智能MCC在FCS中的应用

　　一、概述

　　随着现场总线技术和通信技术的发展，并渗透到自动化控制领域，改变了传统控制系统架构，使得工业控制技术欣然由自动化向智能化过渡，同时世界各国自动化产品厂商为顺应自动化技术变革，纷纷研发出各自的智能化产品，为现场总线技术和通信技术向控制技术渗透提供了丰富的物质支持(包括硬件和软件)。就MCC而言，在传统的MCC中植入智能热继电器、变频器、软启动器中插接通讯模块，进线断路器内嵌入智能元件，现场操作箱设置现场远程I/O等手段来融接现场总线技术，从而实现传统MCC顺利向智能MCC技术交接，使智能MCC成为一个设备级的自动化控制系统。

　　二、系统架构

　　智能MCC在结构形式上与传统MCC基本上没什么区别，可选择抽屉式或控制柜底板安装，要区别在于元器件配置、系统控制内核和系统架构上，如图1所示典型的智能MCC系统应用于FCS的系统结构图。

　　图1 系统结构图

　　从系统结构图中可看出，在整个系统中，智能MCC只是作为系统的设备级实施对象控制的一个控制单元，与控制器之间通过现场总线进行数据和信息的传输和交换，对受控设备进行实时控制和监视，从而实现系统的网络控制和网络管理，使现场设备运行在最优状态。而传统MCC只能对受控设备进行控制，不能实施管理。

　　三、系统性能特点

　　(1)系统的开放性、互操作性、互换性、可集成性强。智能MCC是在现场总线技术平台上对受控设备进行控制，而现场总线通讯协议的公开化，决定了系统的开放性。各自动化产品生产商在公开性和一致性的总线标准基础上研发出各自的产品，并在产品中注入各自专长的技术要素，如把控制车法、工艺流程、配方等集成到通用系统中去。这样，不同厂家的设备之间可实现无障碍地互连并进行言息交换，使得各类设备之间具有良好的互操作性和互换性，为系统集成和系统优化提供更多的选择。

　　(2)系统搭接简洁、规范，易于维护。现场操作箱内设置现场远程I/O，通过现场总线传输现历指令和状态，省略了大量的现场控制电缆，特别是对于联锁控制较复杂的系统，省略了大量错综复杂的设备之间的连线，使得整个系统变得非常简洁，易于维护。另外，现场智能设备可完成远程参数设定和修改等参数化工作，也增强了系统的可维护性。控制系统的主回路设备配置可实现标准比，使得系统原理图模型化，为系统设计、安装、调试、应用和维护减少大量的重复性劳动，提高了工作效率。

　　(3)系统现场适应性强。智能MCC系统设备较强的互换性增强了系统的适应性，使得其在大大小小的系统中运用自如。现场总线可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等，具有较强的抗干扰能力，能适应各种工矿环境工作。

　　(4)系统准确性和可靠性高。数字化智能MCC嵌入现场总线控制系统具有在线故障诊断、报警、记录功能，从根本上提高了测量与控制的准确度，减少了传送误差。同时，由于系统结构简洁，连线减少，系统智能设备内部处理功能加强，大大减少了系统故障点和信号的往返传输，提高了系统可靠性。

　　(5)系统扩展性好，系统资源利用率高。变频器、软启动器、进线断路器等设备本身已可完成自动控制的基本功能，使得现场总线已构成一种新的全分布式控制系统的体系结构，具有高度分散性和可扩展性，同时，通过建立友好的系统通信界面，与控制层或管理层网络连接，实时采集、分析和处理现场信息，随时诊断设备的运行状态，优化现场设备的控制，实现系统设备的网络管理和网络控制，使整个系统设备一直运行在最优节能状态，延长了设备的使用寿命，使得系统节约能源的同时也充分利用了设备的有限资源。

　　(6)系统性价比好。 智能MCC系统融入现场总线控制系统后，使得系统结构简洁，生产成本大大降低，而系统功能大大加强，具有较高的性价比。

　　四、系统应用及配置

　　随着智能MCC在现场总线控制系统中的应用推广，其优越的性能特点逐渐被用户热捧，并主导自动化控制技术的潮流。下面是该系统在某铜矿湿法提铜厂的应用实例。

　　1.项目简介

　　湿法提锅即生物堆浸湿法提镉技术在冶炼钢中的应用，特踟对于从同类矿床或晶位低、较难提取的矿床中提炼铜有显著的效益。湿法提铜工艺由采矿、碎矿、生物堆浸、萃取、电积等主要工艺组成，其中生物堆浸、萃取、电积工艺外加环保工艺控制系统由我公司承建，基于该项目是国家“十五”科技攻关项目，具有行业示范作用，同时该项目规模较大(占地面积约4.5平方公里)，现场仪器仪表设备繁杂且分布面积广，非常适合运用现场总线控制系统进行系统控制，驱动控制单元选用智能MCC。

　　根据工艺需要，该系统分为三个控制站：喷淋控制站(生物堆浸)、电积萃取控制站和环保控制站，三个控制站之间距离较远。

　　控制设备：26台搅拌机，95台~和输送泵，遍及全厂的智能仪器仪表，其他的辅助设备

　　2.系统结构图

　　根据系统控制工艺要求及系统特点搭建系统架构，设计系统控制原理图，按系统各工艺单元的功能特点和控制要求进行系统分解，对分解后的控制单元进行针对性设计。如上述，本系统可分解为电积萃取、环保和喷淋三个控制子系统，每个控制系统均由控制器、智能MCC、现场操作箱和现场智能设备组成，现场设备与控制器之间建立Profibus-DP现场总线，传输数据和交换信息，个子系统的控制器通过PROFIBUS总线与管理级上位机连接，实现系统的网络管理和网络控制。系统结构图如图2所示。

　　3.智能MCC系统配置

　　> 工作站、控制器和软件配置

　　整个系统配置基本上选用目前市场上性价比较好的Siemens设备，控制器选用s7-400系列产品，总线协议采用PROFIBUS标准协议。

　　工作站选用工控机，完成对控制系统生产线操作、监控、报表、编程等工作。软件主要包括操作系统软件和组态工具软件，操作系统采用Windows 2000，组态工具软件采用SIMATIC程序管理器，现场设备驱动软件。

　　SIMATIC程序管理器采用了现代化的软件体系结构，对项目进行管理、处理、归档和建立文件，在软件开发方面，采用了面向对象的技术。在项目管理上，以系统硬件和工艺过程两个不同的视角，同时进行管理。这两个视角在程序管理器中分别称为标准分级(Standard Hierarchy)和工艺分级( Plant Hierarchy)。其中，标准分级主要管理系统的硬件，如控制器、系统总线、I,O系统等;工艺分级主要管理工艺过程，它将整个工厂按工艺过程的要求，分为各矿子系统，然后将各子系统映射到控制器上。与传统DCS系统相比，组态直接面向工艺过程。在SIMATIC程序管理器下，有多种组态工具可以使用，无论采用何种组态工具，生成的组态数据都自动存到一个同一的数据库中。这些组态工具是：CFC(连续功能图)、SFC(顺序功能图)、STEP7(SIMATIC S7系列PLC编程语言)、SCL(结构化的控制语言)和WinCC(SIMATIC视窗控制中心)等。

　　> 智能MCC控制柜配置

　　智能MCC控制柜选用Siemens公司推出的采用模块化技术的SIVACON抽屉式控制柜，控制柜内配置具有通讯功能的3WL系列的进线断路器、3UF5系列智能热继电器和带通讯模块的MM4系列的变频器对系统进行控制。

　　特别值得一提的是智能MCC中3UF5系列智能热继电器在总线控制系统中的应用，对系统架构的简化起着无以替代的作用。3UF5系列智能热继电器是一种基于微处理器的多功能固态继电器，除了具有环境温度补偿保护功能外，还具有其他的先进功能，如报警诊断、变频、电流测量、I/O性能和直接Profibus-DP网络连接。另外，还具有附加的零序接地故障保护功能、正温度系数PTC热敏电阻输入端子以及附加的I/O性能。3UF5系列智能热继电器实时采集运行电动机的相关参数，并作基本的数据分析进行状态诊断，根据诊断结果作相应的处理以避免电动机在非正常情况下连续运行，保护电动机，同时，通过PROFIBUS-DP现场总线实时上传电动机运行的状态信息，对运行电动机进行网络管理和网络控制，以保证电机运行在最优化状态。

　　对3UF5系列智能热继电器系统对参数进行初始化、实现网络控制和网络管理时，需要配置Win_SIMOCODE-DP/Professional软件来驱动。

　　> 现场操作箱配置

　　按国家现行的有关设计规范，对电动机控制应至少设置现场机旁和远程两种控制模式，现场操作箱的设置实现设备现场控制。现场操作箱面板设置按钮、指示灯等执行元件和状态元件，操箱内配置SIEMENS公司生产的ET200L系列现场I/O，可驳接到PROFIBUS-DP总线上。如果点不够用，可选择可扩展的ET200L-SC现场I/O。

　　> 现场智能仪器仪表配置

　　根据整个系统的工艺要求，现场需要配置一定数量的仪器仪表和传感器，这些现场设备有机械式或非智能型的，其状态信号直接接入现场操作箱内的现场I/O，也有智能型的，挂按PROFIBUS-DP总线上传输和交换现场数据和状态信息。

　　> 网络连接及电缆敷设

　　根据现场的工矿条件和现场设备布置情况，并遵循网络通信电缆敷设路径尽可能短的原则，设计系统最优网络拓扑结构图，网络连接按设计图纸执行。网络介质材料主要包括通信电缆、分支器、终端等材料，可根据系统大小及通讯距离的长短选择合适的相关产品。

　　五、系统投资比较

　　1.节约系统投资成本

　　智能MCC应用于现场总线控制系统中，在系统搭建过程中，现场智能仪器仪表设备强大的自治功能，省略了相当数量的变送器和独立的控制器及计算单元;传输信息的数字化，省略了模拟信号传输中信号调理、转换、隔离技术等功能单元及其复杂接线;现场操作箱内设置现场远程I/O省略了实现“现场，远程”两地控制的大量控制电缆;另外，可以用工控PC作为操作站。这样，用户节约了大笔工程前期投资成本。

　　2.节约工程成本

　　省略了大量控制电缆的同时，也大大减少了端子、槽盒、桥架等辅助材料的投入，减少了工量，加快了工程进度;系统的模型化和标准化，为系统设计、安装和调试减少大量的重复性劳动将来对系统进行扩展或新增测控设备时，只要在原有的现场总线上就近挂载就可以了，省去了增设新电缆的麻烦。据有关典型试验工程的测算资料，可节约安装费用60 c以上。

　　3.节约维护成本

　　由于智能热继电器、变频器、软启动器等现场级智能设备，具有自诊断与简单故障处理的能力并通过现场总线将相关信息进行上传，用户可以查询所有运行设备的诊断维护信息，实现数字似防性维护及定点维修，以便减少故障停机次数和故障停机时间;电缆数量大大减少，故障点也大大减少，既节约了系统的维护成本，又提高了系统设备利用率。

　　4.提高企业经济效益

　　由系统本身性能特点决定，系统投入成本降低了，而系统功能加强了，尤其是“定点维护，少故障停机时间”，使得企业生产效率提高，正负反差对比，大大提高了该系统的性价比，满足了业追求“在有限的资源上实现利润最大化”的目标。

　　六、结束语

　　现场总线技术以其先进性、实用性、可靠性、开放性、高性价比的优点，必然成为未来自动化技术发展的主流，一些具有重大影响的网络新技术必将进一步融合到现场总线技术之中，同时也为自动化系统集成商开发面向行业应用的成套技术和自动化系统提供了机会。智能MCC作为嫁接在现场总线上关键的驱动控制单元，对自动化产品制造商来说，自主开发具有现场通讯功能的智能元器件和集成化智能设备，将具有良好的市场前景;对于自动化系统集成商来说，充分利用这些智能设备和现场总线技术，针对各行业特点进行系统集成，开发自主控制系统，将会收获良好的市场收盈。