DCS/FCS在炼钢厂连铸工艺中的应用分析

【本文摘要】:
　　针对典型DCS（集散控制系统）/FCS（现场总线控制系统）在我厂炼钢工艺中的应用，主要从整个生产网络配置的角度介绍DCS和FCS两大工业控制系统，以及在炼钢厂的网络示意配置。Infi90是DCS中应用比较广泛的系统之一，Siemens系列是FCS中比较典型的系统，通过在炼钢工艺中的网络配置，对集散控制系统和现场总线控制系统进行比较分析。
　　【关键词】:
　　炼钢工艺、集散控制系统（DCS）、令牌环网、INFI90、现场总线控制系统（FCS）、Siemens S7、 PROFIBUS-DP（Decentralized Periphery）
　【Abstract】
　　aim at the application of DCS/FCS on the CCM’s technics in our plant,introduce the typical network configuration and difference from DCS/FCS.Infi90,a type of DCS,used widely in 1970s， Siemens is a type of FCS and used widely now.
　【Key words】
　　Techincs of steel making、Distributed control system、Token ring、Infi90、Field control bus system、Siemens PLC S7、PROFIBUS-DP
1．前言
梅山炼钢厂于1999年4月份作为起步全连铸钢厂开工一次性成功,创世界冶金工业开工史上同类企业的先进范例(全世界只有梅山炼钢厂和美国的Nucor公司作为起步全连铸钢厂开工一次性成功) ,作为宝钢三大基地普碳钢基地，梅山现可以生产6大类30多个钢种,并且开发出高附加值的钢种,如冷轧用钢、焊瓶钢、管线钢、集装箱板钢等,其中汽车大梁钢、焊瓶钢、集装箱板钢已成为梅山品牌.连铸机有效作业率和台时产量也获得全国第一的荣誉.2003年以前，整个炼钢过程均以贝利公司Infi90作为控制系统，2002年炼钢厂在连铸工艺中新增以SIEMENS PLC为控制系统的2号连铸机，并于2003年2月份投产，设计拉速为2.4m/m，集世界最先进控制技术，在今年生产计划中，将发挥主导作用。炼钢流程如图1所示：
　　
　　图1 炼钢工艺流程图
2．DCS、INFI90以及炼钢厂生产网络配置图
DCS集散控制系统是以微处理器为基础的集中管理和分散控制系统。功能上分层为现场控制级、过程装置控制级、车间操作管理级、全厂优化和调度管理级等，随之形成了生产中的不同分工和相关的职能部门，使生产线与服务线实现一条龙。IEEE802.4令牌总线传输方式和IEEE802.5令牌环网传输方式的通信协议在DCS系统中应用最广，令牌环网的工作原理是在一闭环网中利用唯一的“令牌TOKEN”短帧不停的在环路中流动，寻找需要发送信息的站，只有截获该TOKEN才有权发送；而且只要有一个站发送信息，环路中就不再有空闲的令牌流动，从而在重载下可以高效地工作，截获后将令牌的独特标志转变为信息帧的标志，转一圈后，必然回到发送的源站点，检查返回数据，诊断发送成功与否。释放令牌，继续流动寻找。
INFI90是贝利公司开发的典型DCS系统，上世纪70年代以来，得到广泛的应用，成为当时过程工业自动化控制的主流代表，以其人员分散、地域分散、功能分散、危险分散、设备分散及操作分散，来提高设备的可利用率。炼钢厂连铸环路中共分散有有22（12＋9＋APMS）个站点；每个站点有1～3个控制器（MFP）组成过程装置控制级；HMI实现车间操作等等均以其DCS功能定义来构成一个完善的生产网络。NIS/NPM构成的站站间以令牌协议传输，下挂的19个控制器形成CONTROLWAY通讯，子模件间有其扩展总线，管理层又依靠TCP/IP进行监视，因此各层众多独立的协议也是DCS一大缺陷。该系统在炼钢厂不断完善中发挥到了淋漓尽致，其网络配置示意图如图2。
　　
　　
　3．FCS、Siemens S7以及炼钢生产网络配置图
现场总线是将自动化最底层的现场控制器和现场智能仪表设备互连的实时控制通讯网络，遵循ISO的OSI开放系统互连参考模型的全部或部分通讯协议。FCS现场控制系统则把单个分散的测量控制设备变成网络节点，共同完成自控任务的网络系统与控制系统，所以说现场总线既是通信网络，又是自控系统。炼钢厂以典型总线类型西门子Profibus－DP作为生产网。其数据传输类型是RS485传输,支持9.6K~12M的通信速率和中继器（REPEATER）的扩展功能，支持基于光纤传输介质的通信；也支持点对点、总线及环形光纤网。控制器可配置成双机热备及冗余通信模式，用于对可靠性要求很高的场合, 控制器或主站控制器基于通用工业PC机、Windows NT软硬件平台。总线接口一般采用PCI总线的PROFIBUS网卡（如CP1613）。炼钢厂只以1.5MDP的通讯速率、光纤传输介质Repeater扩展、双机热备、总线链路而形成生产网，如图3。
Profibus-DP主要用于工业自动化系统的高速数据传送，实现调节和控制功能，是一种高速低成本通讯，用于设备级控制系统与分散式I/O的通讯；CP443-1是以TCP/IP协议进行通讯，下挂EWS工程师站、服务器等等，CP443-5则是以PROFIBUS协议下挂VVVF、ET200等工控产品，其网络简单，容易维护；由于输入、输出模件ET200是总线传输形式，安在现场的节点，节省了大量的信号线缆，这也正是有别于DCS的最大优势所在。
炼钢厂2号连铸主系统使用6个PLC处理器，双服务器热备，其中VVVF拥有两条总线，用于与PLC信息通讯和专机读取、下装变频参数.
　　
　　
4.DCS/FCS比较
　　(1).开放性和可互操作性
开放性FCS将打破DCS大型厂家的垄断，给中小企业发展带来了平等竞争的机遇。可互操作性实现控制产品的“即插即用”功能，从而使不同厂家的工控产品可以互换和替换。
　(2).分散性
彻底的分散性意味着系统具有较高的可靠性和灵活性，系统很容易进行重组和扩建，且易于维护。
　(3).低成本
衡量一套控制系统的总体成本，不仅考虑其造价，而且应该考察系统安装调试尤其是运行维护整个生命周期内总投入。相对DCS而言，FCS开放的体系结构和OEM技术将大大缩短开发周期，降低开发成本，且彻底分散的分布式结构将1对1模拟信号传输方式变为1对N的数字信号传输方式，节省了模拟信号传输过程中大量的A/D、D/A转换装置，网络协议传输取代大量的信号线布线中的安装成本，可靠的性能降低了维护费用。因此从总体上来看，FCS的成本大大低于DCS的成本。
从维护角度看，FCS以其协议统一、互相兼容、合理可靠方便生产;从成本角度，更是FCS取代DCS的理由。
　5．结束语。
可以说，开放性、分散化和低成本是传统的自动控制系统产生划时代的变革因素，其深度和广度将超过历史上任何一次变革，必将开创自动控制的新纪元，由于需要适应工业控制系统的分散化、网络化、智能化的发展方向，TCP/IP以太网必将是今后生产网（包括现场控制级、过程装置控制级、车间操作管理级、全厂优化和调度管理级之间）、办公网和WWW一体化工业系统控制、真正实现开放性的最佳选择。