)度與管理等； ④所有現(xiàn)場設(shè)備直接通過一對傳輸線即現(xiàn)場總線連接，減少了連線的數(shù)量，易于安裝和維護，節(jié)省施工費用、電纜費用、調(diào)試和維修成本； ⑤使用FCS還可以減少大量的隔離器、端子柜、I／O卡及I／O端口，并且還減少D／A與A／D變換，節(jié)約設(shè)備并提高精度； ⑥用工業(yè)以太網(wǎng)將企業(yè)管理決策層、過程監(jiān)控層和現(xiàn)場設(shè)備層連接起來，實現(xiàn)三層通信的統(tǒng)一，集企業(yè)的過程控制與綜合管理于一體。 4 結(jié)束語 現(xiàn)場總線是當(dāng)今自動化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點之一，適應(yīng)了工業(yè)控制系統(tǒng)向分散化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化發(fā)展的方向?，F(xiàn)場總線為生產(chǎn)過程現(xiàn)場控制設(shè)備之間及與更高控制管理層網(wǎng)絡(luò)之間建立了聯(lián)系，徹底打破了自動化系統(tǒng)的信息孤島。 我們設(shè)計的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)是國內(nèi)首次全部采用自主開發(fā)的FFH1現(xiàn)場設(shè)備、FFHSE現(xiàn)場設(shè)備和FFH1／HSE網(wǎng)關(guān)設(shè)備等，對發(fā)展我國工業(yè)自動化高技術(shù)產(chǎn)業(yè)及打破國外現(xiàn)場總線技術(shù)壁壘具有重要意義。該系統(tǒng)在煉焦制氣廠粗苯和精苯車間的應(yīng)用，作為中國科學(xué)院知識創(chuàng)新工程項目《多總線集成的分布式工業(yè)控制系統(tǒng)》的示范工程，解決的關(guān)鍵技術(shù)包括： ①現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)設(shè)計、施工、安裝與調(diào)試技術(shù)； ②傳統(tǒng)的4～20mA儀表與FFH1儀表、FFH1I／O設(shè)備和FFHSEI／O設(shè)備等不同系統(tǒng)之間的集成技術(shù)； ③FFH1／FFHSE網(wǎng)關(guān)的應(yīng)用技術(shù)。該工程起到了非常好的示范效果，得到了專家們的一致好評，并且為用戶取得了良好的經(jīng)濟效益，同時說明現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的推廣應(yīng)用前景廣闊。 參考文獻 1 陽憲惠.現(xiàn)場總線技術(shù)及其應(yīng)用.北京：清華大學(xué)出版社，1999 2 劉曉冬.煉焦制氣廠粗苯生產(chǎn)工藝的改進.唐鋼科技，1993，4（12）