现场总线控制系统

现场总线控制系统 电气导论概述现场总线是连接现场设备和控制系统之间的一种开放、全数字化、双向传输、多分支的通信网络。现场总线技术是新事物，但酝酿已有时日。它是电子、仪器仪表、控制技术、计算机技术和网络技术的发展成果，是工业自动化事业的进展需要，也是技术发展的必然。现场总线控制系统（FCS）是继分散控制系统（DCS）之后出现的新一代控制系统，它适应了工业控制系统向分散化、网络化、智能化发展的方向，给自动化系统的最终用户带来了更大的实惠和更多方便，因而促使目前生产的自动化仪表、DCS、可编程控制器（PLC）产品面临体系结构、功能等方面的重大变革。但是过程控制经过50多年的发展和积累，用户已经在传统的模拟仪表加DCS的体系结构上投入了巨大的资金，无论国内与国外，DCS仍是用于过程控制的主流设备，而且现场总线控制系统在功能上还不能完全取代已经发展得比较完善的DCS。所以，尽管现场总线技术有种种优点，但是现场总线控制系统不可能一蹴而就取代现有的DCS，DCS和FCS必将并存一段时期。这样的话，如何既充分利用当今先进的现场总线技术而又充分发挥DCS在生产控制中的作用,即将现场总线技术与DCS进行集成，就成为当前非常迫切的任务之一。然而将现场总线与DCS进行集成的方法有多种，侧重点也各有不同。本设计则着重解决在保留原有控制系统丰富的监测、控制、协调管理功能的基础上，如何实现上位机与现场仪表通信的问题。由于常规模拟仪表的局限性，DCS仅能从过程控制站得到现场仪表传送的被测参数值以及向它发出调节信号，而对现场仪表的工作状态则一无所知，这就大大地制约了DCS工作能力的进一步发挥，影响到综合自动化系统的完整性和可靠性。因此，解决与现场仪表通信的问题就成了控制技术发展必须解决的问题。一、现场总线的原理根据国际电工委员会IEC（InternationalEletrotechnicalCommission）标准的定义，现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。现场总线的原理本质表现在下面六个方面：1） 现场通信网络现场总线把通信线一直延伸到生产现场或生产设备是用于过程自动化和制造自动化的现场设备或现场仪表互联的现场通信网络，传统的DCS的通信网络截止于控制站或输入输出单元。现场仪表与控制室输入输出端口仍然是一对一的模拟信号传输，工业生产现场的环境十分恶劣，既有各种电磁场的干扰噪声，又有各种酸、碱、盐等腐蚀性有害物质，还有高温低温、高湿度和各种粉尘。现场总线能适应工业生产现场的恶劣环境，从而实现了全数字通信。2）现场设备互连现场设备或现场仪表是指传感器、变送器和执行器等。这些设备能通过一对传输线互连传输线可以是双绞线、同轴电缆、光缆和电源线等并可根据需要因地制宜的选择不同类型的传输介质。3） 互换性和互操作性现场设备或现场仪表种类繁多，没有仟何一家制造商可以提供一个工厂所需的全部现场设备。所以，互相连接不同制造商的产品是不可避免的用户不希望为所选用的产品不同而在硬件或软件上花很大力气。希望选用各制造商性能价格比最优的产品集成在一起，实现即接即用。用户希望对不同品牌的现场设备统一组态，构成所需要的控制回路。这些就是现场设备互换性和互操作性的含义。4）分散功能块FCS废止了DCS的输入/输出单元和控制站，把DCS控制站的功能分散的分配给现场仪表，从而构成虚拟控制站。例如流量变送器不仅具有流量信号变换、补偿输入模块，而且有PID控制和运算功能块；调节阀的基本功能是信号驱动和执行，还内含输出特性补偿模块；也可以有PID控制和运算模块；还可以有阀门特性自校验和自诊断功能。功能块分散在多台现场仪表中，并可统一组态，用户可以灵活选择各种功能模块，构成所需要的控制系统，实现彻底的分散控制。5）通信线供电通信线供电方式允许现场仪表直接从通信线上摄取能量，这种方式提供于本质安全环境的低功耗现场仪表，与其配套的还有安全栅众所周知，化工、炼油等企业的生产现场有可燃性物质，所用现场设备必须严格遵循安全防爆标准，现场总线也不能例外。6）开放式互连网络现场总线为开放互连网络，既可与同层网络互连，也可与不同层网络互连，不同制造商的网络互连十分简单。用户不必在硬件或软件上花多大力气开放式互连网络还体现在网络数据库共享，通过网络对现场设备和功能块的统一组态，天衣无缝的把不同制造商的网络及设备融为一体，构成统一的FCS。二、现场总线简介现场总线是八一十年代中期发展起来的一种先进的控制技术,它将当今的网络通信与管理观念融入控制领域。从本质上说,它是一种数字通信协议,是连接现场智能设备和自动化系统的数字式、全分布、双向传输、多分支结构的通信网络,是通信技术、仪表工业技术和计算机网络技术结合的产物。现场总线是当今自动化领域的热点之一,它的出现标志着工业控制技术又进入了一个新的时代。现场总线技术将专用的微处理器置入传统的测量控制仪表,使它们各自都具有了数字计算和数字通信能力,使得通信延伸到现场生产设备成为可能。并采用可进行简单连接的双绞线等作为总线,连接现场设备与远程监控计算机,形成适应现代需求的、可以相互沟通信息的、共同完成控制任务的网络系统和控制系统。它给自动控制带来的变化,正如互联网把众多分散的计算机用网络联在一起,使得计算机的功能、作用发生的变化。现场总线使现场设备与控制系统有了通信能力,把它们连接成了网络系统,因此现场总线被誉为自动控制领域的计算机局域网。由于目前主流控制系统DCS的现场测控设备和扮制室的输入输出设备采用一对一连线,通过电压、电流的模拟信号进行测控,难以实现设备之间以及系统和外界之问的信息交换,使自动化系统成为“信息孤岛”。要实现整个企业的信息集成,实施综合自动化,就需要设计一种能在工业现场运行的、性能可靠的、造价低廉的通信系统,形成工厂底层网络,完成现场设备之间的多点数字通信,实现现场底层设一备之间以及生产现场与外界之间的信息交换。现场总线就是在这种需求下孕育而生的。它作为过程自动化、制造自动化、楼宇、交通等领域的现场智能设备的互连通信网络,沟通了生产现场设备之间及其与更高层控制管理网络之间的联系,为彻底打一破自动化控制系统的信息孤岛创造了条件。现场总线控制系统既是开放的通信系统,又是全分布的控制系统。它以现场各个智能设备为节点,以总线为纽带连接成网络系统,并进一步构成自动化系统、实现基本控制、补

偿计算、参数修改、报警、显示、监控、优化以及管控一体化的综合自动化功能。这是一项以智能传感器、控制、计算机、数字通信、网络为主要内容的综合技术。三、以现场总线为基础的企业信息系统随着企业综合自动化系统的发展，要把企业经营决策、计划、调度过程优化故障诊断，现场控制紧密联系在一起，进行综合处理。按市场需求以尽可能低的资源，能源消耗，以最短的时间开发出产品，以供应市场，就必须将自动控制，办公自动化、经营管理、市场营销等各层次的计算机互连成网络，实现信息沟通与数据共享。下图1-1描述了以现场总线为基础的企业信息网络系统示意图，该系统从生产现场的底层开始，可分为现场控制层、过程监控层、生产管理层、市场经营层、通过各层的沟通与信息交换构成较为完整的企业信息网。过程监控层生产菅理层服务器现场控制层过程监控层生产菅理层服务器现场控制层图1-1中H1,H2,LonWorks等现场总线网段与工厂现场设备相连是工厂信息网络集成的底层因而现场总线被称为工厂底层网络。过程监控层现场控制层将来自现场的一线信息送往控制室，置入实时数据库，进行高等控制与优化计算、集中显示。通常可由以太网的等传输速度较快的网段组成各种现场控制层网段均可通过通信控制器或PC接口卡与过程监控层交换数据。生产管理层工厂生产调度、计划、营销、库存、财务、人事等构成了企业信息的管理层。它是工厂局域网的上层，一般由关系数据库收集整理这些来自各部门的各类信息并进行综合处理。通常由以太网TOP等局域网段组成。市场经营管理层本层将跨越工厂或企业局部地域，融合外界商业经营网点，原材料供应和部件生产基地的信息，企业局域网可通过多种途径与来自外界互联网的信息实现数据共享。四、现场总线技术在火电厂控制系统的应用与电站控制系统的发展趋势概述发电厂是一个大型、复杂、快速而又相当精密的控制对象。例如汽轮机如此庞大，其制造精度要求一点也不低于世界上最为精密的瑞士机械手表的精度要求。发电厂许多设备的响应速度都是以毫秒来计算的。正因为如此，电站运行控制对于新型控制系统及新技术有着强烈的渴望。早在20世纪50-60年代，发电厂的自动化程度是国民经济各行业最高的，它当时采用的新型仪表与最先进的闭环控制系统，是在其他行业里见不到的。70年代前后，数字计算机进入过程控制领域，出现了集中控制CCS进入80年代后PLC进入火电厂子控领域并开始在火电厂主、辅机和辅助系统的顺控系统中应用。80年代末至今，分散控制系统DCS以其先进的技术、丰富的控制功能、友好的人机界面等优势，逐步占领了火电厂机炉主控的自动化领域，使PLC退到电厂辅助系统和独立的自控领域中。在十多年的应用和发展过程中PLC和DCS都各自拥有自己的控制领域DCS系统在电站已得到广泛应用。目前DCS在电力工业生产中广泛应用但DCS系统分散式的体系结构，专利型的网络支撑和模拟式的现场信号尽管它克服了CCS系统结构复杂可靠性和实时性差等缺点但其存在专利通讯网络的封闭性和现场模拟信号传输的局限性，随着各种智能传感器，变送器和执行器的出现，数字化到现场，控制功能到现场，设备管理到现场的呼声日益增高。一种新兴的控制系统、现场总线控制系统FCS将出现在火电厂自动化领域，并产生深远的影响。但是，由于电站运行的特殊机理及在国民经济中的特殊地位，使得它在对待新型控制系统的采用上存在着复杂的矛盾状态。一方面是对新型控制系统的渴望，尤其是对于大容量，高参数的发电机组，没有热工自动化，调试时就到了无法运行的地步，但又因为其运行可靠性的特殊要求，使得发电厂在采用新型控制系统方面又显得十分的谨慎。有时甚至十分保守例如：发电厂的电气专业，这个十分古老而又带点恐惧的神秘色彩的专业，在电站所有专业中，对于新技术的保守程度数第一。例如在电气专业中有许多十几年都不变的固定操守模式与步骤，完全可以采用可编程逻辑控制器PLC的柔性编程来实施控制，而PLC在电站的其他辅机上也已应用了十多年，技术上是完全成熟的。但是，电气专业仍使用大量的继电器以硬接线来实现其控制功能。又如DCS系统它在电站运行的初期并不包含汽轮机控制系统。只是在运行数年后才逐步将其包括在内，直到今天DCS在电站内已运行了十多年技术上也已十分成熟，它还是没有能够将电站的电气专业的全部设备的监控任务承担起来，部分任务仍旧由电气专业的经典而又古老的技术去完成。所以在电站自动化控制领域中现场总线控制系统在电站自动化控制领域应用是必然的，同时也需要一个过渡过程阶段。目前在我国火电厂的应用还处于初始试用阶段。五、现场总线控制系统在国内电厂应用情况现场总线控制系统在我国的化工、石油、冶金等领域已有成功应用的例子，但在电力行业，现场总线控制系统在大型火电机组中的应用还几乎空白。统计资料显示，电力行业在现场总线方面的应用业绩不及化工行业的十分之一。因此，现场总线控制系统在电力行业中的推广应用刻不容缓现场总线控制系统的飞速发展已经向我们提出了新的挑战。我们必须以科学的、实事求是的、积极主动的、循序渐进的态度在心理上和技术上做好准备。今后现场总线控制系统在电厂应用要按以下四点：1由外到内现场总线控制系统的推广应用宜采用由外到内的策略，先从位于主厂房外的辅助车间开始。例如化学水处理车间、输煤车间、循环水泵房、汽水化验站等等。然后再逐步推广到主厂房内的主控系统。2由小到大在现场总线控制系统推广应用的初级阶段，应该先从小规模的系统(500个I/O点以下)做起，然后再逐步应用到超大规模的系统(2000个I/O点以上)。3由简到繁现场总线控制系统的实际应用可以采用由简到繁的步骤。例如从数据采集到自动控制从单回路控制到多回路控制、从简单控制到协调控制、从单目标控制到多目标控制等等。4由点到面任何一项新技术的应用都必须经历由点到面的发展历程，现场总线控制系统也不例外。我们应该有计划地安排一些现场总线控制系统的试点工程或示范工程，取得经验，适时推进在条件成熟时，大面积地推广应用现场总线技术。六、现场总线技术