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)場總線技術(shù)和通信技術(shù)發(fā)展，并滲透到自動化控制領(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)場操作箱設(shè)置現(xiàn)場遠(yuǎn)程I/O等手段來融接現(xiàn)場總線技術(shù)，從而實現(xiàn)傳統(tǒng)MCC順利向智能MCC技術(shù)交接。【關(guān)鍵詞】現(xiàn)場總線、FCS、智能MCC、智能熱繼電器、PROFIBUS概述隨著現(xiàn)場總線技術(shù)和通信技術(shù)發(fā)展，并滲透到自動化控制領(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)欣然由自動化向智能化強(qiáng)渡，同時世界各國自動化產(chǎn)品廠商為順應(yīng)自動化技術(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)場操作箱設(shè)置現(xiàn)場遠(yuǎn)程I/O等手段來融接現(xiàn)場總線技術(shù)，從而實現(xiàn)傳統(tǒng)MCC順利向智能MCC技術(shù)交接，使智能MCC成為一個設(shè)備級的自動化控制系統(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器斷路器繼電器智能MCC進(jìn)線智能熱變頻器軟啟動器斷路器繼電器控制器控制級現(xiàn)場級PROFIBUS-DP工業(yè)以太網(wǎng)管理級連接現(xiàn)場智能儀器儀表現(xiàn)場I/O控制器現(xiàn)場操作箱圖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，在整個系統(tǒng)中，智能MCC只是作為系統(tǒng)的設(shè)備級實施對象控制的一個控制單元，與控制器之間通過現(xiàn)場總線進(jìn)行數(shù)據(jù)和信息的傳輸和交換，對受控設(shè)備進(jìn)行實時控制和監(jiān)視，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)控制和網(wǎng)絡(luò)管理，使現(xiàn)場設(shè)備運(yùn)行在最優(yōu)狀態(tài)。而傳統(tǒng)MCC只能對受控設(shè)備進(jìn)行控制，不能實施管理。系統(tǒng)性能特點系統(tǒng)的開放性、互操作性、互換性、可集成性強(qiáng)。智能MCC是在現(xiàn)場總線技術(shù)平臺上對受控設(shè)備進(jìn)行控制，而現(xiàn)場總線通訊協(xié)議的公開化，決定了系統(tǒng)的開放性。各自動化產(chǎn)品生產(chǎn)商在公開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)品中注入各自專長的技術(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)備之間可實現(xiàn)無障礙地互連并進(jìn)行信息交換，使得各類設(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)搭接簡潔，規(guī)范，易于維護(hù)?，F(xiàn)場操作箱內(nèi)設(shè)置現(xiàn)場遠(yuǎn)程I/O，通過現(xiàn)場總線傳輸現(xiàn)場指令和狀態(tài)，省略了大量的現(xiàn)場控制電纜，特別是對于連鎖控制較復(fù)雜的系統(tǒng)，省略了大量錯綜復(fù)雜的設(shè)備之間的連線，使得整個系統(tǒng)變得非常簡潔，易于維護(hù)，另外，現(xiàn)場智能設(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、安裝、調(diào)試、應(yīng)用和維護(hù)減少大量的重復(fù)性勞動，提高工作效率。系統(tǒng)現(xiàn)場適應(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?，F(xiàn)場總線可支持雙絞線、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)場總線控制系統(tǒng)具有在線故障診斷、報警、記錄功能，從根本上提高了測量與控制的準(zhǔn)確度，減少了傳送誤差。同時，由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡潔，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)故障點和信號的往返傳輸，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、軟啟動器、進(jìn)線斷路器等設(shè)備本身已可完成自動控制的基本功能，使得現(xiàn)場總線已構(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，通過建立友好的系統(tǒng)通信界面，與控制層或管理層網(wǎng)絡(luò)連接，實時采集、分析和處理現(xiàn)場信息，隨時診斷設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，優(yōu)化現(xiàn)場設(shè)備的控制，實現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)管理和網(wǎng)絡(luò)控制，使整個系統(tǒng)設(shè)備一直運(yùn)行在最優(yōu)節(jié)能狀態(tài)，延長了設(shè)備的使用壽命，使得系統(tǒng)節(jié)約能源的同時也充分利用了設(shè)備的有限資源。系統(tǒng)性價比好。智能MCC系統(tǒng)融入現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)后，使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡潔，生產(chǎn)成本大大降低，而系統(tǒng)功能大大加強(qiáng)，具有較高的性價比。系統(tǒng)應(yīng)用及配置隨著智能MCC在現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)中應(yīng)用推廣，其優(yōu)越的性能特點逐漸被用戶熱捧，并主導(dǎo)自動化控制技術(shù)的潮流。下面是該系統(tǒng)在某銅礦濕法提銅廠的應(yīng)用實例。4．1項目簡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，特別對于從同類礦床或品位低、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，基于該項目是國家“十五”科技攻關(guān)項目，具有行業(yè)示范作用，同時該項目規(guī)模較大（占地面積約4.5平方公里），現(xiàn)場儀器儀表設(shè)備繁雜且分布面積廣，非常適合運(yùn)用現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)控制，驅(qū)動控制單元選用智能MCC。根據(jù)工藝需要，該系統(tǒng)分為三個控制站：噴淋控制站（生物堆浸）、電積萃取控制站和環(huán)?？刂普?，三個控制站之間距離較遠(yuǎn)?？刂圃O(shè)備：26臺攪拌機(jī)，95臺風(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)特點搭建系統(tǒng)架構(gòu)，設(shè)計系統(tǒng)控制原理圖，按系統(tǒng)各工藝單元的功能特點和控制要求進(jìn)行系統(tǒng)分解，對分解后的控制單元進(jìn)行針對性設(shè)計。如上述，本系統(tǒng)可分解為電積萃取、環(huán)保和噴淋三個控制子系統(tǒng)，每個控制系統(tǒng)均由控制器、智能MCC、現(xiàn)場操作箱和現(xiàn)場智能設(shè)備組成，現(xiàn)場設(shè)備與控制器之間建立PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線，傳輸數(shù)據(jù)和交換信息，三個子系統(tǒng)的控制器通過PROFIBUS總線與管理級上位機(jī)連接，實現(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)場工廠管網(wǎng)智能MCC現(xiàn)場操作箱現(xiàn)場智能儀器儀表環(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)場操作箱現(xiàn)場智能儀器儀表噴淋系統(tǒng)控制器智能MCC現(xiàn)場操作箱現(xiàn)場智能儀器儀表電機(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系統(tǒng)配置基本上選用目前市場上性價比較好的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)，完成對控制系統(tǒng)生產(chǎn)線操作、監(jiān)控、報表、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)場設(shè)備驅(qū)動軟件。SIMATIC程序管理器采用了現(xiàn)代化的軟件體系結(jié)構(gòu)，對項目進(jìn)行管理、處理、歸檔和建立文件，在軟件開發(fā)方面，采用了面向?qū)ο蟮募夹g(shù)。在項目管理上，以系統(tǒng)硬件和工藝過程兩個不同的視角，同時進(jìn)行管理。這兩個視角在程序管理器中分別稱為標(biāo)準(zhǔn)分級（StandardHierarchy）和工藝分級（PlantHierarchy）。其中，標(biāo)準(zhǔn)分級主要管理系統(tǒng)的硬件，如控制器、系統(tǒng)總線、I/O系統(tǒng)等；工藝分級主要管理工藝過程，它將整個工廠按工藝過程的要求，分為各個子系統(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)直接面向工藝過程。在SIMATIC程序管理器下，有多種組態(tài)工具可以使用，無論采用何種組態(tài)工具，生成的組態(tài)數(shù)據(jù)都自動存到一個同一的數(shù)據(jù)庫中。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編程語言）、SCL（結(jié)構(gòu)化的控制語言）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，對系統(tǒng)架構(gòu)的簡化起著無以替代的作用。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，如報警診斷、變頻、電流測量、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時采集運(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，通過PROFIBUS－DP現(xiàn)場總線實時上傳電機(jī)運(yùn)行的狀態(tài)信息，對運(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3UF5系列智能熱繼電器系統(tǒng)對參數(shù)進(jìn)行初始化、實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)控制和網(wǎng)絡(luò)管理時，需要配置Win-SIMOCODE-DP/Professional軟件來驅(qū)動。現(xiàn)場操作箱配置按國家現(xiàn)行的有關(guān)設(shè)計規(guī)范，對電動機(jī)控制應(yīng)至少設(shè)置現(xiàn)場機(jī)旁和遠(yuǎn)程兩種控制模式，現(xiàn)場操作箱的設(shè)置實現(xiàn)設(shè)備現(xiàn)場控制?，F(xiàn)場操作箱面板設(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I/O，可駁接到PROFIBUS-DP總線上。如果I/O點不夠用，可選擇可擴(kuò)展的ET200L-SC現(xiàn)場I/O?，F(xiàn)場智能儀器儀表配置根據(jù)整個系統(tǒng)的工藝要求，現(xiàn)場需要配置一定數(shù)量的儀器儀表和傳感器，這些現(xiàn)場設(shè)備有機(jī)械式或非智能型的，其狀態(tài)信號直接接入現(xiàn)場操作箱內(nèi)的現(xiàn)場I/O，也有智能型的，掛接在PROFIBUS-DP總線上傳輸和交換現(xiàn)場數(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)場的工礦條件和現(xiàn)場設(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)場總線控制系統(tǒng)中，在系統(tǒng)搭建過程中，現(xiàn)場智能儀器儀表設(shè)備強(qiáng)大的自治功能，省略了相當(dāng)數(shù)量的變送器和獨立的控制器及計算單元；傳輸信息的數(shù)字化，省略了模擬信號傳輸中信號調(diào)理、轉(zhuǎn)換、隔離技術(shù)等功能單元及其復(fù)雜接線；現(xiàn)場操作箱內(nèi)設(shè)置現(xiàn)場遠(yuǎn)程I/O，省略了實現(xiàn)“現(xiàn)場/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，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、安裝和調(diào)試減少大量的重復(fù)性勞動；將來對系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展或新增測控設(shè)備時，只要在原有的現(xiàn)場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)典型試驗工程的測算資料，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、軟啟動器等現(xiàn)場級智能設(shè)備，具有自診斷與簡單故障處理的能力，并通過現(xiàn)場總線將相關(guān)信息進(jìn)行上傳，用戶可以查詢所有運(yùn)行設(shè)備的診斷維護(hù)信息，實現(xiàn)數(shù)字化預(yù)防性維護(hù)及定點維修，以便減少故障停機(jī)次數(shù)和故障停機(jī)時間；電纜數(shù)量大大減少，故障點也大大減少，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“定點維護(hù)，減少故障停機(jī)時間”，使得企業(yè)生產(chǎn)效率提高，正負(fù)反差對比，大大提高了該系統(tǒng)的性價比，滿足了企業(yè)追求“在有限的資源上實現(xiàn)利潤最大化”的目標(biāo)。結(jié)束語現(xiàn)場總