Modbus协议在冶炼烟气全流程监控中的应用

罗 勇， 吴炫睿

(1.大冶有色金属有限责任公司， 湖北 黄石 435000； 2.东北大学 机械工程与自动化学院， 辽宁 沈阳 110819)

0 引言

随着网络化、智能化技术的不断发展，冶炼厂也在持续升级装备制造水平，冶炼工艺的主流锅炉从反射炉发展为诺兰达炉，后又出现了更为先进的奥斯麦特炉，产量效益增大的同时，节能减排技术水平也得到有效提升。冶炼生产过程中的二氧化硫烟气管控，直接影响企业的环保指标；而制酸工艺的稳定可控，又影响熔炼和吹炼工艺的生产过程。近年来，冶炼厂的改造升级稳步进行，工艺水平逐步提升，但各个主工艺流程之间的监控稍显分散，如转炉烟气输送给硫酸系统，工况变化频繁时，采用人工联系操作调整，过程控制效率较低，导致工艺控制不及时，不仅调节精度不高，容易影响吹炼和烟气制酸的产量和质量，还有可能导致环保异常事件发生，迫切需要利用自动化技术，采集冶炼烟气全流程关键数据，集中监控并协调指导工艺生产。

1 烟气全流程监控的数据选取

1.1 监控数据

根据冶炼烟气全流程监控的工艺要求，具有监控价值的数据包括奥炉加料量和风氧量、奥炉烟气出口温度和压力、高温风机进出口压力、转炉炉体状态和风氧量、硫酸转化和净化进出口压力、环集进出口烟气压力和脱硫塔液位、尾气浓度等。

1.2 目前数据状态

上述各类数据，其中现场检测信号分别接入不同的DCS或PLC系统。就目前状态而言，基本互无关联。如奥炉加料量和风氧量，只能在熔炼DCS系统上显示；环集进出口烟气压力，只能在环集DCS上显示；转炉炉体状态，只能在转炉各操作电脑上显示，数据和信息未能实时共享。

1.3 数据监控盲区

从整个生产流程和烟气管网连接来看，转炉烟道、精炼炉烟道属于监控盲区，烟气压力状况不明，不利于全工艺流程的状态受控，需要新增部分压力检测点。

1.4 全流程数据信息化集成

通过分析熔炼、转炉、硫酸、环集各区域的控制系统结构和特点，各控制系统均具备与外部其他系统进行通讯的功能。Modbus是一种简单的“客户机/服务器”应用协议，定义了各类控制器能够识别和使用的消息结构，没有规定物理层，单根通讯线路上可实现多台设备的双向读写。基于技术、安全、成本、效益等方面的考虑，选择Modbus通讯协议，作为各子系统互联、新增点位数据采集的通讯方式，对冶炼烟气全流程数据进行信息化集成。

2 数据采集和集中监控的通讯应用

冶炼厂的熔炼和硫酸工艺设备均采用了横河CENTUM CS3000 DCS控制系统，并已实现组网(Vnet Control Bus)连接，DCS系统内部具备数据传输功能，可作为烟气全流程监控数据采集的主体部分，把系统外部各路数据接入，进行数据信息处理；而60万方和40万方环集均采用UW500a DCS控制系统，也已经组网(Snet)连接，该系统内部也具备数据传输功能；转炉炉选PLC系统已经采集了各台转炉的炉体状态信号。

CS3000系统中，分区域包含多对CPU，分别挂接了不同的远程节点，各远程节点中的Modbus通讯卡可分别进行组态，并可作为不同的Modbus主站，分别读取各连接从站的数据。因此，CS3000系统中可同时存在多个Modbus主站，数据共享的同时互不影响。系统中Modbus各网段通讯主/从站及地址规划如表1所示。

表1 Modbus通讯规划

3 数据采集和集中监控的框架结构

3.1 数据采集和集中监控的区域构建

根据冶炼厂生产工艺流程划分和实际地理位置，结合各控制系统的配置情况，可大致划分为四个区域：熔炼、转炉、硫酸、环集。烟气全流程监控系统各关键数据点，分别就近接入以上各区域控制系统，并将CS3000系统作为各Modbus网段通讯主站，主从应答方式采集各区域数据。熔炼和硫酸主控，通过CS3000系统自有网络读取和交换各相关数据，并在各自操作站上集中显示和监控；厂调度监控服务器，采用OPC方式读取CS3000系统各相关数据，以BS架构形式进行集中显示和监控。熔炼主控、硫酸主控、厂调度三处实现数据实时同步。

3.2 熔炼CS3000系统与环集UW500a系统通讯

因为CS3000和UW500a两套DCS系统默认无法作为Modbus通讯从站，如开放通讯端口则需向厂家订购相应授权软件，成本较高。鉴于这两套系统之间的通讯数据量不大，且对速度没有过高要求(通信时间间隔大于等于1 000 ms)，目前采用方案是在两套DCS系统之间，跨接泗博SS431串口协议转换模块，将Modbus网络连接划分为两个网段，转换模块的两个串口连接端口，分别组态设置为不同Modbus网段中的通讯从站，利用其内存映射功能(最大输入/输出<2 KBytes)，实现两个不同Modbus网段的连接和通讯。

3.3 监控盲区新增压力检测点的数据采集

图1 数据采集和集中监控框架示意图

对于转炉烟道、精炼炉烟道等监控盲区，根据需要新增安装了十四台压力变送器，采用硬接线方式，分别接入室内安装的研华ADAM4117数据采集卡，数据采集卡可以将压力变送器电流信号转换为数字量，并通过支持Modbus协议的RS- 485总线发送出去。将数据采集卡各通道参数组态好，设置对应Modbus从站地址，就近接入DCS控制系统。

数据采集和集中监控的框架结构设计，如图1所示。

3.4 线路连接的可靠性

为保证数据采集和通讯的可靠性，整个系统中只有新增的压力变送器，采用硬接线方式连接到数据采集卡，单点线路最长不超过100 m；各Modbus主站从与站之间，物理距离均较远，全部加装光电转换器，采用光纤通信，避免通讯干扰，同时也实现了系统各部分硬件的光电隔离保护。在接入前，全部利用测试软件(Modbus master/slave)进行了检查；两套DCS系统利用其自有通讯网络，对数据处理做相应的编程组态。

4 通讯数据处理和集中监控功能实现

4.1 通讯数据处理

系统内所有Modbus从站定义好地址；CS3000系统作为Modbus主站，对各远程节点上安装的Modbus通讯卡进行组态，包括通讯波特率、校验方式、端口号、功能码等等；对采集的各类数据进行分析和处理，包括数值转换、量程设置、变量连接等等。CS3000系统编程组态界面如图2所示。

图2 CS3000系统编程组态界面

4.2 熔炼和硫酸集中监控画面

参考冶炼厂生产流程，在CS3000系统中制作烟气全流程监控图，连接各变量，下装到熔炼和主控的操作站。DCS监控界面如图3所示。

图3 烟气管网压力监控DCS监控界面

4.3 厂调度集中监控功能的实现

熔炼CS3000系统中的0364#工程师站设置好相关参数并启动OPC服务；厂调度监控台电脑安装Kepware Server软件，通过网络连接到OPC服务器读取数据，并以网页形式进行显示，厂调度集中监控画面如图4所示。

图4 厂调度集中监控画面

5 系统完善与优化

集中监控系统调试和初步运行时，利用横河DCS系统强大的数据处理功能，有针对性地完善与优化，以期达到最佳效果。

(1)合理规划和调整横河CS3000系统中，各区域CPU的接入数据量，保证新增的Modbus通讯不会造成过高的系统负荷。系统运行后，CS3000系统中三处CPU负荷均在安全范围内。

(2)烟气全流程监控重要参数增加趋势记录，便于核查工艺生产过程，对比不同工况变化时各监控参数的变化，为高效生产提供数据支撑。

(3)在熔炼和硫酸主控操作站的监控画面上，提供报警信息显示功能，便于工艺异常时能及时发现并处理。并在系统总貌界面制作了相应的进入和返回按钮，便于画面操作。

6 结论

Modbus协议适用于中小规模的数据通讯，能可靠连接各类DCS系统和智能仪表设备，测试软件实用并且免费，系统组态调试和后期维护相对简单。本课题在对传统冶炼厂烟气监控工艺广泛调研的基础上，提出了利用Modbus协议对传统工艺流程进行改造，将所有跟烟气处理相关的DCS节点和智能仪器仪表联通起来，提高系统的网络通信能力，利用获取的数据实现对烟气全流程监控，实现相关节点闭环控制。本项目中，Modbus连接了多种不同型号的DCS系统、PLC、智能仪表设备，系统构成简单、附属设备较少、数据传输稳定、项目投资较低。Modbus协议在烟气全流程监控中应用，不仅为冶炼厂自动化和信息化建设，提供了实践数据和参考信息。还可以进一步探索自动控制水平的提升，如利用数据信息集成和DCS实现闭环自动控制，利用奥炉出口烟气压力值直接控制高温风机转速、直接调节硫酸系统烟气浓度等，进而提高流程控制质量和效益。