基金会现场总线FF技在高炉循环水泵站自动化控制系统中的应用
一。概述
1．方案的目的及范围
中国科学院沈阳自动化研究所以及中科博微自动化技术有限公司非常荣幸能为西林钢铁集团有限公司高炉循环水泵站自动化控制系统提供技术方案。我们深信本项目为我们公司提供了很好的机会证实了我们早期积极灵活的态度是为了以必要的适应性 , 技巧性 ,以及专业精神 , 从而项目顺利完成。
本文档详细描述了我们针对要求的 PLC 控制系统、在线仪表及监视控制自动化设备所选择的标的物的总说明、详细技术参数和供货范围技术方案的背景。
２．技术方案的背景
我们的技术方案基于以下文档资料：
西林钢铁集团有限公司高炉循环水泵站自动化控制系统 招标文件并保证本方案中的技术细节均符合招标文件中的各项要求。
根据黑龙江省西林钢铁集团有限公司高炉循环水泵站自动化控制系统 招标文件及我公司在焦化实施工作中的实际经验，结合国内外现代化高炉循环水自动系统的先进技术和发展趋势，充分发挥我公司的综合实力，使该自动控制系统达到国际先进水平前提下，基础自动化控制系统的配置达到二十一世纪的国内先进水平，做到电、仪自动化控制系统一体化， 在保证系统总体技术方案的完整性、先进性、合理性，在总体上降低用户的投资，为用户提供最优化的产品及服务。以最优化的用户构造成本及总运行成本，实现最优化的产品布局和服务，并考虑最优价格性能比而编制的，最终实现用户经济效益和社会效益的最大化。
３．控制系统概要
Quantum 系列 PLC 简介
根据设计要求，本系统采用法国施耐德电气公司的 MODICON TSX QUANTUM 自动化平台，各分站 CPU 采用 140CPU43412A ，系统内所有 PLC 模块均为 QUANTUM 系列模块，均可实现带电插拔。典型应用包括：控制连网与互锁、数据采集、程序上装 / 下装，远程在线编程，与操作员接口之间的连接和主机数据采集。
Quantum 系列可编程序控制器是 MODICON 公司于 1994 年推出的 984 换代产品。 MODICON 公司的 984 系列可编程序控制器曾是世界上主要的可编程序控制器产品之一。 984 系列可编程序控制器共有 18 个型号 , 可处理的开关量 I/O 从 256 到 16384 点 , 但用户只需掌握一套指令系统、一种体系结构和一套编程软件 , 即可应用于各种型号 , 系统的兼容性也减少了用户最初选择系统所承担的风险。在系统进行升级改型时 , 仍可继续使用原有的 I/O 系统 , 原系统的应用软件原则上可继续使用。
Quantum 可编程序控制器继承了 984 向下兼容的特点 , 硬件上仍可使用 984 的 800I/O 系统 , 软件上可使用 984 的基本指令、功能指令和 Modsoft 编程软件。
Quantum 可编程序控制器具有模块化、可扩展的体系结构 , 可用于工业和制造过程的实时控制 , 能够满足中型至大型控制系统的控制要求。系统包括 CPU 模块、 I/O 模块、通信模块、智能模块、电源模块和底板。典型的 Quantum 系统的组成如图所示。
Quantum 硬件模块及编程软件
CPU模块
中央处理模块 （Central Processing Unit, 简称 CPU 模块 ） 是可编程控制器的核心部件 , 整个 PLC 的工作过程都是在CPU 模块的统一指挥和协调下进行的。 CPU 模块的主要任务是按一定的规律或要求读入被控对象的各种工作状态 , 然后根据用户编制的应用程序要求去处理有关数据 , 最后再向被控制对象送出相应的控制 （ 驱动 ） 信号。 CPU 模块与被控制对象之间的联系是通过各种 I/O（Input/Output） 接口实现的。
PLC 的 CPU 模块通常是指 PLC 中的主控板 , 它与一般计算机系统中的 CPU 概念不同 , 后者常用 CPU 表示一个中央处理器 , 即它是一块集成芯片。事实上 , 在一个中型或大型 PLC 的中央处理模板上 , 不仅有 CPU 集成芯片 , 而且还有一定数量的 ROM 或 EPROM（ 储存系统的操作系统 ） 和 RAM（ 储存少量的数据或用户程序 ）
在中型或大型的 PLC 中常装有两个中央处理器 : 字处理器和位处理器。其中字处理器是主处理器 , 它完成字节 （byte） 指令理 , 并实现各种控制作用 （ 包括对位处理器 ' 的控制 ） 。而位处理器是辅助处理器 , 它主要处理位式 （bit） 信息 , 其主要特点是它在处理位式信息时 , 速度可以很高。在小型 PLC 中 , 往往只用一个处理器同时完成这两方面的工作。
具体地说 ,PLC 的 CPU 模块主要完成下述各项工作 :
（1） 接收用户从编程器输人的用户程序 , 并将它们存人用户存储区 ;
（2） 用扫描方式接收源自被控对象的状态信号 , 并存入相应的数据区 （ 输入映像区 ）;
（3） 检查用户程序的语法错误 , 并给出错误信息 ;
（4） 监测系统状态及电源系统 ;
（5） 执行用户程序 , 完成各种数据的处理、传输和存储等功能 ;
（6） 根据数据处理的结果 , 刷新输出状态表 , 完成对各种外部设备的实时控制和其他辅助工作 （ 如显示和打印等 ） 。
Quantum CPU 模块如图 2-2 所示。
CPU 模块安装在 Quantum 本地 I/O 底板上 , 是单槽位控制器。 CPU 模块内含有执行存储器、应用程序存储器、通讯端口以及 CPU 状态、通讯端口状态 LED 指示灯。 LED 状态指示灯显示 CPU 本身及所有通讯端口的工作是否正常 , 以便及时进行故障检修。 Quantum CPU 使用闪速存储器 （Flash Memory） 技术 , 支持控制器的执行存储器和指令集。操作系统的升级可通过 Modbus 和 Modbus Pius 通讯端口直接下装给 CPIJ 的闪速存储器 , 代替、更换 EPROM 芯片或执行卡执行现场修改。对于较复杂的过程控制 ,Quantum CPU 可通过过程控制功能库 （Process Control Function Libray, 简写为 PCFL）, 由协处理器配合完成过程控制中较复杂的代数及数学运算。 Quantum 系列 CPU 使用电池后备的 RAM, 以保护用户应用程序 , 电池安装在 CPU 模块正面 , 当控制器运行时即可投入使用。
在 CPU 的前面板还装有两个 3 位置滑动开关 , 左边的开关是用来保护存储器的 , 当开关在上面位置时起保护作用。右边的 3 位置滑动开关用来选择设定 Modbus（RS-232C） 通信参数 , 包括 ASCII 通信端口参数、 RTU 通信端口参数和有效通信端口参数。
CPU 模块前面板上都有标准的 Modbus 和 Modbus Plus 通信接口 , 以支持两种联网方案 ,CPU 前面板上的 LED 指示灯用于指示其工作状态。 CPU 模块的后面板上装有两个旋转开关 , 它们用于设置 Modbus Plus 节点和 Modbus 端口地址 , 有效地址为 1～640 。 SWl 设置地址高位 （ 十位 ）,SW2 设置低位 （ 个位 ） 。如果节点地址选为 0 或大于 64,Modbus+LED 将维持常亮 , 以指示所选地址元效。对于 Modbus 端口 , 包括波特率、数据位、停止位、奇偶校验位、站地址以及协议等端口均设置在控制器配置中。缺省时 , 端口设置编程参数为 :9600,E,8,1,RTU,model 。 CPU 面板上的开关能将端口设置为调制解调器工作方式 :2400, E, 7, 1, ASCII 。
Quantum CPU 技术性能见表 2-1 。
Quantum CPU 模块包括一个 80 多条指令的指令集。这些指令为离散量处理、模拟量处理和过程控制的应用程序生成提供工具 , 这些基于 984 指令集的指令确保各项应用的兼容易于组合。梯形图逻辑指令见表 2-2 。
开关量和模拟量 I/O 模块
开关量 I/O 模块的主要作用是实现 PLC 与外部设备之间数字信号的连接。它完成电平转换、电气隔离、串 / 并型数据转换、码字错误检测以及提供具有足够驱动能力的各种数字驱动信号等工作 , 有时还可提供各种中断和通讯等方面的控制信号。开关量 I/0 模块通常配置有相应的 LED 状态显示器 , 以利于操作人员的监测。
开关量 I/O 的输入信号常来自按扭、开关和继电器触点等实际开关量 , 也可以是各种外设或被控制对象送来的数字量。它的数字输出信号主要是以继电器触点或与 TTL 电平兼容的数字电平形式提供的。模拟量 I/O 模块主要实现 PLC 与外部 I/O 装置之间模拟信号的连接。其中模拟量输入模块主要完成阻抗匹配、 I/V 转换、小信号放大、信号滤波以及 A/D 转换等功能 , 实现将被控对象送出的模拟量转换成 PLC 易于处理的数字量的作用。模拟量输出模块主要完成阻抗匹配、功率放大和波形校正等功能 , 以便向被控对象提供正常工作所需要的模拟控制 （ 驱动 ） 信号。
在一些高精度和高抗干扰的 PLC 系统中 , 模拟量 I/0 模块也需要有光电隔离措施。由于模拟信号的隔离问题远比数字信号隔离困难 , 因此常在模拟量 I/O 模块上只配置若干具有隔离措施的端口 , 以降低系统的复杂度和成本。需要指出的是 : 在模拟量 I/O 模块中 , 模拟信号一般不能用光电藕合器作隔离 , 因为它不能保证良好的线性度 , 因此往往采用成本较高的隔离放大器来实现隔离作用。模拟量 I/O 模块中的数字逻辑部分可以采用光电隔离器来隔离。无论是开关量 I/O 模块 , 还是模拟量 I/O 模块 , 通常均应根据实际控制的要求和有关的技术指标来进行配置和选择。
Quantum 系列 PLC 使用全范围、高性能的 I/O 模块 , 符合国际上认可的 IEC 电气标准 , 确保恶劣工作环境下的可靠性。 Quantum 的 I/O 模块允许 " 带电插拔 ", 这种特性为现场运行维护带来了许多方便。
所有的 Quantum PLC I/O 模块均可使用编程软件实现软件配置。 I/O 的软件配置允许用户为每个模块配置 I/O 地址。软件寻址使现有系统在加入模块或改变 I/O 配置时 , 无需从物理上改变应用程序。软件配置的另一个优点是删除空槽 , 这是由用物理地址系统来建立地址映像的限制而造成的。 I/O Map 的概念是基于智能模块的扩充 , 该智能模块需要地址范围以外的额外信息。
Quantum 系列 PLC 的 I/O 模块如图 2-3 所示。每个模块都有 LED 信息 , 包括现有的 I/O 状态和现场接线故障、熔断器断开、超过量程等信息。每一个 I/O 模块需要一个单独的 I/O 接线端子 P/N 140 XTS 002 00 。所有的 I/O 模块使用同样的连接端子 , I/O 端子有 （20） #14 标准线和 （40）#16 标准线 , 采用 THHN 级绝缘。
Quantum 系列 PLC 的 I/O 模块类型一览表如表 2-3 所示。
1．方案的目的及范围
中国科学院沈阳自动化研究所以及中科博微自动化技术有限公司非常荣幸能为西林钢铁集团有限公司高炉循环水泵站自动化控制系统提供技术方案。我们深信本项目为我们公司提供了很好的机会证实了我们早期积极灵活的态度是为了以必要的适应性 , 技巧性 ,以及专业精神 , 从而项目顺利完成。
本文档详细描述了我们针对要求的 PLC 控制系统、在线仪表及监视控制自动化设备所选择的标的物的总说明、详细技术参数和供货范围技术方案的背景。
２．技术方案的背景
我们的技术方案基于以下文档资料：
西林钢铁集团有限公司高炉循环水泵站自动化控制系统 招标文件并保证本方案中的技术细节均符合招标文件中的各项要求。
根据黑龙江省西林钢铁集团有限公司高炉循环水泵站自动化控制系统 招标文件及我公司在焦化实施工作中的实际经验，结合国内外现代化高炉循环水自动系统的先进技术和发展趋势，充分发挥我公司的综合实力，使该自动控制系统达到国际先进水平前提下，基础自动化控制系统的配置达到二十一世纪的国内先进水平，做到电、仪自动化控制系统一体化， 在保证系统总体技术方案的完整性、先进性、合理性，在总体上降低用户的投资，为用户提供最优化的产品及服务。以最优化的用户构造成本及总运行成本，实现最优化的产品布局和服务，并考虑最优价格性能比而编制的，最终实现用户经济效益和社会效益的最大化。
３．控制系统概要
Quantum 系列 PLC 简介
根据设计要求，本系统采用法国施耐德电气公司的 MODICON TSX QUANTUM 自动化平台，各分站 CPU 采用 140CPU43412A ，系统内所有 PLC 模块均为 QUANTUM 系列模块，均可实现带电插拔。典型应用包括：控制连网与互锁、数据采集、程序上装 / 下装，远程在线编程，与操作员接口之间的连接和主机数据采集。
Quantum 系列可编程序控制器是 MODICON 公司于 1994 年推出的 984 换代产品。 MODICON 公司的 984 系列可编程序控制器曾是世界上主要的可编程序控制器产品之一。 984 系列可编程序控制器共有 18 个型号 , 可处理的开关量 I/O 从 256 到 16384 点 , 但用户只需掌握一套指令系统、一种体系结构和一套编程软件 , 即可应用于各种型号 , 系统的兼容性也减少了用户最初选择系统所承担的风险。在系统进行升级改型时 , 仍可继续使用原有的 I/O 系统 , 原系统的应用软件原则上可继续使用。
Quantum 可编程序控制器继承了 984 向下兼容的特点 , 硬件上仍可使用 984 的 800I/O 系统 , 软件上可使用 984 的基本指令、功能指令和 Modsoft 编程软件。
Quantum 可编程序控制器具有模块化、可扩展的体系结构 , 可用于工业和制造过程的实时控制 , 能够满足中型至大型控制系统的控制要求。系统包括 CPU 模块、 I/O 模块、通信模块、智能模块、电源模块和底板。典型的 Quantum 系统的组成如图所示。
Quantum 硬件模块及编程软件
CPU模块
中央处理模块 （Central Processing Unit, 简称 CPU 模块 ） 是可编程控制器的核心部件 , 整个 PLC 的工作过程都是在CPU 模块的统一指挥和协调下进行的。 CPU 模块的主要任务是按一定的规律或要求读入被控对象的各种工作状态 , 然后根据用户编制的应用程序要求去处理有关数据 , 最后再向被控制对象送出相应的控制 （ 驱动 ） 信号。 CPU 模块与被控制对象之间的联系是通过各种 I/O（Input/Output） 接口实现的。
PLC 的 CPU 模块通常是指 PLC 中的主控板 , 它与一般计算机系统中的 CPU 概念不同 , 后者常用 CPU 表示一个中央处理器 , 即它是一块集成芯片。事实上 , 在一个中型或大型 PLC 的中央处理模板上 , 不仅有 CPU 集成芯片 , 而且还有一定数量的 ROM 或 EPROM（ 储存系统的操作系统 ） 和 RAM（ 储存少量的数据或用户程序 ）
在中型或大型的 PLC 中常装有两个中央处理器 : 字处理器和位处理器。其中字处理器是主处理器 , 它完成字节 （byte） 指令理 , 并实现各种控制作用 （ 包括对位处理器 ' 的控制 ） 。而位处理器是辅助处理器 , 它主要处理位式 （bit） 信息 , 其主要特点是它在处理位式信息时 , 速度可以很高。在小型 PLC 中 , 往往只用一个处理器同时完成这两方面的工作。
具体地说 ,PLC 的 CPU 模块主要完成下述各项工作 :
（1） 接收用户从编程器输人的用户程序 , 并将它们存人用户存储区 ;
（2） 用扫描方式接收源自被控对象的状态信号 , 并存入相应的数据区 （ 输入映像区 ）;
（3） 检查用户程序的语法错误 , 并给出错误信息 ;
（4） 监测系统状态及电源系统 ;
（5） 执行用户程序 , 完成各种数据的处理、传输和存储等功能 ;
（6） 根据数据处理的结果 , 刷新输出状态表 , 完成对各种外部设备的实时控制和其他辅助工作 （ 如显示和打印等 ） 。
Quantum CPU 模块如图 2-2 所示。
CPU 模块安装在 Quantum 本地 I/O 底板上 , 是单槽位控制器。 CPU 模块内含有执行存储器、应用程序存储器、通讯端口以及 CPU 状态、通讯端口状态 LED 指示灯。 LED 状态指示灯显示 CPU 本身及所有通讯端口的工作是否正常 , 以便及时进行故障检修。 Quantum CPU 使用闪速存储器 （Flash Memory） 技术 , 支持控制器的执行存储器和指令集。操作系统的升级可通过 Modbus 和 Modbus Pius 通讯端口直接下装给 CPIJ 的闪速存储器 , 代替、更换 EPROM 芯片或执行卡执行现场修改。对于较复杂的过程控制 ,Quantum CPU 可通过过程控制功能库 （Process Control Function Libray, 简写为 PCFL）, 由协处理器配合完成过程控制中较复杂的代数及数学运算。 Quantum 系列 CPU 使用电池后备的 RAM, 以保护用户应用程序 , 电池安装在 CPU 模块正面 , 当控制器运行时即可投入使用。
在 CPU 的前面板还装有两个 3 位置滑动开关 , 左边的开关是用来保护存储器的 , 当开关在上面位置时起保护作用。右边的 3 位置滑动开关用来选择设定 Modbus（RS-232C） 通信参数 , 包括 ASCII 通信端口参数、 RTU 通信端口参数和有效通信端口参数。
CPU 模块前面板上都有标准的 Modbus 和 Modbus Plus 通信接口 , 以支持两种联网方案 ,CPU 前面板上的 LED 指示灯用于指示其工作状态。 CPU 模块的后面板上装有两个旋转开关 , 它们用于设置 Modbus Plus 节点和 Modbus 端口地址 , 有效地址为 1～640 。 SWl 设置地址高位 （ 十位 ）,SW2 设置低位 （ 个位 ） 。如果节点地址选为 0 或大于 64,Modbus+LED 将维持常亮 , 以指示所选地址元效。对于 Modbus 端口 , 包括波特率、数据位、停止位、奇偶校验位、站地址以及协议等端口均设置在控制器配置中。缺省时 , 端口设置编程参数为 :9600,E,8,1,RTU,model 。 CPU 面板上的开关能将端口设置为调制解调器工作方式 :2400, E, 7, 1, ASCII 。
Quantum CPU 技术性能见表 2-1 。
Quantum CPU 模块包括一个 80 多条指令的指令集。这些指令为离散量处理、模拟量处理和过程控制的应用程序生成提供工具 , 这些基于 984 指令集的指令确保各项应用的兼容易于组合。梯形图逻辑指令见表 2-2 。
开关量和模拟量 I/O 模块
开关量 I/O 模块的主要作用是实现 PLC 与外部设备之间数字信号的连接。它完成电平转换、电气隔离、串 / 并型数据转换、码字错误检测以及提供具有足够驱动能力的各种数字驱动信号等工作 , 有时还可提供各种中断和通讯等方面的控制信号。开关量 I/0 模块通常配置有相应的 LED 状态显示器 , 以利于操作人员的监测。
开关量 I/O 的输入信号常来自按扭、开关和继电器触点等实际开关量 , 也可以是各种外设或被控制对象送来的数字量。它的数字输出信号主要是以继电器触点或与 TTL 电平兼容的数字电平形式提供的。模拟量 I/O 模块主要实现 PLC 与外部 I/O 装置之间模拟信号的连接。其中模拟量输入模块主要完成阻抗匹配、 I/V 转换、小信号放大、信号滤波以及 A/D 转换等功能 , 实现将被控对象送出的模拟量转换成 PLC 易于处理的数字量的作用。模拟量输出模块主要完成阻抗匹配、功率放大和波形校正等功能 , 以便向被控对象提供正常工作所需要的模拟控制 （ 驱动 ） 信号。
在一些高精度和高抗干扰的 PLC 系统中 , 模拟量 I/0 模块也需要有光电隔离措施。由于模拟信号的隔离问题远比数字信号隔离困难 , 因此常在模拟量 I/O 模块上只配置若干具有隔离措施的端口 , 以降低系统的复杂度和成本。需要指出的是 : 在模拟量 I/O 模块中 , 模拟信号一般不能用光电藕合器作隔离 , 因为它不能保证良好的线性度 , 因此往往采用成本较高的隔离放大器来实现隔离作用。模拟量 I/O 模块中的数字逻辑部分可以采用光电隔离器来隔离。无论是开关量 I/O 模块 , 还是模拟量 I/O 模块 , 通常均应根据实际控制的要求和有关的技术指标来进行配置和选择。
Quantum 系列 PLC 使用全范围、高性能的 I/O 模块 , 符合国际上认可的 IEC 电气标准 , 确保恶劣工作环境下的可靠性。 Quantum 的 I/O 模块允许 " 带电插拔 ", 这种特性为现场运行维护带来了许多方便。
所有的 Quantum PLC I/O 模块均可使用编程软件实现软件配置。 I/O 的软件配置允许用户为每个模块配置 I/O 地址。软件寻址使现有系统在加入模块或改变 I/O 配置时 , 无需从物理上改变应用程序。软件配置的另一个优点是删除空槽 , 这是由用物理地址系统来建立地址映像的限制而造成的。 I/O Map 的概念是基于智能模块的扩充 , 该智能模块需要地址范围以外的额外信息。
Quantum 系列 PLC 的 I/O 模块如图 2-3 所示。每个模块都有 LED 信息 , 包括现有的 I/O 状态和现场接线故障、熔断器断开、超过量程等信息。每一个 I/O 模块需要一个单独的 I/O 接线端子 P/N 140 XTS 002 00 。所有的 I/O 模块使用同样的连接端子 , I/O 端子有 （20） #14 标准线和 （40）#16 标准线 , 采用 THHN 级绝缘。
Quantum 系列 PLC 的 I/O 模块类型一览表如表 2-3 所示。
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