基于環形以太網洗煤廠計算機控制程序

導語：基于環形以太網洗煤廠計算機控制程序一文來源于網友上傳，不代表本站觀點，若需要原創文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

本文依據某洗煤廠提供的洗煤廠計算機控制系統設計參數及技術性能要求設計。目前原設備生產能力為150萬t/a，技術改造后為200萬t/a，結合該礦建設標準，地面生產系統主要工藝裝備均采用生產效率高、運行可靠的先進設備，但不具備遠程管理監控功能，無法實現集中管理。本文是在此基礎上實現全自動監控系統的改造。

1洗煤廠計算機控制系統的類型確定

當前分布式計算機控制的類型有：集散控制系統、現場總線控制系統和網絡控制系統。

（1）集散控制系統（DCS-DistributedControlSystem）集散控制系統又稱分布式控制系統。它以微處理器為核心，實現功能上和地理上的分布控制，同時通過高速數據通道把各個分散點的信息集中起來，進行集中監視和操作，實現了復雜的控制和優化。DCS的設計原則是分散控制、集中操作、分級管理、分而自治和綜合協調；

（2）現場總線控制系統（FieldbusControlSystem-FCS）現場總線控制系統是20世紀80年代中期在國際上發展起來的新一代分布式控制系統結構。它采用了不同于DCS的“工作站-現場總線-智能儀表”結構模式，降低了系統總成本，提高了可靠性，且在統一的國際標準下可實現真正的開放式互連系統結構，因此它是新一代的分布式計算機控制系統；

（3）網絡控制系統NCS（NetworkControlSystem）網絡控制系統是通過網絡形成的反饋控制系統。在網絡控制系統中，被控制對象與控制器以及控制器與驅動器之間是通過一個公共的網絡平臺連接的。它是一種空間分布式系統，通過網絡將分布于不同地理位置的傳感器、執行機構和控制器連接起來，形成閉環的一種全分布式實時反饋控制系統。它具有信息資源共享、易于擴展、連接線數減少、效率高、易于維護、性能可靠等優點。盡管NCS比傳統的計算機控制方式具有許多優點，但由于數據在網絡中傳輸，使數據包在傳送的過程中不可避免地會產生排隊或碰撞，導致數據傳輸延遲，從而使控制系統產生時滯，影響了系統的穩定性及其跟隨性。因此本系統根據現場的條件，選擇了基于工業以太網的現場總線控制方式。某洗煤廠生產工藝流程如圖1所示。圖1洗煤廠生產工藝流程圖根據圖1可知，該選煤廠具有車間分散、設備分散，生產連續，各環相扣，數據多，處理量大的工藝流程特點，因而采用了基于光纖環網冗余的工業以太網+PROFIBUS現場總線+ROFINET總線的集中管理、分散控制的新一代分布式控制方式（即FCS）。

2洗煤廠計算機控制系統的網絡組建

通過圖1對洗煤廠生產工藝的研究，統計出需要控制的系統包括集控樓集控室、動篩車間、洗選車間、壓濾車間、篩分車間、原煤配電室和西泵房等幾個系統。系統采用1臺總配電柜+1臺工作站+3套西門子S7-3003152DPPLC主站+3套ET200S分站+PROFIBUS現場總線+ROFINET總線+工業以太網控制。考慮數據遠距離傳輸的準確性和系統的穩定性，以及需方的要求采用雙環自愈型工業以太網通訊方式和冗余系統形成選煤廠環形工業以太網，系統提供豐富的模塊多樣化設計，可支持熱插拔。

2.1現場總線PROFIBUS

PROFIBUS是一種不依賴于設備生產商的國際化、開放式現場總線標準，用于現場設備層或工廠自動化車間級監控的數據通信與控制的現場總線技術。可實現現場設備層到車間級監控的分散式數字控制和現場通信網絡，從而為實現工廠綜合自動化和現場設備智能化提供了可行的解決方案。PROFIBUS協議采用ISO/OSI模型的第1層、第2層和第7層（ISO/OSI模型的1～4層是面向網絡的，5～7層是面向用戶）。PROFIBUS為用戶提供了3種通信協議類型，即PROFIBUS－DP（DecentralizedPeriphery該總線成本低，速度高，用于分散式I/O的通信與現場設備級控制）、PROFIBUS－PA（ProcessAutomation該總線具有本征安全規范，適合于本質安全的場合，可使傳感器和執行機構聯在一根總線上，為過程自動化而設計）、PROFIBUS-FMS（FieldbusMessageSpecification，該總線是一個令牌實時多主網絡的結構，用于車間級監控網絡）。PROFIBUS傳送速度可在9.6kbit/s~12Mbit/s任意選擇，因此PROFIBUS可適應于不同控制對象和通信速率等要求，開放性好并且技術成熟，所以在該洗煤廠的車間級采用了PROFIBUS現場總線作為現場設備級的分散的I/O通信。根據要求，在篩分車間配電室及原煤配電室設立一個ET200S遠程I/O站，實現遠程控制，ET200S是西門子PLC的遠程模塊，通過西門子的PROFIBUS-DP總線將該ET200S作為子站掛靠在動篩車間PLC控制分站，通過總線的形式將采集的現場信號和對現場的控制信號由PLC到ET200S子站上。在硬件組態中，需要將ET200S掛到DP總線上，同時定義該ET200下的模塊屬性，包括各模塊的地址以及各種屬性。同樣，在西泵房設計一個ET200M遠程I/O站，通過西門子的PROFIBUS-DP總線接入洗選車間PLC控制分站。3套S7-300PLC采用PROFIBUS現場總線接口,并通過工業以太網交換機接入管控中心。

2.2工業以太網

雖然PROFIBUS的協議結構是以ISO/OSI為參考模型，但其3~6層并未出現在PROFIBUS的通信棧中，而且各種現場總線之間雖可通過網關進行互換，但設備和裝置之間的操作性和互換性就幾乎不存在；現場總線的數據吞吐能力只適合于底層應用層，對管理層因其對實時性要求非常高，現場總線滿足不了要求，因此采用功能更強大的工業以太網將洗煤廠現場控制系統聯接起來組成環形自愈網，提高系統的數據傳輸速度及可靠性。所謂工業以太網就是結合以太網技術和TCP/IP技術開發出來的一種工業通信網絡。洗煤廠的工業以太網設計如下：（1）基本類型按照以太網傳輸速率大致可分為4種：10Mbit/s工業以太網、100Mbit/s工業以太網、1Gbit/s工業以太網、10Gbit/s工業以太網，根據現場及需方要求采用1Gbit/s工業以太網。（2）網絡硬件①傳輸介質傳輸介質主要根據網絡連接距離、數據安全、傳輸速率來確定，在工業以太網中常用的傳輸介質有屏蔽雙絞線（TP）、工業屏蔽雙絞線（ITP）和光纖。因光纖有重量輕、不產生電磁干擾、不受雷電影響、不受電磁干擾、無屏蔽電流及無電氣接地問題等優點，因此在本設計中采用光纖作為傳輸介質；②工業以太網交換機在本系統中由于采用OLM光纖環網的拓撲結構，以及數據的檢測采用載波偵聽多路復用的方式，使系統傳輸延時，可靠性降低，采用工業以太網交換機可有效地改善系統的特性。本設計采用了MIER系列的以太網交換機。MIER-5428系列自愈環光纖交換機是由24個10/100Base–TX或10/100Base-FX/BX端口以及4個10/100/1000Base-TX或千兆SFP組合端口（1000Base-SX/LX/BX）組成。系統在重新組態時冗余倒換時間小于300ms，另可提供1個1000M以上聯口與核心交換機上聯。MIER-5428支持MR-Ring自愈環，適合用作中心端交換機，最大的特點是支持多組自愈環網，可由用戶自行設定自愈環的環路端口，與MIE-5210自愈環光纖交換機組成多個自愈環網，而4個千兆口可以將多臺MIER-5428組成千兆自愈環，保證多個中心交換機之間的千兆鏈路安全；③通信處理器工業以太網通信處理器包括用在3臺S7-300站上的處理器CP343-1、PC機上的網卡CP1613，它們均提供了ITP、RJ45、AUI等以太網接口，以1000Mbit/s的速度將3臺PLC和PC連接至工業以太網上。

2.3PROFINET

PROFIBUS作為現場總線的一種，已經在我國得到認可，并廣泛應用在各種場所，將TCP/IP技術應用在現場總線是西門子近年來的成果，這就是PROFINET，它是一種基于工業以太網技術的現場總線，并得到了國際電子委員會（IEC）的認可。采用PROFINET將集控室和現場聯系起來，實現了管控一體化。PROFINET的物理層采用快速以太網的物理層、數據鏈路層（IEEE802.3標準），網絡層和傳輸層采用IP/TCP/UDP技術。洗煤廠計算機控制系統中既有對實時性沒有特別要求的過程參數設定值（如PID控制器的KP、KI、KD等參數設定），又有必須滿足實時性要求的過程采樣值，PROFINET對不同的應用要求使用相應的通信方案，解決了在同一個系統里有不同實時通信要求的問題。這是因為PROFINET采用IRT技術解決同步數據通信問題、采用SRT技術解決苛求時間數據通信問題、采用IP/TCP/UDP技術解決無苛求時間數據通信問題。

2.4ET200S控制方式

SIMATICET200S是西門子ET200分布式I/O系統的重要組成部分，它的按位模塊化、高度可擴展性的優勢使其廣泛應用于各種工業控制場合。使用SIMATICS7-400/300控制器和ET200系列遠程I/O所構成的基于PROFIBUS-DP或PROFINET現場總線的解決方案，目前已經成為眾多工程項目的經典選擇。ET200S是一款防護等級為IP20，具有豐富的信號模塊，同時支持電機啟動器，變頻器，PROFIBUS和PROFINET網絡的分布式I/O系統。SIMATICET200S同時支持PROFIBUS和PROFINET現場總線；擁有CPU314功能的集成PROFIBUSDP通訊口的IM151-7CPU和具有3個PROFINET接口的IM151-8PN/DPCPU接口模塊；可以擴展最大7.5kW的電機啟動器和最大4.0kW的變頻器；擁有豐富的診斷功能，包括斷線、短路和通道級的診斷功能；對于MODBUSRTU通訊功能，無需增加任何的選件即可完成；支持帶電熱插拔功能，使得在運行情況下也可以輕松完成模塊的更換；同時提供包括集成光纖接口的PROFIBUS和PROFINET接口模塊；洗煤廠的計算機控制系統的網絡結構如圖2所示。

3結語

分析了洗煤廠的工藝流程，確定了該系統的控制類型；并通過分析工業以太網、PROFIBUS、PROFINET的特點，組建了關于環形以太網洗煤廠的FCS系統；提高了系統的數據傳輸速度及系統的穩定性，完善了系統的功能，使操作更加方便、透明；為洗煤廠的計算機控制系統的實現提供了一定的參考。