[摘要]本文介绍了水泥行业自动化发展的历程，详细介绍了基于现场总线技术的西门子自动化系统在水泥行业的应用。简要介绍PLC、DCS及FCS 在水泥企业的生产过程控制系统的不同应用特点。

[关键词]水泥工业  现场总线  WINCC  SIMATIC NET  传感器

1 前言

早期水泥行业的生产控制主要是采用常规仪表加继电保护联锁控制，在现场设置电气柜、仪表柜及操作台。控制室内集中控制结合机旁单机控制。使得硬件数量和投资大量增加，安装与维护不便，影响了生产效率。上世纪80年代，由于可编程控制器(PLC)的应用，使水泥工业的自动化程度得到提高，每个车间单独用PLC进行控制，直至90年代初，可编程控制器与计算机构成的集散控制系统(DCS)开始应用，这在一定程度上提高了水泥工业的自动化生产水平，改善了生产管理，而且，在相当长的时期内，各企业仍然会采用DCS系统。但是，随着计算机、通信网络等信息技术的飞速发展，水泥工业的自动控制系统正向着智能化、数字化和网络化方向迈进，传统的集散控制系统和计算机分层控制方式也开始向智能终端与网络结合的现场总线控制系统（Fieldbus Confrol System）方向发展。

目前我国水泥生产中使用的计算机监控系统有数十种，各种监控系统都不具有开放性，更不能实现互操作。其现场设备（传感器、执行设备等）多采用200～1000Hz、4～20mA等模拟信号进行传输，中心站与各分站之间采用计算机异步传输方式：多数为基带或FSK调制方式，传输速率大都低于4800bit/s。在需要图象监视的地方，采用独立的工业电视系统。话音通信基本上都是独立系统。水泥生产的这种信息传输方式与目前的技术发展很不相称。

现场总线技术的出现被认为是解决水泥生产监控系统信息传输问题和提高系统可靠性的有效方法。将现场总线用于水泥生产中，可以改变目前水泥生产监控系统技术相对落后的局面。

2 现场总线技术

现场总线技术是应用于生产现场，在智能化测量设备之间实现双向串行多节点数字通讯系统，也被称为开放式、数字式、多点通讯的底层控制系统。

现场总线技术将专用微处理器置入传统的测量控制仪表中，使它们各自都具有数字计算和数字通信能力，采用可进行简单连接的双绞线作为总线，把多个测量控制仪表连接成网络系统，并按公开、规范的通信协议，在位于现场的多个微机化测量控制设备之间以及现场仪表与远程监控计算机之间实现数据传输与信息交换，形成各种适应实际需要的自动控制系统^[2]。

现场总线系统是一个全分布系统，从根本上改变了现有DCS集中与分散相结合的集散控制系统，把控制功能彻底下放到现场，依靠集传感测量、控制、计算于一体的现场智能设备本身来实现自动化控制，从而分散了危险性，提高了可靠性^[1]。

3 FCS在水泥工业中的应用

由于水泥生产连续性强，工艺复杂，只有通过计算机控制系统准确地监控设备的运行状况，及时地调整工艺参数，才能促进生产的稳定、协调和优化，保证整个系统的高效运转。此外，先进的生产管理，也要求有可靠的自动化控制系统和完善的控制技术，以适应当前激烈的市场竞争的需要。

3．1 控制方案

一个大中型水泥生产线通常分为生料系统、烧成系统（窑系统）、制成系统为主体组成不同的工艺区域，同时还有相应的原料、中间物料配料储存库及输送设备。对于不同规模的水泥工艺线，电机和电器控制设备的数量是相差不多的，差别仅仅是设备的容量，因此具有通用性。

在考虑了水泥生产工艺特点以及控制要求后决定采用以太网为主干网，以PLC为下位机主控制器，通过双绞线与现场智能控制设备相连；上位机部分采用TCP／IP通信协议，以便实现车间级与厂级及公司级的上层网络连接[9]。这样就可以将水泥企业的经营管理、计划调度、现场控制用网络集成起来，进行综合信息处理。同时，为了优化通信，减少信号的往返传递，尽可能将同一个控制系统中信号相关的现场设备就近安排在同一总线上，如图1所示。

图1系统网络图

该网络的拓扑结构为总线型，厂级采用粗缆以太网，通过网桥与上级公司的网络连接，车间子网采用以同轴电缆为传输介质的细缆以太网，现场控制部分则用双绞线连接。这样，在满足各级生产管理需要的情况下，就搭建成了一个灵活、高效、可靠的以现场总线为基础的水泥企业网[8]。

3．2 系统介绍

我们设计的某水泥厂的自动化系统由西门子SIMATIC T1505系列PLC，SINEC H1 Ethemet．DELL计算机以及Siemens WINCC过程监控软件等组成。系统可分为现场控制和中控操作监视两级，其中现场控制由两个PLC主站加多个RBC远程站构成，中控操作监视由1个工程师站和4个操作员站构成，集程序编制、过程控制、工况监视为一体，如图2所示。

图2控制网络图

3．2.1 控制软件部分

(1)上位机部分

工程师站：Micosoft Windows NT 4．0：

操作员站：Micosoft Windows 2000：

监控软件：Siemens Wind0ws C0ntrol Centerver4．O1：

WINCC为西门子公司开发研制的自动化监控程序，主要由以下部分组成：Control Center(控制中心)、User Administer(用户管理器)、Graphics Designer(图形编辑器)、Global Scripts(全局脚本)、Tag Logging(标签记录)、Alarm Logging(报警记录)、Text Library(文本库)、Report Designer(报表编辑器)等。

1)Graphics Designer提供图形编辑，并可以使用图形库中的对象元素。这些对象元素有：标准对象(包括线段、圆弧、多边形等)；智能对象(包括OLE对象、棒图、输人／输出域等)；Windows对象(包括按钮、复选框等)。使用这些对象元素，可以非常方便地创建和编辑图形、设置组态等。

2)Alarm Logging用于显示、确认和归档从过程变量中接收的信息，提供有关错误和操作状态的综合报告，及早引起对危险状态的注意，避免和减少延迟时间等。

3)Tag Logging可以处理测量值并归档保存，它通过系统提供的计时器或用户自己组态的计时器来完成过程变量趋势或报表形式的显示，可以优化、高效地使用系统。

4)Global Scripts是使用c语言创建的各种功能函数和动作的WINCC的一个重要单元。它包括Project Functions(项目函数)、Standard Functions(标准函数)、Internal Functions(内部函数)、Actions(动作)。这些函数都是用户可编程和可组态的c函数，它们可以使图形对象和归档动态化。

此外，Report Designer提供有集成化的报表系统；User Administer可以控制和管理WINCC每一个工作站的访问权限，这样为高效、安全的管理系统创造了条件。

本系统WINCC的工作平台是WindowsNT。Windows NT是多任务多用户的操作系统，而WINCC又是32位的应用软件，因此，系统具有极佳的实时性。此外，该网络内的每一个工作站可以共享网络上的打印机和其它资源；同时，网络的每一个用户提供有一个唯一的帐号和密码，且分配了各自的权利，十分有效地防止了由于操作员的误操作而造成的不必要影响，同时为全公司的网络信息管理提供了基础。

(2)下位机部分

监控软件：TISOFT ver 6．Ol；．组态方式：梯形图：部分PID调节和特殊功能程序。

TI系列控制软件TISOFT既可以用简单、直观的梯形图组态，还提供了特殊功能程序，即类似于高级语言的功能程序，这样大大增强PLC的可编程能力，扩展了PLC的功能。

3．2.2 控制硬件部分

(1)现场控制部分

现场控制站由SIMATIC TI505系列PLC组成，设在生产车间的控制室内，这样缩短了电气元件到PLC信号电缆的距离。现场控制站的主要任务是进行数据采集及处理．根据控制程序来实施对过程量(如温度、压力、流量、料位、电流、电压、速度、配比、阀位等)的控制[7]。全系统根据工艺流程和设备位置等设有两个PLC主站和多个RBC远程站。

SIMATIC TI505系列PLC采用模块化设计，由16槽机箱和各种功能模块组成。CPU模块是现场控制站的核心，模块自带192k内存．并可根据用户要求再增加；程序扫描速度为0．16ms／k；可处理1024个模拟量、2048个开关量信号；提供20480个内部可编程的计时器／计数器、32768个内部控制继电器，一个RS一232接口，一个RS一232／422／485接口，一个Profibus—DP接口。

通讯模块CPI434TF的通讯协议符合IEEE 802．3标准，通讯速度为10Mb／s，提供有一个RS一232／423的编程端口，一个以太网通讯口AUI。

远程I／O控制器RBC通过Shielded twisted—pair cable与CPU模块进行通讯，通讯距离可达15000英尺，通讯速度为1Mb／s；同时，RBC模块面板上有一个LED显示屏，用户可以通过屏幕显示的代码知道RBC的工作状态以及可能的故障。

该系列PLC可输人14～30V DC，输出4．5～34V DC开关量信号；可接收0-5V，一5-+5V，0～20mA，一10～+IOV 等不同模拟量信号，检测精度为12位，且各通道相互隔离，扫描时间为250ms。同时，该PLC还可接收100Ω 、200Ω、500Ω的Platinum；120Ω的Nickel：10Ω的Copper等不同电阻信号，检测精度为0．003Ω(19位)，扫描时间为120ms。

此外，该PLC既可以在主PLC站的CPU模块上在线编程，也可以在任何RBC远程站上在线编程，执行过程是无扰动的[3] [4]。

(2)中央控制部分

中央控制室是整个自动化系统的中枢，负责对全生产线的工作状况进行监视控制。主要完成数据、图形和状态的显示，历史数据的存档，故障记录，报表打印以及设备的操作控制等，以实现分散控制，集中操作管理。
系统设置4个操作员站和1个工程师站，其中l#、2#操作员站控制烧成系统(包括窑头、窑尾、熟料冷却及输送等)；3#操作员站控制煤磨系统；4#操作员站控制生料系统(包括原料调配及粉磨等)。各操作员工作站可以互为备用。工程师站用来开发编制操作员站的工程应用软件，并兼有操作员站的功能。

工程师站与操作员站由Twisted—pair通过网卡3C509连接，通讯速率为10Mb／s。中央控制室与现场控制站由西门子SINEC H1 Ethernet组成，采用的是SIMATICTI505 Ethernet第4层通讯协议，由Coaxial cable通过网卡CP1413 TF连接，通讯速率为10Mb／s[5]。

3．2.3 SIMATIC NET

西门子的网络SIMATIC NET是一个开放的、灵活的、高效的工业通讯网络。其主要由3部分组成：IndustrialEthernet、PROFIBU S、AS—Interface。

Industrial Ethernet是建立在IEEE 802．3标准基础之上的一种工业总线网，使用的是以太网载波监听多路访问／冲突检测(CSMA／CD)协议，通讯速度为10Mb／s，主要应用于需要高速传递大量信息的网络系统。

PROFIBUS是比较完善的现场总线系统，使用的是欧洲EN50 170，Volume2PROFIBUS标准。它又分为：PROFIBUS—FMS(Field Message Specifi—cation)现场总线信息规范，是一种主要应用于现场主控制器之间对等的、开放的信息通讯结构；PROFIBUS—DP(Distributed I／Os)分散设备，主要应用于控制器通过一个快速接口与分散的现场设备的连接，通讯速度可达12Mb／s，是一个可以第三方(如Allen—BradleyABB、AEG—Modicon等)参与的、开放的现场总线结构；PROFIBUS—PA(Process Automation)过程自动化，它的传输程序符合IEC1158—2和PROFIBUS—FMS协议。

AS—Interface是一种可以直接与现场的Actuator(执行机构)、Sensor(传感器)连接的通讯接口。和PROFIBUS相比，AS—Interface主要使用在传递少量信号(如开关状态)的场所，其通讯距离为300m。

通过上面3部分的合理组合，SIMATIC NET几乎可以应用于所有领域，特别是其基于现场总线的自动化控制系统非常完善，使现场分散的仪表、控制器等与整个系统完全集成，这样就可以大量减少隔离器、端子排、电缆等中间环节，免去许多D／A、A／D转换，使仪表的精度提高到士0．1％。并且，当今的监控软件大都是基于Windows、WindowsNT或UNIX的基础之上，并大量采用功能块、标准工具等组态方式，且装有自诊断程序，故安装、运行和维护更简便[6]。

4. 现场控制系统FCS 和集散控制系统DCS的对比

4.1信号的传输方式不同

DCS大多为模拟数字混合系统，尚未形成从测控设备到操作控制计算机的完整网络，在技术上有很大的局限性。由于采用单一信号传输，以至可靠性差，互操作性差，不能很好的对现场设备进行实时控制。FCS是一种分步式的网络自动化系统，其基础是现场总线，形成了从测控设备到操作控制计算机的数字通信网络，适应了网络发展的要求，因而成为控制网络的发展趋势。DCS系统采用D/A与A/D转换实现模拟信号的传送，而FCS系统采用的是数字化通信，省去了D/A与A/D变换，提高了精度。

4.2通信协议不同

DCS由于采用独家封闭的通信协议，给用户的系统集成和应用造成了不便。也就是说，不同厂家的设备不能互连在一起，系统和外界之间的信息交换难于实现。这样的用户就成了一个个“信息孤岛”，从而制约了信息的集成化。FCS是开放式系统，采用了一套标准的通信协议，把测控设备和控制系统完美的结合在一起。通俗的说，测控设备和控制系统采用的是同一种公用的、数字化的语言，它们之间可以进行良好的沟通，从而使设备之间的互操作变得方便、快捷。因此，用户可以选择不同厂商、不同品牌的各种设备连入现场总线，达到最佳的系统集成。

4.3 DCS和FCS结构不同

DSC采用了多级分层网络结构、点对点的接线方式。它集多种功能于一台计算机上,无论是软件系统还是硬件系统都显得十分庞大。多种功能往往需要多实时任务去完成，因而效率不高。如今FCS用一根通信电缆同时连接多台设备，形成真正分散在现场的完整的控制系统，做到了彻底的分散控制，使系统的灵活性、自治性和可靠性提高了。

4.4 DCS和FCS结构可靠性不同

4.4.1 从可靠系数上分析

设DCS和FCS的可靠系数分别是KD、KF。设DCS的变送器、控制器的I/O接口、执行器的可靠系数分别是K1、K2、K3；FCS的变送控制器和执行器的可靠系数为K1、K3，那么KD=K1*K2*K3；KF=K1*K3。因为K1、K2、K3<1,所以KD<KF,即FCS的可靠性高于DCS。可见，DCS的软件体系是庞大的，运行不便，可靠性不高。

4.4.2 从传输方式上分析

DCS的模拟信号传输不仅精度低，而且易受干扰。作为传统的自封闭式的信息交互和共享，DCS使设备成为了“信息孤岛”，现场底层传感器和数据采集器之间采用的是模拟信号传输，抗干扰能力差。FCS采用了智能化与数字化，与模拟信号相比，受干扰的频率低，实时性很强。DCS只接收现场仪表单一的模拟信号，即使采用了HART协议，也不能做到随时诊断，它的通信方式是主从式通信，通信层次比较多。如果每一次的通信速率都很快，那么通信延时应与响应延时相匹配。为了获得较为迅速的通信响应，每一层允许的通信最大延时时间都比较短，有可能发生信号传输的层次跳跃。也就是说，从下层取得的数据难以返回上层。FCS在信息的传输中随时可以把自身的信号帧发给计算机，能够察觉设备中的隐患并及时排除故障。

4.4.3 从结构上分析

FCS将DCS的三层典型结构简化成二层结构，设备数量减少了；DCS的信息采用一条信息线路进行传输。如果该条线路瘫痪，那么所有监控的数据将全部丢失。I/O控制卡一旦损坏，会影响到多个回路。FCS利用多台计算机数据实行实时监控，网络中的计算机的关系不是主从的而是平等的，并且系统可以实现扩充与升级。FCS不用冗余的I/O卡，而采用了现场总线安全栅，如果现场设备或导线遭到破坏，最多影响到1～2个回路，避免了DCS损坏I/O卡影响若干回路的情况，使控制彻底分散，因而每个回路的自治性好。DCS在工业系统中起着越来越大的作用。

4.5 DCS 与FCS的成本不同

4.5.1投资费用不同

FCS的硬件数量远远少于DCS，还可以用工控PC机作为操作站，省略了DCS中昂贵的控制站，从而节省了一大笔投资。另外，随着控制站与I/O柜的取消，控制室的面积大大减小了。

4.5.2 安装费用不同

DCS的现场底层传感器和数据采集器之间采用了一对一的物理连线，所以布线的面积很大，导致现场作业量很大。FCS避免了DCS中冗余的电缆，实现了简单的接线，即一对双绞线或一条电缆上就可以挂接多个设备。如果需要新增测控设备，那么在原有的电缆上就近挂载就可以了，省去了增设新电缆的麻烦。

4.5.3维护费用不同

DCS传输的是DC4～20mA的模拟信号，用户往往需要猜测设备或传感器的好坏以及设备不当所造成的限幅，从而使准确度降低。FCS的数字通信含有大量的诊断信息，用户可以方便的查询所有设备的运行，能够及时发现潜在的故障并消除隐患，同时系统的结构简化了，维护起来省时省力[10]。

5 结束语

现场总线是企业的底层数字通信网络，是连接微机化仪表的开放系统。随着科技水平的日益提高，多种现场总线技术已经在各自的领域发挥了优势，显示了强大的生命力。现场总线使现场仪表与控制系统和控制室实现了网络互连和全分散、全数字化、智能、双向、多变量、多点、多站的通信改变了传统上运用的DC4～20mA的模拟信号标准，是工控系统全数字化的一个变革。尽管DCS克服了模拟仪表控制系统中模拟信号精度低的缺陷，提高了系统的抗干扰能力,分布式的控制系统的体系结构有力地克服了集中式数字控制系统中对控制器处理能力和可靠性要求高的缺陷，但是其对控制器本身要求很高，必须具有足够的处理能力和极高的可靠性，当系统任务增加时，控制器的效率和可靠性将急剧下降。作为国家九五科技攻关的重点项目，现场总线和现场总线控制系统必将得到迅速发展，必将书写控制领域新的篇章。FCS正是适应潮流产生的，它有着DCS无法比拟的优越性，采用了现场总线这一开放的，具有可互操作的网络将现场各控制器及仪表设备互连起来，构成了现场总线控制系统，同时控制功能彻底下放到现场，降低了投资、安装和维护费用。因此，FCS实质是一种开放的、具可互操作性的、彻底分散的分布式控制系统，有着广阔的应用前景。

以现场总线为基础的自动化系统在水泥行业的应用，极大地优化和改善水泥生产控制，相信随着现场总线标准的更加开放统一，产品的不断完善，其在水泥行业的应用也会更加广泛。

参考文献

[1] 阳宪惠  现场总线技术及其应用  清华大学出版社  第一版 1999 35—48

[2] 刘曙光  现场总线技术的进展与展望  自动化与仪表  2001．3，56—60

[3] SIMATIC 505 TISOFT Release 6．0 User Manua1.

[4] SIMATIC 505 ELECTRONIC MANUALS．

[5] WINCC User Manua1．

[6] SIMATIC NET- Industrial Communication Networks．

[7] 柳桂国  检测技术及应用  电子工业出版社 第一版 2002 23—40

[8] 熊桂喜 王小虎译  计算机网络  清华大学出版社 第一版  1997 59—73

[9] Kenneth D.Reed(美)张文等译  TCP/IP基础  电子工业出版社 第二版 2003 47—65

[10] 陈和平,陈星耀，史永焕. CAN 和LON两种现场总线的比较 [J],电子技术应用,1997.1