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一种基于现场总线与以太网技术的自动化控制系统设计

作者:王朝霞,苟国忠,何茂松2006.05.08阅读 3992

随着控制、计算机通信、网络技术的发展,自动化系统结构正发生巨大变化。底层控制网络不再是孤立的控制系统,通过现场总线和以太网技术实现网络集成,将基础自动化控制网络(L1)、过程和管理控制系统(L2)与企业资源规划层ERP (Enterprise Resource Planning)连接在一起,是目前自动控制领域的发展方向。本文将介绍某钢厂的板坯库/加热炉自动化控制系统设计方案,通过采用现场总线与以太网技术,有效地解决了L1内部以及它与L2之间的三电(电气、仪表、计算机)无缝集成问题。

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钢厂板坯库/加热炉区自动化控制系统
钢厂板坯库/加热炉区自动化控制系统由基础自动化控制系统、过程与管理控制系统组成。通过将两种现场总线技术ProfiBus和ControlNet相结合,从而实现L1级网络中仪表、电气控制系统的通信;同时通过采用以太网技术实现基础自动化系统和过程与管理控制系统之间的通信。

基础自动化控制系统
基础自动化控制系统包括加热炉电气PLC控制系统和加热炉仪表DCS控制系统。采用美国RockWell Automation 公司开发的Processlogix混合

型控制器用于加热炉仪表控制系统(每座加热炉采用一套);采用该公司开发的Controllogix控制器用于加热炉电气传动的控制(每座加热炉采用一套)。仪表、电气控制系统通过双重化的ControlNet与操作站的服务器连接控制工程网版权所有,从而构成仪电一体化控制系统。

在系统配置上采用了两台互为冗余的ProcessLogix服务器:SERVER A和SERVER B。

仪表DCS控制系统的配置
仪表DCS硬件系统采用ProcessLogix系列。根据工艺要求及现场设备布置特点,每个加热炉各设1个DCS控制站控制工程网版权所有,通过ControlNet接本地I/O控制机架,分别用于加热炉6段燃烧控制、炉压控制、两套助燃风机、一套稀释风机、烟道、换热器和冷却水的过程检测和控制。

电气PLC控制系统配置
电气PLC硬件系统采用ControlLogix系列。根据工艺要求及现场设备布置特点,设5个PLC控制站CONTROL ENGINEERING China版权所有,分别完成板坯库、1号加热炉、2号加热炉、1号加热炉液压站、2号加热炉液压站的电气控制功能。

图1 2号加热炉电气PLC控制系统配置

图1为其中2号加热炉PLC的配置情况。PLC控制器分别控制该加热炉的装钢机、步进梁、出钢机、液压站和其它公辅设施,并通过ControlNet总线连接远程I/O站,实现对现场信号的采集及信号输出。同时通过两条冗余的ControlNet总线与仪表DCS系统通信,通过ProfiBus DP与ABB公司的ASC600型变频装置通信,实现对装钢机/出钢机、加热炉前后辊道的控制。

过程与管理控制系统
L2级一方面要完成实时性较强的过程控制功能CONTROL ENGINEERING China版权所有,如钢坯跟踪、装出钢设定等,另一方面要完成实时性要求低的轧制计划编制和板坯库数据管理功能,因此,根据工艺特点和控制功能分散从而降低危险性的要求,过程与管理控制系统由加热炉过程控制机和板坯库控制机组成,各计算机之间通过以太网通信。

加热炉计算机通过访问两台冗余服务器SERVERA,SERVERB,实现与基础自动化系统的数据交换,板坯库计算机则不通过服务器,而是通过以太网直接与板坯库PLC通信。因为板坯库计算机负责向库内吊车发出操作指令,这些吊车和由L1级PLC控制的辊道之间有十分密切的信号联锁,如果通过中间L1级网络,往往因通信丢失或延迟,使联锁失败,造成难以想象的后果。

通信的一些特点
本自动化系统由L1,L2两级构成,包含三种通信网络。操作站采用服务器/客户端结构,服务器和客户端之间采用TCP/IP协议的以太网连接。出炉操作室(3CS)设两套HMI(1、2号操作站),对加热炉的仪表-电气进行集中监控和操作(每台操作站均可对仪表、电气进行操作);加热炉基础自动化控制系统的四台HMI操作站和两台冗余配置的ProcessLogix服务器,以及二级计算机均建立在同一个工业以太网上,共同构成三电自动化控制系统。基础自动化控制系统通过工业以太网与二级计算机进行通讯。

以太网通信
目前,解决以太网实时性问题的一种方法是采用以太网和UDP/IP协议相结合的技术。本系统采用通用的以太网技术与TCP/IP协议相结合,实现L2级内部以及L2与L1之间的通信。L2级内部通过5类双绞线实现连接;L2交换机与距离较远、且须穿越电缆沟道的L1设备之间,通过光缆进行连接。

ControlNet 通信
ControlNet是一种高速确定性网络,用于对时间有苛刻要求的应用场合的信息传输。同时www.cechina.cn,它允许传送对时间无苛刻要求的报文数据,但不会对有时间苛刻要求的数据传送造成冲击。它支持混合系统结构(主/从、多主和对等设备的任意混合)。

本系统采用ControlNet









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