一、概述

　　隨著現(xiàn)場總線技術和通信技術的發(fā)展，并滲透到自動化控制領域，改變了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)架構，使得工業(yè)控制技術欣然由自動化向智能化過渡，同時世界各國自動化產(chǎn)品廠商為順應自動化技術變革，紛紛研發(fā)出各自的智能化產(chǎn)品，為現(xiàn)場總線技術和通信技術向控制技術滲透提供了豐富的物質支持(包括硬件和軟件)。就MCC而言，在傳統(tǒng)的MCC中植入智能熱繼電器、變頻器、軟啟動器中插接通訊模塊，進線斷路器內嵌入智能元件，現(xiàn)場操作箱設置現(xiàn)場遠程I/O等手段來融接現(xiàn)場總線技術，從而實現(xiàn)傳統(tǒng)MCC順利向智能MCC技術交接，使智能MCC成為一個設備級的自動化控制系統(tǒng)。

　　二、系統(tǒng)架構

　　智能MCC在結構形式上與傳統(tǒng)MCC基本上沒什么區(qū)別，可選擇抽屜式或控制柜底板安裝，要區(qū)別在于元器件配置、系統(tǒng)控制內核和系統(tǒng)架構上，如圖1所示典型的智能MCC系統(tǒng)應用于FCS的系統(tǒng)結構圖。

　　圖1 系統(tǒng)結構圖

　　從系統(tǒng)結構圖中可看出，在整個系統(tǒng)中，智能MCC只是作為系統(tǒng)的設備級實施對象控制的一個控制單元，與控制器之間通過現(xiàn)場總線進行數(shù)據(jù)和信息的傳輸和交換，對受控設備進行實時控制和監(jiān)視，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的網(wǎng)絡控制和網(wǎng)絡管理，使現(xiàn)場設備運行在最優(yōu)狀態(tài)。而傳統(tǒng)MCC只能對受控設備進行控制，不能實施管理。

　　三、系統(tǒng)性能特點

　　(1)系統(tǒng)的開放性、互操作性、互換性、可集成性強。智能MCC是在現(xiàn)場總線技術平臺上對受控設備進行控制，而現(xiàn)場總線通訊協(xié)議的公開化，決定了系統(tǒng)的開放性。各自動化產(chǎn)品生產(chǎn)商在公開性和一致性的總線標準基礎上研發(fā)出各自的產(chǎn)品，并在產(chǎn)品中注入各自專長的技術要素，如把控制車法、工藝流程、配方等集成到通用系統(tǒng)中去。這樣，不同廠家的設備之間可實現(xiàn)無障礙地互連并進行言息交換，使得各類設備之間具有良好的互操作性和互換性，為系統(tǒng)集成和系統(tǒng)優(yōu)化提供更多的選擇。

　　(2)系統(tǒng)搭接簡潔、規(guī)范，易于維護?，F(xiàn)場操作箱內設置現(xiàn)場遠程I/O，通過現(xiàn)場總線傳輸現(xiàn)歷指令和狀態(tài)，省略了大量的現(xiàn)場控制電纜，特別是對于聯(lián)鎖控制較復雜的系統(tǒng)，省略了大量錯綜復雜的設備之間的連線，使得整個系統(tǒng)變得非常簡潔，易于維護。另外，現(xiàn)場智能設備可完成遠程參數(shù)設定和修改等參數(shù)化工作，也增強了系統(tǒng)的可維護性?？刂葡到y(tǒng)的主回路設備配置可實現(xiàn)標準比，使得系統(tǒng)原理圖模型化，為系統(tǒng)設計、安裝、調試、應用和維護減少大量的重復性勞動，提高了工作效率。

　　(3)系統(tǒng)現(xiàn)場適應性強。智能MCC系統(tǒng)設備較強的互換性增強了系統(tǒng)的適應性，使得其在大大小小的系統(tǒng)中運用自如?，F(xiàn)場總線可支持雙絞線、同軸電纜、光纜、射頻、紅外線、電力線等，具有較強的抗干擾能力，能適應各種工礦環(huán)境工作。

　　(4)系統(tǒng)準確性和可靠性高。數(shù)字化智能MCC嵌入現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)具有在線故障診斷、報警、記錄功能，從根本上提高了測量與控制的準確度，減少了傳送誤差。同時，由于系統(tǒng)結構簡潔，連線減少，系統(tǒng)智能設備內部處理功能加強，大大減少了系統(tǒng)故障點和信號的往返傳輸，提高了系統(tǒng)可靠性。

　　(5)系統(tǒng)擴展性好，系統(tǒng)資源利用率高。變頻器、軟啟動器、進線斷路器等設備本身已可完成自動控制的基本功能，使得現(xiàn)場總線已構成一種新的全分布式控制系統(tǒng)的體系結構，具有高度分散性和可擴展性，同時，通過建立友好的系統(tǒng)通信界面，與控制層或管理層網(wǎng)絡連接，實時采集、分析和處理現(xiàn)場信息，隨時診斷設備的運行狀態(tài)，優(yōu)化現(xiàn)場設備的控制，實現(xiàn)系統(tǒng)設備的網(wǎng)絡管理和網(wǎng)絡控制，使整個系統(tǒng)設備一直運行在最優(yōu)節(jié)能狀態(tài)，延長了設備的使用壽命，使得系統(tǒng)節(jié)約能源的同時也充分利用了設備的有限資源。

　　(6)系統(tǒng)性價比好。 智能MCC系統(tǒng)融入現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)后，使得系統(tǒng)結構簡潔，生產(chǎn)成本大大降低，而系統(tǒng)功能大大加強，具有較高的性價比。

　　四、系統(tǒng)應用及配置

　　隨著智能MCC在現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)中的應用推廣，其優(yōu)越的性能特點逐漸被用戶熱捧，并主導自動化控制技術的潮流。下面是該系統(tǒng)在某銅礦濕法提銅廠的應用實例。

　　1.項目簡介

　　濕法提鍋即生物堆浸濕法提鎘技術在冶煉鋼中的應用，特踟對于從同類礦床或晶位低、較難提取的礦床中提煉銅有顯著的效益。濕法提銅工藝由采礦、碎礦、生物堆浸、萃取、電積等主要工藝組成，其中生物堆浸、萃取、電積工藝外加環(huán)保工藝控制系統(tǒng)由我公司承建，基于該項目是國家“十五”科技攻關項目，具有行業(yè)示范作用，同時該項目規(guī)模較大(占地面積約4.5平方公里)，現(xiàn)場儀器儀表設備繁雜且分布面積廣，非常適合運用現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)進行系統(tǒng)控制，驅動控制單元選用智能MCC。

　　根據(jù)工藝需要，該系統(tǒng)分為三個控制站：噴淋控制站(生物堆浸)、電積萃取控制站和環(huán)?？刂普?，三個控制站之間距離較遠。

　　控制設備：26臺攪拌機，95臺~和輸送泵，遍及全廠的智能儀器儀表，其他的輔助設備

　　2.系統(tǒng)結構圖

　　根據(jù)系統(tǒng)控制工藝要求及系統(tǒng)特點搭建系統(tǒng)架構，設計系統(tǒng)控制原理圖，按系統(tǒng)各工藝單元的功能特點和控制要求進行系統(tǒng)分解，對分解后的控制單元進行針對性設計。如上述，本系統(tǒng)可分解為電積萃取、環(huán)保和噴淋三個控制子系統(tǒng)，每個控制系統(tǒng)均由控制器、智能MCC、現(xiàn)場操作箱和現(xiàn)場智能設備組成，現(xiàn)場設備與控制器之間建立Profibus-DP現(xiàn)場總線，傳輸數(shù)據(jù)和交換信息，個子系統(tǒng)的控制器通過PROFIBUS總線與管理級上位機連接，實現(xiàn)系統(tǒng)的網(wǎng)絡管理和網(wǎng)絡控制。系統(tǒng)結構圖如圖2所示。

　　3.智能MCC系統(tǒng)配置

　　> 工作站、控制器和軟件配置

　　整個系統(tǒng)配置基本上選用目前市場上性價比較好的Siemens設備，控制器選用s7-400系列產(chǎn)品，總線協(xié)議采用PROFIBUS標準協(xié)議。

　　工作站選用工控機，完成對控制系統(tǒng)生產(chǎn)線操作、監(jiān)控、報表、編程等工作。軟件主要包括操作系統(tǒng)軟件和組態(tài)工具軟件，操作系統(tǒng)采用Windows 2000，組態(tài)工具軟件采用SIMATIC程序管理器，現(xiàn)場設備驅動軟件。

　　SIMATIC程序管理器采用了現(xiàn)代化的軟件體系結構，對項目進行管理、處理、歸檔和建立文件，在軟件開發(fā)方面，采用了面向對象的技術。在項目管理上，以系統(tǒng)硬件和工藝過程兩個不同的視角，同時進行管理。這兩個視角在程序管理器中分別稱為標準分級(Standard Hierarchy)和工藝分級( Plant Hierarchy)。其中，標準分級主要管理系統(tǒng)的硬件，如控制器、系統(tǒng)總線、I,O系統(tǒng)等;工藝分級主要管理工藝過程，它將整個工廠按工藝過程的要求，分為各礦子系統(tǒng)，然后將各子系統(tǒng)映射到控制器上。與傳統(tǒng)DCS系統(tǒng)相比，組態(tài)直接面向工藝過程。在SIMATIC程序管理器下，有多種組態(tài)工具可以使用，無論采用何種組態(tài)工具，生成的組態(tài)數(shù)據(jù)都自動存到一個同一的數(shù)據(jù)庫中。這些組態(tài)工具是：CFC(連續(xù)功能圖)、SFC(順序功能圖)、STEP7(SIMATIC S7系列PLC編程語言)、SCL(結構化的控制語言)和WinCC(SIMATIC視窗控制中心)等。

　　> 智能MCC控制柜配置

　　智能MCC控制柜選用Siemens公司推出的采用模塊化技術的SIVACON抽屜式控制柜，控制柜內配置具有通訊功能的3WL系列的進線斷路器、3UF5系列智能熱繼電器和帶通訊模塊的MM4系列的變頻器對系統(tǒng)進行控制。

　　特別值得一提的是智能MCC中3UF5系列智能熱繼電器在總線控制系統(tǒng)中的應用，對系統(tǒng)架構的簡化起著無以替代的作用。3UF5系列智能熱繼電器是一種基于微處理器的多功能固態(tài)繼電器，除了具有環(huán)境溫度補償保護功能外，還具有其他的先進功能，如報警診斷、變頻、電流測量、I/O性能和直接Profibus-DP網(wǎng)絡連接。另外，還具有附加的零序接地故障保護功能、正溫度系數(shù)PTC熱敏電阻輸入端子以及附加的I/O性能。3UF5系列智能熱繼電器實時采集運行電動機的相關參數(shù)，并作基本的數(shù)據(jù)分析進行狀態(tài)診斷，根據(jù)診斷結果作相應的處理以避免電動機在非正常情況下連續(xù)運行，保護電動機，同時，通過PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線實時上傳電動機運行的狀態(tài)信息，對運行電動機進行網(wǎng)絡管理和網(wǎng)絡控制，以保證電機運行在最優(yōu)化狀態(tài)。

　　對3UF5系列智能熱繼電器系統(tǒng)對參數(shù)進行初始化、實現(xiàn)網(wǎng)絡控制和網(wǎng)絡管理時，需要配置Win_SIMOCODE-DP/Professional軟件來驅動。

　　> 現(xiàn)場操作箱配置

　　按國家現(xiàn)行的有關設計規(guī)范，對電動機控制應至少設置現(xiàn)場機旁和遠程兩種控制模式，現(xiàn)場操作箱的設置實現(xiàn)設備現(xiàn)場控制?，F(xiàn)場操作箱面板設置按鈕、指示燈等執(zhí)行元件和狀態(tài)元件，操箱內配置SIEMENS公司生產(chǎn)的ET200L系列現(xiàn)場I/O，可駁接到PROFIBUS-DP總線上。如果點不夠用，可選擇可擴展的ET200L-SC現(xiàn)場I/O。

　　> 現(xiàn)場智能儀器儀表配置

　　根據(jù)整個系統(tǒng)的工藝要求，現(xiàn)場需要配置一定數(shù)量的儀器儀表和傳感器，這些現(xiàn)場設備有機械式或非智能型的，其狀態(tài)信號直接接入現(xiàn)場操作箱內的現(xiàn)場I/O，也有智能型的，掛按PROFIBUS-DP總線上傳輸和交換現(xiàn)場數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息。

　　> 網(wǎng)絡連接及電纜敷設

　　根據(jù)現(xiàn)場的工礦條件和現(xiàn)場設備布置情況，并遵循網(wǎng)絡通信電纜敷設路徑盡可能短的原則，設計系統(tǒng)最優(yōu)網(wǎng)絡拓撲結構圖，網(wǎng)絡連接按設計圖紙執(zhí)行。網(wǎng)絡介質材料主要包括通信電纜、分支器、終端等材料，可根據(jù)系統(tǒng)大小及通訊距離的長短選擇合適的相關產(chǎn)品。

　　五、系統(tǒng)投資比較

　　1.節(jié)約系統(tǒng)投資成本

　　智能MCC應用于現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)中，在系統(tǒng)搭建過程中，現(xiàn)場智能儀器儀表設備強大的自治功能，省略了相當數(shù)量的變送器和獨立的控制器及計算單元;傳輸信息的數(shù)字化，省略了模擬信號傳輸中信號調理、轉換、隔離技術等功能單元及其復雜接線;現(xiàn)場操作箱內設置現(xiàn)場遠程I/O省略了實現(xiàn)“現(xiàn)場，遠程”兩地控制的大量控制電纜;另外，可以用工控PC作為操作站。這樣，用戶節(jié)約了大筆工程前期投資成本。

　　2.節(jié)約工程成本

　　省略了大量控制電纜的同時，也大大減少了端子、槽盒、橋架等輔助材料的投入，減少了工量，加快了工程進度;系統(tǒng)的模型化和標準化，為系統(tǒng)設計、安裝和調試減少大量的重復性勞動將來對系統(tǒng)進行擴展或新增測控設備時，只要在原有的現(xiàn)場總線上就近掛載就可以了，省去了增設新電纜的麻煩。據(jù)有關典型試驗工程的測算資料，可節(jié)約安裝費用60 c以上。

　　3.節(jié)約維護成本

　　由于智能熱繼電器、變頻器、軟啟動器等現(xiàn)場級智能設備，具有自診斷與簡單故障處理的能力并通過現(xiàn)場總線將相關信息進行上傳，用戶可以查詢所有運行設備的診斷維護信息，實現(xiàn)數(shù)字似防性維護及定點維修，以便減少故障停機次數(shù)和故障停機時間;電纜數(shù)量大大減少，故障點也大大減少，既節(jié)約了系統(tǒng)的維護成本，又提高了系統(tǒng)設備利用率。

　　4.提高企業(yè)經(jīng)濟效益

　　由系統(tǒng)本身性能特點決定，系統(tǒng)投入成本降低了，而系統(tǒng)功能加強了，尤其是“定點維護，少故障停機時間”，使得企業(yè)生產(chǎn)效率提高，正負反差對比，大大提高了該系統(tǒng)的性價比，滿足了業(yè)追求“在有限的資源上實現(xiàn)利潤最大化”的目標。

　　六、結束語

　　現(xiàn)場總線技術以其先進性、實用性、可靠性、開放性、高性價比的優(yōu)點，必然成為未來自動化技術發(fā)展的主流，一些具有重大影響的網(wǎng)絡新技術必將進一步融合到現(xiàn)場總線技術之中，同時也為自動化系統(tǒng)集成商開發(fā)面向行業(yè)應用的成套技術和自動化系統(tǒng)提供了機會。智能MCC作為嫁接在現(xiàn)場總線上關鍵的驅動控制單元，對自動化產(chǎn)品制造商來說，自主開發(fā)具有現(xiàn)場通訊功能的智能元器件和集成化智能設備，將具有良好的市場前景;對于自動化系統(tǒng)集成商來說，充分利用這些智能設備和現(xiàn)場總線技術，針對各行業(yè)特點進行系統(tǒng)集成，開發(fā)自主控制系統(tǒng)，將會收獲良好的市場收盈。