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類型分類：: 科普知識

數(shù)據(jù)分類：: 現(xiàn)場總線/網(wǎng)關(guān)

現(xiàn)場總線技術(shù)在電廠中的應(yīng)用[08/01]

發(fā)布日期：2022-04-18 點擊率：64

    按照國際電工委員會IEC／SC65C的定義，安裝在制造或過程區(qū)域的現(xiàn)場設(shè)備與控制室內(nèi)的自控裝置之間的數(shù)字式、串行和多點通信的數(shù)據(jù)總線稱為現(xiàn)場總線。以現(xiàn)場為基礎(chǔ)形成的網(wǎng)絡(luò)集成式全分布控制系統(tǒng)稱為現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）。由于它適應(yīng)了控制系統(tǒng)向分散化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化發(fā)展的方向，給自動化系統(tǒng)的最終用戶帶來了更大的實惠和方便。自其出現(xiàn)之日起就受到廣泛關(guān)注，迅速成為世界范圍內(nèi)控制技術(shù)的熱點，并促使目前生產(chǎn)的自動化儀表、PLC、DCS產(chǎn)品面臨體系結(jié)構(gòu)、功能等方面的重大改變，導(dǎo)致自動化產(chǎn)品又一次面臨更新?lián)Q代。自20世紀80年代中期提出現(xiàn)場總線概念以來，國外各大知名公司已相繼開發(fā)了數(shù)十種現(xiàn)場總線產(chǎn)品，如FF、Profibus、WorldFIP、ControlNet、InterBus、P-net、SwiftNet、CAN等，并成功地應(yīng)用在石油、汽車等不同的生產(chǎn)領(lǐng)域，取得了良好的經(jīng)濟效益，推動了控制技術(shù)的不斷發(fā)展。

       隨著國家電力體制改革的深入
，實行廠網(wǎng)分開、競價上網(wǎng)的政策，電廠為提高經(jīng)濟效益，增強競爭力，需要進行生產(chǎn)經(jīng)營的整體優(yōu)化，把生產(chǎn)過程、企業(yè)管理、市場營銷等各個環(huán)節(jié)組織為一個系統(tǒng)，從全局角度制定各功能層次的實施策略，實現(xiàn)一體化目標(biāo)下的綜合自動化。長期以來，困擾這一發(fā)展的主要問題是工業(yè)自動化“信息孤島”問題。現(xiàn)場總線的出現(xiàn)，徹底打破了這么多年來從未解決的格局，它為控制網(wǎng)絡(luò)與以傳輸信息和資源共享為主的信息網(wǎng)絡(luò)的連接提供了方便，為電廠構(gòu)建管控一體化的綜合自動化系統(tǒng)鋪平了道路。

1 基于現(xiàn)場總線的電廠綜合自動化系統(tǒng)構(gòu)成

       不同廠家的產(chǎn)品在系統(tǒng)構(gòu)成上各有不同之處。電廠熱工控制系統(tǒng)中所使用的儀表設(shè)備、連接方式和通信協(xié)議的不同，給系統(tǒng)的兼容性、可擴展性、穩(wěn)定性、維護等帶來了很大的困難。為了使現(xiàn)場總線具有開放性，便于用戶選擇不同的產(chǎn)品，我們按照國際電工委員會（IEC）制定的IEC61158國際標(biāo)準(zhǔn)，提出了基于現(xiàn)場總線的電廠綜合自動化系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)。
1.1 現(xiàn)場控制層

        現(xiàn)場控制層由現(xiàn)場設(shè)備和控制網(wǎng)絡(luò)段組成。H1層網(wǎng)絡(luò)是在FF現(xiàn)場總線的H1層基礎(chǔ)上定義的低速現(xiàn)場級網(wǎng)絡(luò)，低速總線H1支持點對點連接、總線型、菊花鏈型、樹型拓撲結(jié)構(gòu)，主要用于連接現(xiàn)場智能儀表，如壓力、溫度、液位、流量等變送器及其執(zhí)行機構(gòu)等。 H1采用IEC1158-2的數(shù)字式、位同步、曼徹斯特編碼傳輸數(shù)據(jù)協(xié)議，通信速率為31.25kbps（電壓式）。H1采用屏蔽電纜，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用線型或樹型，或者兩種組合型結(jié)構(gòu)。與H1相連的現(xiàn)場智能儀表需要24V直流電源時，可通過屏蔽電纜線提供，也可單獨提供。

1.2 監(jiān)控層

       監(jiān)控層由高速以太網(wǎng)（H2總線）以及連接在總線上的擔(dān)任監(jiān)控作務(wù)的工作站或顯示操作站組成。H2層網(wǎng)絡(luò)屬于現(xiàn)場總線的高速現(xiàn)場級網(wǎng)絡(luò)，主要用于連接現(xiàn)場智能設(shè)備（PLC、遠程I／O、電動門、變頻器等）、操作員站、工程師站等設(shè)備，完成監(jiān)控級的通信任務(wù)和比較復(fù)雜的控制策略。運行人員通過操作員站實現(xiàn)工藝過程參數(shù)、狀態(tài)的監(jiān)視，實現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備的控制。工程師站完成控制器、現(xiàn)場智能儀表／設(shè)備功能塊編制和參數(shù)設(shè)定及修改等。

1.3 企業(yè)管理層

       企業(yè)管理層由各種服務(wù)器和客戶機組成。其主要目的是在分布式網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下集成企業(yè)的各種信息，實現(xiàn)與Internet的連接，完成管理、決策和商務(wù)應(yīng)用的各種功能。首先要將監(jiān)控層實時數(shù)據(jù)庫中的信息轉(zhuǎn)入上層的關(guān)系數(shù)據(jù)庫中，這樣管理層用戶就能隨時查詢網(wǎng)絡(luò)運行狀態(tài)以及現(xiàn)場設(shè)備的工況，對生產(chǎn)過程進行實時的遠程監(jiān)控。賦予一定的權(quán)限后，還可以在線修改各種設(shè)備參數(shù)和運行參數(shù)，從而在企業(yè)網(wǎng)范圍內(nèi)實現(xiàn)底層測控信息的實時傳遞。

2 在電廠應(yīng)用中存在的問題

2.1 適應(yīng)控制技術(shù)發(fā)展的需要

       每當(dāng)采用一種新的控制技術(shù)，人們都要經(jīng)歷一個思想轉(zhuǎn)變過程。當(dāng)年在電廠采用DCS時，對其可靠性、安全性、適宜性也表示過懷疑，也是經(jīng)過相當(dāng)長時間的試點應(yīng)用才逐步消除了對DCS的不信任感。現(xiàn)在DCS已廣泛、成功地應(yīng)用在電廠控制領(lǐng)域中，并且還在不斷改進、提高以適應(yīng)不斷發(fā)展的需要。現(xiàn)場總線的控制理念與DCS有很大的區(qū)別，很多已經(jīng)習(xí)慣了采用看得見、摸得著的DCS控制器完成的PID等控制功能，現(xiàn)在改在現(xiàn)場智能儀表中完成，確實需要一個適應(yīng)過程。

       DCS已是一個非常成熟的技術(shù)，而現(xiàn)場總線還處在不斷地應(yīng)用、改進過程中，因此在現(xiàn)階段要全面地用現(xiàn)場總線代替DCS也是不客觀的。現(xiàn)場總線是對DCS控制功能的拓展、提高，是控制技術(shù)的發(fā)展方向，所以我們既不要盲目采用，也不要輕易拒絕，應(yīng)積極、主動地了解現(xiàn)場總線技術(shù)，在合適的工程中試點應(yīng)用，在實際運行中不斷總結(jié)經(jīng)驗，并逐步完善以推廣在電廠中的應(yīng)用。

2.2 標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的問題

       IEC61158國際標(biāo)準(zhǔn)不是唯一性的，而是8種現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)的集合，這主要是為了保護每個現(xiàn)場總線制造商的利益。由于現(xiàn)在應(yīng)用的現(xiàn)場總線產(chǎn)品基于不同的協(xié)議，所以其開放性并不能得到很
好的體現(xiàn)，標(biāo)準(zhǔn)的不統(tǒng)一會影響現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展和推廣應(yīng)用。為了未來的市場，各制造商在不斷地改進自己的產(chǎn)品，向國際標(biāo)準(zhǔn)靠攏，如西門子公司先開發(fā)了Profibus-DP現(xiàn)場總線（相對于H2層），用于連接PLC、變頻器等設(shè)備，為了市場的需要又開發(fā)了ProfiBus-PA現(xiàn)場總線（相對于H1層），主要與現(xiàn)場智能儀表相連。因此要想應(yīng)用好現(xiàn)場總線技術(shù)，就要認真研究國際標(biāo)準(zhǔn)及各制造商的標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 了解、研究每種現(xiàn)場總線的應(yīng)用特點

       每種現(xiàn)場總線都是為了完成某一特定的生產(chǎn)過程控制而開發(fā)的，即每種現(xiàn)場總線都有其專用的應(yīng)用領(lǐng)域，如FF適用于流程工業(yè)，Profibus適用于工廠自動化領(lǐng)域，CAN適用于汽車工業(yè)，LON適用于樓宇自動化領(lǐng)域等。到目前為止，還沒有哪家的產(chǎn)品可以適用所有的控制領(lǐng)域。所以為了在電廠用好現(xiàn)場總線技術(shù)，應(yīng)對不同的現(xiàn)場總線產(chǎn)品進行深入地了解、比較，研究其擅長應(yīng)用的領(lǐng)域、在電廠中應(yīng)用存在的問題和解決的辦法。

2.4 冗余方式的考慮

       為了提高DCS的可靠性，采取了操作站冗余、通信總線冗余、電源冗余、控制器冗余及I／O冗余等多種措施。當(dāng)采用現(xiàn)場總線時，其冗余性自然引起了廣泛的注意。對于現(xiàn)場總線的監(jiān)控級及H2層，操作站冗余、監(jiān)控級網(wǎng)絡(luò)冗余、H2層網(wǎng)絡(luò)冗余及連接在其上的設(shè)備（如控制器等）冗余、電源冗余是很容易做到的。

       對于H1層網(wǎng)絡(luò)，原DCS冗余控制器的所有功能都分散到各個現(xiàn)場智能儀表中，危險已經(jīng)完全分散，一個現(xiàn)場智能儀表的故障只影響到本身或相關(guān)的少量智能設(shè)備，其影響范圍遠低于DCS冗余控制器故障的涉及面，就地智能儀表的功能塊設(shè)計可保證故障時相關(guān)智能設(shè)備置于安全位，因此每個現(xiàn)場智能儀表是不需要CPU 冗余的。況且采用現(xiàn)場總線后取消了大量的控制電纜，現(xiàn)場總線的保護措施可以提高，降低了H1的故障率，所以H1層網(wǎng)絡(luò)不采用冗余方式是可以接受的。鑒于電廠對安全性的要求，在現(xiàn)階段對于重要的回路控制還是應(yīng)該采用安全的措施以提高安全性、可靠性，同時通過在電廠的逐步應(yīng)用和總結(jié)經(jīng)驗，找出適合電廠安全要求的冗余方案。

2.5 現(xiàn)場智能儀表的功能設(shè)計

       采用現(xiàn)場總線所面臨的一個較大工作是現(xiàn)場智能儀表的功能設(shè)計。采用DCS時，當(dāng)輸入／輸出信號制、I／O點數(shù)確定以后，DCS的選擇、功能設(shè)計就與現(xiàn)場儀表沒有多大關(guān)系了。當(dāng)采用現(xiàn)場總線時情況就不同了，原在DCS中完成的許多控制功能轉(zhuǎn)移到現(xiàn)場智能儀表中完成，因此現(xiàn)場總線的選型、功能的設(shè)計與現(xiàn)場智能儀表緊密地聯(lián)系在一起。在設(shè)計時，首先要確定一個統(tǒng)一的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)場總線及現(xiàn)場智能義表都要遵守此協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)；然后根據(jù)現(xiàn)場智能儀表的工藝分布情況、防爆等級要求、測量參數(shù)范圍及完成的功能等確定一個初步的現(xiàn)場總線結(jié)構(gòu)，計算采用 H1、H2網(wǎng)絡(luò)段的個數(shù)，確定每段所帶現(xiàn)場智能儀表和設(shè)備的數(shù)量及每段的通信速率；最后根據(jù)工藝運行要求定義每個現(xiàn)場智能儀表的控制功能，通過工程師站對整個控制系統(tǒng)進行功能塊組態(tài)設(shè)計。上述工作已打破原控制功能的設(shè)計界限，把控制室設(shè)備及現(xiàn)場智能儀表作為一個整體來考慮，合理的現(xiàn)場總線結(jié)構(gòu)和控制方案可能需要經(jīng)過多次的重復(fù)計算、比較才能確定。
3 現(xiàn)狀及發(fā)展前景
   經(jīng)被大家掌握且價格已經(jīng)很低，所以現(xiàn)在乃至今后的一段時間內(nèi)DCS還會存在下去，還將是電廠控制系統(tǒng)的首選方案。大部分DCS廠家已經(jīng)意識到現(xiàn)場總線將是電廠控制技術(shù)的發(fā)展方向，為此在改進、提高現(xiàn)有DCS功能、性能及可靠性的同時也在積極地開發(fā)現(xiàn)場總線接口技術(shù)及產(chǎn)品。很多用戶看到了現(xiàn)場總線的諸多優(yōu)點，也在做一些應(yīng)用嘗試。目前現(xiàn)場總線技術(shù)在電廠局部生產(chǎn)過程中已試點應(yīng)用，例如國內(nèi)電廠已有在電除塵的控制上采用現(xiàn)場總線的成功應(yīng)用，為今后大范圍應(yīng)用打下良好的基礎(chǔ)。綜合現(xiàn)狀，在未來的一段時間內(nèi)，控制系統(tǒng)將出現(xiàn)DCS與現(xiàn)場總線共存的局面。

        現(xiàn)場總線技術(shù)是一項發(fā)展很快的新技術(shù)。隨著現(xiàn)場總線技術(shù)的不斷完善，通信協(xié)議逐步統(tǒng)一規(guī)范，真正實現(xiàn)了開放性及互操作性，并通過在電廠應(yīng)用中取得充分的應(yīng)用經(jīng)驗，用戶對現(xiàn)場總線應(yīng)用技術(shù)掌握到一定的深度，對其優(yōu)越性建立足夠的信心，預(yù)計在不久的將來，現(xiàn)場總線的技術(shù)將會逐步在電廠自動控制系統(tǒng)中得到推廣應(yīng)用，這是自動化控制

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