智能MCC在FCS中的應(yīng)用

智能MCC在FCS中的應(yīng)用【摘要】隨著現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)和通信技術(shù)發(fā)展，并滲透到自動(dòng)化控制領(lǐng)域，改變了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)架構(gòu)，使得工業(yè)控制技術(shù)欣然由自動(dòng)化向智能化強(qiáng)渡，……，就MCC而言，在傳統(tǒng)的MCC中植入智能熱繼電器，變頻器、軟啟動(dòng)器中插接通訊模塊，進(jìn)線斷路器內(nèi)嵌入智能元件，現(xiàn)場(chǎng)操作箱設(shè)置現(xiàn)場(chǎng)遠(yuǎn)程I/O等手段來(lái)融接現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)MCC順利向智能MCC技術(shù)交接。【關(guān)鍵詞】現(xiàn)場(chǎng)總線、FCS、智能MCC、智能熱繼電器、PROFIBUS概述隨著現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)和通信技術(shù)發(fā)展，并滲透到自動(dòng)化控制領(lǐng)域，改變了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)架構(gòu)，使得工業(yè)控制技術(shù)欣然由自動(dòng)化向智能化強(qiáng)渡，同時(shí)世界各國(guó)自動(dòng)化產(chǎn)品廠商為順應(yīng)自動(dòng)化技術(shù)的變革，紛紛研發(fā)出各自的智能化產(chǎn)品，為現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)和通信技術(shù)向控制技術(shù)滲透提供了豐富的物質(zhì)支持（包括硬件和軟件）。就MCC而言，在傳統(tǒng)的MCC中植入智能熱繼電器，變頻器、軟啟動(dòng)器中插接通訊模塊，進(jìn)線斷路器內(nèi)嵌入智能元件，現(xiàn)場(chǎng)操作箱設(shè)置現(xiàn)場(chǎng)遠(yuǎn)程I/O等手段來(lái)融接現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)MCC順利向智能MCC技術(shù)交接，使智能MCC成為一個(gè)設(shè)備級(jí)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)。系統(tǒng)架構(gòu)智能MCC在結(jié)構(gòu)形式上與傳統(tǒng)MCC基本上沒(méi)什么區(qū)別，可選擇抽屜式或控制柜底板安裝，主要區(qū)別在于元器件配置、系統(tǒng)控制內(nèi)核和系統(tǒng)架構(gòu)上，如圖1所示典型的智能MCC系統(tǒng)應(yīng)用于FCS的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。智能MCC進(jìn)線智能熱變頻器軟啟動(dòng)器斷路器繼電器智能MCC進(jìn)線智能熱變頻器軟啟動(dòng)器斷路器繼電器控制器控制級(jí)現(xiàn)場(chǎng)級(jí)PROFIBUS-DP工業(yè)以太網(wǎng)管理級(jí)連接現(xiàn)場(chǎng)智能儀器儀表現(xiàn)場(chǎng)I/O控制器現(xiàn)場(chǎng)操作箱圖1：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖以太網(wǎng)從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖中可看出，在整個(gè)系統(tǒng)中，智能MCC只是作為系統(tǒng)的設(shè)備級(jí)實(shí)施對(duì)象控制的一個(gè)控制單元，與控制器之間通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線進(jìn)行數(shù)據(jù)和信息的傳輸和交換，對(duì)受控設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)控制和監(jiān)視，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)控制和網(wǎng)絡(luò)管理，使現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行在最優(yōu)狀態(tài)。而傳統(tǒng)MCC只能對(duì)受控設(shè)備進(jìn)行控制，不能實(shí)施管理。系統(tǒng)性能特點(diǎn)系統(tǒng)的開(kāi)放性、互操作性、互換性、可集成性強(qiáng)。智能MCC是在現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)平臺(tái)上對(duì)受控設(shè)備進(jìn)行控制，而現(xiàn)場(chǎng)總線通訊協(xié)議的公開(kāi)化，決定了系統(tǒng)的開(kāi)放性。各自動(dòng)化產(chǎn)品生產(chǎn)商在公開(kāi)性和一致性的總線標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上研發(fā)出各自的產(chǎn)品，并在產(chǎn)品中注入各自專(zhuān)長(zhǎng)的技術(shù)要素，如把控制算法、工藝流程、配方等集成到通用系統(tǒng)中去。這樣，不同廠家的設(shè)備之間可實(shí)現(xiàn)無(wú)障礙地互連并進(jìn)行信息交換，使得各類(lèi)設(shè)備之間具有良好的互操作性和互換性，為系統(tǒng)集成和系統(tǒng)優(yōu)化提供更多的選擇。系統(tǒng)搭接簡(jiǎn)潔，規(guī)范，易于維護(hù)。現(xiàn)場(chǎng)操作箱內(nèi)設(shè)置現(xiàn)場(chǎng)遠(yuǎn)程I/O，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線傳輸現(xiàn)場(chǎng)指令和狀態(tài)，省略了大量的現(xiàn)場(chǎng)控制電纜，特別是對(duì)于連鎖控制較復(fù)雜的系統(tǒng)，省略了大量錯(cuò)綜復(fù)雜的設(shè)備之間的連線，使得整個(gè)系統(tǒng)變得非常簡(jiǎn)潔，易于維護(hù)，另外，現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備可完成遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)定和修改等參數(shù)化工作，也增強(qiáng)了系統(tǒng)的可維護(hù)性。控制系統(tǒng)的主回路設(shè)備配置可實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，使得系統(tǒng)原理圖模型化，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試、應(yīng)用和維護(hù)減少大量的重復(fù)性勞動(dòng)，提高工作效率。系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)適應(yīng)性強(qiáng)。智能MCC系統(tǒng)設(shè)備較強(qiáng)的互換性增強(qiáng)了系統(tǒng)的適應(yīng)性，使得其在大大小小的系統(tǒng)中運(yùn)用自如。現(xiàn)場(chǎng)總線可支持雙絞線、同軸電纜、光纜、射頻、紅外線、電力線等，具有較強(qiáng)的抗干擾能力，能適應(yīng)各種工礦環(huán)境工作。系統(tǒng)準(zhǔn)確性和可靠性。數(shù)字化智能MCC嵌入現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)具有在線故障診斷、報(bào)警、記錄功能，從根本上提高了測(cè)量與控制的準(zhǔn)確度，減少了傳送誤差。同時(shí)，由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，連線減少，系統(tǒng)智能設(shè)備內(nèi)部處理功能加強(qiáng)，大大減少了系統(tǒng)故障點(diǎn)和信號(hào)的往返傳輸，提高了系統(tǒng)可靠性。系統(tǒng)擴(kuò)展性好，系統(tǒng)資源利用率高。變頻器、軟啟動(dòng)器、進(jìn)線斷路器等設(shè)備本身已可完成自動(dòng)控制的基本功能，使得現(xiàn)場(chǎng)總線已構(gòu)成一種新的全分布式控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，具有高度分散性和可擴(kuò)展性，同時(shí)，通過(guò)建立友好的系統(tǒng)通信界面，與控制層或管理層網(wǎng)絡(luò)連接，實(shí)時(shí)采集、分析和處理現(xiàn)場(chǎng)信息，隨時(shí)診斷設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，優(yōu)化現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)管理和網(wǎng)絡(luò)控制，使整個(gè)系統(tǒng)設(shè)備一直運(yùn)行在最優(yōu)節(jié)能狀態(tài)，延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命，使得系統(tǒng)節(jié)約能源的同時(shí)也充分利用了設(shè)備的有限資源。系統(tǒng)性?xún)r(jià)比好。智能MCC系統(tǒng)融入現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)后，使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，生產(chǎn)成本大大降低，而系統(tǒng)功能大大加強(qiáng)，具有較高的性?xún)r(jià)比。系統(tǒng)應(yīng)用及配置隨著智能MCC在現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)中應(yīng)用推廣，其優(yōu)越的性能特點(diǎn)逐漸被用戶(hù)熱捧，并主導(dǎo)自動(dòng)化控制技術(shù)的潮流。下面是該系統(tǒng)在某銅礦濕法提銅廠的應(yīng)用實(shí)例。4．1項(xiàng)目簡(jiǎn)介濕法提銅即生物堆浸濕法提銅技術(shù)在冶煉銅中的應(yīng)用，特別對(duì)于從同類(lèi)礦床或品位低、較難提取的礦床中提煉銅有顯著的效益。濕法提銅工藝由采礦、碎礦、生物堆浸、萃取、電積等主要工藝組成，其中生物堆浸、萃取、電積工藝外加環(huán)保工藝控制系統(tǒng)由我公司承建，基于該項(xiàng)目是國(guó)家“十五”科技攻關(guān)項(xiàng)目，具有行業(yè)示范作用，同時(shí)該項(xiàng)目規(guī)模較大（占地面積約4.5平方公里），現(xiàn)場(chǎng)儀器儀表設(shè)備繁雜且分布面積廣，非常適合運(yùn)用現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)控制，驅(qū)動(dòng)控制單元選用智能MCC。根據(jù)工藝需要，該系統(tǒng)分為三個(gè)控制站：噴淋控制站（生物堆浸）、電積萃取控制站和環(huán)?？刂普?，三個(gè)控制站之間距離較遠(yuǎn)?？刂圃O(shè)備：26臺(tái)攪拌機(jī)，95臺(tái)風(fēng)機(jī)和輸送泵，遍及全廠的智能儀器儀表，其它的輔助設(shè)備。4．2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖根據(jù)系統(tǒng)控制工藝要求及系統(tǒng)特點(diǎn)搭建系統(tǒng)架構(gòu)，設(shè)計(jì)系統(tǒng)控制原理圖，按系統(tǒng)各工藝單元的功能特點(diǎn)和控制要求進(jìn)行系統(tǒng)分解，對(duì)分解后的控制單元進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)。如上述，本系統(tǒng)可分解為電積萃取、環(huán)保和噴淋三個(gè)控制子系統(tǒng)，每個(gè)控制系統(tǒng)均由控制器、智能MCC、現(xiàn)場(chǎng)操作箱和現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備組成，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與控制器之間建立PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線，傳輸數(shù)據(jù)和交換信息，三個(gè)子系統(tǒng)的控制器通過(guò)PROFIBUS總線與管理級(jí)上位機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)管理和網(wǎng)絡(luò)控制。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2。工廠管網(wǎng)智能MCC現(xiàn)場(chǎng)工廠管網(wǎng)智能MCC現(xiàn)場(chǎng)操作箱現(xiàn)場(chǎng)智能儀器儀表環(huán)保系統(tǒng)PROFIBUS-DPPROFIBUS圖2：冶煉銅控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖控制器智能MCC現(xiàn)場(chǎng)操作箱現(xiàn)場(chǎng)智能儀器儀表噴淋系統(tǒng)控制器智能MCC現(xiàn)場(chǎng)操作箱現(xiàn)場(chǎng)智能儀器儀表電機(jī)萃取系統(tǒng)控制器4．3智能MCC系統(tǒng)配置工作站、控制器和軟件配置整個(gè)系統(tǒng)配置基本上選用目前市場(chǎng)上性?xún)r(jià)比較好的SIEMENS設(shè)備，控制器選用S7-400系列產(chǎn)品，總線協(xié)議采用PROFIBUS標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。工作站選用工控機(jī)，完成對(duì)控制系統(tǒng)生產(chǎn)線操作、監(jiān)控、報(bào)表、編程等工作。軟件主要包括操作系統(tǒng)軟件和組態(tài)工具軟件，操作系統(tǒng)采用Windows2000，組態(tài)工具軟件采用SIMATIC程序管理器，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備驅(qū)動(dòng)軟件。SIMATIC程序管理器采用了現(xiàn)代化的軟件體系結(jié)構(gòu)，對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行管理、處理、歸檔和建立文件，在軟件開(kāi)發(fā)方面，采用了面向?qū)ο蟮募夹g(shù)。在項(xiàng)目管理上，以系統(tǒng)硬件和工藝過(guò)程兩個(gè)不同的視角，同時(shí)進(jìn)行管理。這兩個(gè)視角在程序管理器中分別稱(chēng)為標(biāo)準(zhǔn)分級(jí)（StandardHierarchy）和工藝分級(jí)（PlantHierarchy）。其中，標(biāo)準(zhǔn)分級(jí)主要管理系統(tǒng)的硬件，如控制器、系統(tǒng)總線、I/O系統(tǒng)等；工藝分級(jí)主要管理工藝過(guò)程，它將整個(gè)工廠按工藝過(guò)程的要求，分為各個(gè)子系統(tǒng)，然后將各子系統(tǒng)映射到控制器上。與傳統(tǒng)DCS系統(tǒng)相比組態(tài)直接面向工藝過(guò)程。在SIMATIC程序管理器下，有多種組態(tài)工具可以使用，無(wú)論采用何種組態(tài)工具，生成的組態(tài)數(shù)據(jù)都自動(dòng)存到一個(gè)同一的數(shù)據(jù)庫(kù)中。這些組態(tài)工具是：CFC（連續(xù)功能圖）、SFC（順序功能圖）、STEP7（SIMATICS7系列PLC編程語(yǔ)言）、SCL（結(jié)構(gòu)化的控制語(yǔ)言）和WinCC（SIMATIC視窗控制中心）等。智能MCC控制柜配置智能MCC控制柜選用SIEMENS公司推出的采用模塊化技術(shù)的SIVACON抽屜式控制柜，控制柜內(nèi)配置具有通訊功能的3WL系列的進(jìn)線斷路器、3UF5系列智能熱繼電器和帶通訊模塊的MM4系列的變頻器對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制。特別值得一提是智能MCC中3UF5系列智能熱繼電器在總線控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，對(duì)系統(tǒng)架構(gòu)的簡(jiǎn)化起著無(wú)以替代的作用。3UF5系列智能熱繼電器是一種基于微處理器的多功能固態(tài)繼電器，除了具有環(huán)境溫度補(bǔ)償保護(hù)功能外，還具有其他的先進(jìn)功能，如報(bào)警診斷、變頻、電流測(cè)量、I/O性能和直接PROFIBUS－DP網(wǎng)絡(luò)連接。另外，還具有附加的零序接地故障保護(hù)功能、正溫度系數(shù)PTC熱敏電阻輸入端子以及附加的I/O性能。3UF5系列智能熱繼電器實(shí)時(shí)采集運(yùn)行電機(jī)的相關(guān)參數(shù)，并作基本的數(shù)據(jù)分析進(jìn)行狀態(tài)診斷，根據(jù)診斷結(jié)果作相應(yīng)的處理以避免電機(jī)在非正常情況下連續(xù)運(yùn)行，保護(hù)電機(jī)，同時(shí)，通過(guò)PROFIBUS－DP現(xiàn)場(chǎng)總線實(shí)時(shí)上傳電機(jī)運(yùn)行的狀態(tài)信息，對(duì)運(yùn)行電機(jī)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)管理和網(wǎng)絡(luò)控制，以保證電機(jī)運(yùn)行在最優(yōu)化狀態(tài)。對(duì)3UF5系列智能熱繼電器系統(tǒng)對(duì)參數(shù)進(jìn)行初始化、實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)控制和網(wǎng)絡(luò)管理時(shí)，需要配置Win-SIMOCODE-DP/Professional軟件來(lái)驅(qū)動(dòng)?，F(xiàn)場(chǎng)操作箱配置按國(guó)家現(xiàn)行的有關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范，對(duì)電動(dòng)機(jī)控制應(yīng)至少設(shè)置現(xiàn)場(chǎng)機(jī)旁和遠(yuǎn)程兩種控制模式，現(xiàn)場(chǎng)操作箱的設(shè)置實(shí)現(xiàn)設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)控制。現(xiàn)場(chǎng)操作箱面板設(shè)置按鈕、指示燈等執(zhí)行元件和狀態(tài)元件，操作箱內(nèi)配置SIEMENS公司生產(chǎn)的ET200L系列現(xiàn)場(chǎng)I/O，可駁接到PROFIBUS-DP總線上。如果I/O點(diǎn)不夠用，可選擇可擴(kuò)展的ET200L-SC現(xiàn)場(chǎng)I/O?，F(xiàn)場(chǎng)智能儀器儀表配置根據(jù)整個(gè)系統(tǒng)的工藝要求，現(xiàn)場(chǎng)需要配置一定數(shù)量的儀器儀表和傳感器，這些現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備有機(jī)械式或非智能型的，其狀態(tài)信號(hào)直接接入現(xiàn)場(chǎng)操作箱內(nèi)的現(xiàn)場(chǎng)I/O，也有智能型的，掛接在PROFIBUS-DP總線上傳輸和交換現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息。網(wǎng)絡(luò)連接及電纜敷設(shè)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的工礦條件和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備布置情況，并遵循網(wǎng)絡(luò)通信電纜敷設(shè)路徑盡可能短的原則，設(shè)計(jì)系統(tǒng)最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，網(wǎng)絡(luò)連接按設(shè)計(jì)圖紙執(zhí)行。網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)材料主要包括通信電纜、分支器、終端等材料，可根據(jù)系統(tǒng)大小及通訊距離的長(zhǎng)短選擇合適的相關(guān)產(chǎn)品。系統(tǒng)投資比較5.1節(jié)約系統(tǒng)投資成本智能MCC應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)中，在系統(tǒng)搭建過(guò)程中，現(xiàn)場(chǎng)智能儀器儀表設(shè)備強(qiáng)大的自治功能，省略了相當(dāng)數(shù)量的變送器和獨(dú)立的控制器及計(jì)算單元；傳輸信息的數(shù)字化，省略了模擬信號(hào)傳輸中信號(hào)調(diào)理、轉(zhuǎn)換、隔離技術(shù)等功能單元及其復(fù)雜接線；現(xiàn)場(chǎng)操作箱內(nèi)設(shè)置現(xiàn)場(chǎng)遠(yuǎn)程I/O，省略了實(shí)現(xiàn)“現(xiàn)場(chǎng)/遠(yuǎn)程”兩地控制的大量控制電纜；另外，可以用工控PC機(jī)作為操作站。這樣，為用戶(hù)節(jié)約了大筆工程前期投資成本。5.2節(jié)約工程成本省略了大量控制電纜的同時(shí)，也大大減少了端子、槽盒、橋架等輔助材料的投入，減少了工程量，加快了工程進(jìn)度；系統(tǒng)的模型化和標(biāo)準(zhǔn)化，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)、安裝和調(diào)試減少大量的重復(fù)性勞動(dòng)；將來(lái)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展或新增測(cè)控設(shè)備時(shí)，只要在原有的現(xiàn)場(chǎng)總線上就近掛載就可以了，省去了增設(shè)新電纜的麻煩。據(jù)有關(guān)典型試驗(yàn)工程的測(cè)算資料，可節(jié)約安裝費(fèi)用60％以上。5.3節(jié)約維護(hù)成本由于智能熱繼電器、變頻器、軟啟動(dòng)器等現(xiàn)場(chǎng)級(jí)智能設(shè)備，具有自診斷與簡(jiǎn)單故障處理的能力，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線將相關(guān)信息進(jìn)行上傳，用戶(hù)可以查詢(xún)所有運(yùn)行設(shè)備的診斷維護(hù)信息，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化預(yù)防性維護(hù)及定點(diǎn)維修，以便減少故障停機(jī)次數(shù)和故障停機(jī)時(shí)間；電纜數(shù)量大大減少，故障點(diǎn)也大大減少，既節(jié)約了系統(tǒng)的維護(hù)成本，又提高了系統(tǒng)設(shè)備利用率。5.4提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益屬系統(tǒng)本身性能特點(diǎn)決定，系統(tǒng)投入成本降低了，而系統(tǒng)功能加強(qiáng)了，尤其是“定點(diǎn)維護(hù)，減少故障停機(jī)時(shí)間”，使得企業(yè)生產(chǎn)效率提高，正負(fù)反差對(duì)比，大大提高了該系統(tǒng)的性?xún)r(jià)比，滿(mǎn)足了企業(yè)追求“在有限的資源上實(shí)現(xiàn)利潤(rùn)最大化”的目標(biāo)。結(jié)束語(yǔ)現(xiàn)場(chǎng)總