基金会现场总线FF技术在球团竖炉上的应用

冶金行业中运用精料技术是高炉冶炼技术进步的具体体现，使用球团矿来代替铁矿和部分烧结矿是高炉精料技术的发展，采用高硷度烧结矿加酸性球团矿的配料来进行高炉冶炼，从而达到增产节支的目的。
　　竖炉球团的生产是一个较复杂的包括专门设备的电气联锁和过程控制的工业烧结过程，集配料、烘干、造球、烧结、成品运输和除尘与一体。老式竖炉以手工操作为主，各种报表都是由操作工手工制作，工人的劳动强度较大，数据信息的可靠性差，难以作为指导生产的依据；工段间生产信息交流具有大滞后性；由于人工看表操作，在竖炉岗位不时出现过烧和欠烧的情况，布料排料岗位也不时因给料设备原因会有布料不均，卸料不匀的情况，使得产品质量不稳定，炉体寿命受到严重影响，同时，设备利用率低，生产工艺和生产管理不完善，也造成了生产原料的浪费，增加了生产成本。近年来，DCS或PLC控制系统的的应用取代了手动操作，逐步实现了竖炉造球系统的分散控制和集中监控，但现场底层传感器和数据采集器之间多采用一对一物理连线和模拟信号传输导致大量布线，信号传输的抗干扰能力也较差。随着自动控制技术，计算机技术和微电子技术的迅猛发展，现场总线技术的不断创新，过程控制系统由第四代的DCS发展至今的FCS系统（现场总线控制系统），被称为第五代过程控制系统。现场总线控制系统的应用避免了智能现场仪表与智能控制室仪表之间的非智能连接，　从而使现场智能仪表的各种智能功能得到淋漓尽致地发挥，同时，节省大量线缆，降低了施工和维护的成本。我们根据竖炉造球生产的基本工艺（见图1）设计了现场总线控制系统。该系统采用沈阳中科博微公司NCS-3000系列产品，以FF现场总线技术为核心，结合工业以太网技术和OPC技术，以工控机和PC机为系统组态、编程、监控、维护和管理的一体化平台，形成以网络集成自动化系统为基础的企业信息系统。由于采用现场总线技术，避免了现场智能仪表与控制室智能控制器/仪表之间的非智能连接，使现场智能仪表的各种智能功能得到淋漓尽致地发挥，体现出现场总线在过程控制中的优势；保留了对常规仪表信号的处理功能，提供相应的常规IO卡件进行处理，可以随时方便地过渡到现场总线，保护用户原有投资；NCS-3000的分布控制单元可执行IEC1161-3梯形图编程语言，完成各种逻辑控制，能够构成完整的控制系统；同时，作为国内首家通过现场总线基金会一致性和互操作性测试的产品，NCS-3000系统与其它厂商的设备实现了良好的互连和互操作，可对市场上取得FF认证的产品兼容。NCS-3000系统较好解决了传统DCS及PLC系统中存在的问题，实现了工厂底层设备状态、车间级监控和工厂级信息管理的信息集成。

二．现场总线技术及NCS-3000系统

　　现场总线技术是近十年来兴起的新技术，是二十一世纪工厂自动化必不可少的关键技术，它是用于现场仪表与控制室仪表之间实现全分散、全数字化、智能式、双向、多变量、多站信息交换的一种通信系统，是信息技术、网络技术与工业控制技术结合的集中体现。目前国际上流行的现场总线主要有过程现场总线PROFIBUS、基金会现场总线FF，LonWorks总线，CAN总线等，世界上许多自动化技术生产商都推出了支持某种主流现场总线标准的产品。FF现场总线基金会是可互操作系统协议ISP——基于德国的ProfiBus标准，　和工厂仪表世界协议WORLD（WorldFactoryInstrumentationProtocol）——基于法国的FIP标准于1994年6月合并成立的，包含100多个成员单位，负责制订一个综合IEC/ISA标准的国际现场总线。基金会现场总线是国际上几家现场总线经过激烈竞争后形成的一种现场总线，与私有的网络总线协议不同，FF总线不附属于任何一个企业或国家，得到了世界上几乎所有的著名仪表制造商的支持，同时遵守IEC的协议规划，与IEC的现场总线国际标准和草案基本一致，加上它在技术上的优势，所以极有希望成为将来的主要国际标准。经过十年的发展，　基金会现场总线已经形成了一个开放的、全数字化的工业通信系统，并在上世纪末开始进入中国市场，推动了中国的工业自动化技术进步，并开始了大型全区域系统集成的应用。

　　NCS-3000系统是以现场总线技术为核心、OPC技术为纽带的开放的网络化控制系统，可将现场总线仪表、模拟仪表、分布式智能I/O、DCS、和PLC等工业自动化设备有机地集成在一起，为企业综合自动化系统提供了一套全新的解决方案。NCS-3000系统具有以下特点：

•以FF现场总线技术为核心，将控制任务下放至工业现场的智能仪表，实现了控制功能的彻底分散，而控制功能的分散意味着危险分散，从而极大地提高了系统的可靠性。

•FFHSE高速总线和FFH1总线相互补充，构成企业综合自动化系统的网络平台。现场总线仪表、智能I/O与计算机之间通过现场总线连成一体，系统结构简单，可扩展性强，不仅降低了布线成本，而且还具有设备远程调试和自诊断能力，维护方便。

•不仅支持多种现场总线智能仪表，也支持传统的模拟仪表、DCS和PLC，可以在最大程度上保护用户的已有投资。

•支持设备描述技术，保证了不同厂商现场总线设备间的客户操作性，使用户有很大的设备选择空间。

•可以集成各种流行的工业自动化设备和监控组态软件，是真正开放的网络化控制系统。

•采用OPC标准，实现硬件与软件及软件与软件间的信息集成，充分保证了系统的开放性。

•支持Internet，使用户可以通过浏览器对生产过程进行远程监控。

三．系统网络结构设计

　　现场总线技术的核心是网络技术，NCS-3000系统的计算机网络是一个实时网络，信息处理满足实时性、完整性、一致性和可靠性的要求。

　　FF总线系统的功能体系结构如图一所示，共分为五个层次。

　　最底层是H1层。它的特点是可以总线供电，可以通过中继器延长电缆距离；网段的调度设备（LAS）可以冗余；可以在仪表中运行功能块，使控制功能分散到现场仪表；可以用于本质安全防爆环境。

　　第二层是HSE层。它是高性能的控制干线，通讯速率达到100Mbit/s；采用标准以太网设备和网络；通过联接设备可以集成H1子系统；HSE可以选择冗余；通过HSE不但能够运行标准的功能块，而且可以运行灵活功能块，以满足批量控制和混合控制的需要。

　　第三层是OPC数据交换层（OPCDX）。在这一层，服务器与服务器之间可以交换数据，从而使数据可以用于支持各种应用软件包，例如，应用于ERP系统，资产管理系统（AssetManagement），历史数据处理，最优化算法，数据仓库等，通过OPCDX还可以与非FF系统进行数据交换。

　　第四层是上述的各种应用软件包在这一层运行。

　　第五层是MIS系统，将过程数据用于全厂管理。

根据FF总线系统体系结构，结合竖炉造球生产的工艺特点，将竖炉造球控制系统结构设计如下，见图二。