歡  迎  關(guān)  注

 共  享  精  彩

點(diǎn)擊上方藍(lán)字關(guān)注本公眾號。

長期更新DEH、TSI、ETS、CCS、FSSS、DCS、PLC、繼電保護(hù)等電力核心技術(shù)。

加微信695573988，進(jìn)電力專業(yè)群。

加抖音DLGCX，電力領(lǐng)域短視頻第一號。

現(xiàn)場總線是連接現(xiàn)場設(shè)備和控制系統(tǒng)之間的一種開放、全數(shù)字化、雙向傳輸、多分支的通信網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)場總線技術(shù)是新事物，但醞釀已有時日。它是電子、儀器儀表、控制技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展成果，是工業(yè)自動化事業(yè)的進(jìn)展需要，也是技術(shù)發(fā)展的必然?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）是繼分散控制系統(tǒng)（DCS）之后出現(xiàn)的新一代控制系統(tǒng)，它適應(yīng)了工業(yè)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更多方便，因而促使目前生產(chǎn)的自動化儀表、DCS、可編程控制器（PLC）產(chǎn)品面臨體系結(jié)構(gòu)、功能等方面的重大變革。但是過程控制經(jīng)過 50 多年的發(fā)展和積累，用戶已經(jīng)在傳統(tǒng)的模擬儀表加 DCS的體系結(jié)構(gòu)上投入了巨大的資金, 無論國內(nèi)與國外，DCS 仍是用于過程控制的主流設(shè)備，而且現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)在功能上還不能完全取代已經(jīng)發(fā)展得比較完善的DCS。所以，盡管現(xiàn)場總線技術(shù)有種種優(yōu)點(diǎn)，但是現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)不可能一蹴而就取代現(xiàn)有的 DCS，DCS 和 FCS 必將并存一段時期 。這樣的話，如何既充分利用當(dāng)今先進(jìn)的現(xiàn)場總線技術(shù)而又充分發(fā)揮DCS在生產(chǎn)控制中的作用 ,即將現(xiàn)場總線技術(shù)與 DCS 進(jìn)行集成，就成為當(dāng)前非常迫切的任務(wù)之一。然而將現(xiàn)場總線與 DCS 進(jìn)行集成的方法有多種，側(cè)重點(diǎn)也各有不同。本設(shè)計則著重解決在保留原有控制系統(tǒng)豐富的監(jiān)測、控制、協(xié)調(diào)管理功能的基礎(chǔ)上，如何實現(xiàn)上位機(jī)與現(xiàn)場儀表通信的問題。由于常規(guī)模擬儀表的局限性，DCS 僅能從過程控制站得到現(xiàn)場儀表傳送的被測參數(shù)值以及向它發(fā)出調(diào)節(jié)信號，而對現(xiàn)場儀表的工作狀態(tài)則一無所知，這就大大地制約了 DCS 工作能力的進(jìn)一步發(fā)揮，影響到綜合自動化系統(tǒng)的完整性和可靠性。因此，解決與現(xiàn)場儀表通信的問題就成了控制技術(shù)發(fā)展必須解決的問題。

一、現(xiàn)場總線的原理

根據(jù)國際電工委員會 IEC (International Eletrotechnical Commission)標(biāo)準(zhǔn)的定義，現(xiàn)場總線是連接智能現(xiàn)場設(shè)備和自動化系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)場總線的原理本質(zhì)表現(xiàn)在下面六個方面：

1) 現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)

現(xiàn)場總線把通信線一直延伸到生產(chǎn)現(xiàn)場或生產(chǎn)設(shè)備 是用于過程自動化和制造自動化的現(xiàn)場設(shè)備或現(xiàn)場儀表互聯(lián)的現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)，傳統(tǒng)的 DCS的通信網(wǎng)絡(luò)截止于控制站或輸入輸出單元?，F(xiàn)場儀表與控制室輸入輸出端口仍然是一對一的模擬信號傳輸，工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的環(huán)境十分惡劣，既有各種電磁場的干擾噪聲，又有各種酸、堿、鹽等腐蝕性有害物質(zhì)，還有高溫低溫、高濕度和各種粉塵?，F(xiàn)場總線能適應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的惡劣環(huán)境，從而實現(xiàn)了全數(shù)字通信。

2)現(xiàn)場設(shè)備互連

現(xiàn)場設(shè)備或現(xiàn)場儀表是指傳感器、變送器和執(zhí)行器等。這些設(shè)備能通過一對傳輸線互連 傳輸線可以是雙絞線、同軸電纜、光纜和電源線等并可根據(jù)需要因地制宜的選擇不同類型的傳輸介質(zhì)。

3) 互換性和互操作性

現(xiàn)場設(shè)備或現(xiàn)場儀表種類繁多，沒有仟何一家制造商可以提供一個工廠所需的全部現(xiàn)場設(shè)備。所以，互相連接不同制造商的產(chǎn)品是不可避免的用戶不希望為所選用的產(chǎn)品不同而在硬件或軟件上花很大力氣。希望選用各制造商性能價格比最優(yōu)的產(chǎn)品集成在一起，實現(xiàn)即接即用。用戶希望對不同品牌的現(xiàn)場設(shè)備統(tǒng)一組態(tài)，構(gòu)成所需要的控制回路。這些就是現(xiàn)場設(shè)備互換性和互操作性的含義。

4)分散功能塊

FCS 廢止了 DCS 的輸入/輸出單元和控制站，把 DCS 控制站的功能分散的分配給現(xiàn)場儀表，從而構(gòu)成虛擬控制站。例如流量變送器不僅具有流量信號變換、補(bǔ)償輸入模塊，而且有PID 控制和運(yùn)算功能塊；調(diào)節(jié)閥的基本功能是信號驅(qū)動和執(zhí)行，還內(nèi)含輸出特性補(bǔ)償模塊；也可以有 PID 控制和運(yùn)算模塊；還可以有閥門特性自校驗和自診斷功能。功能塊分散在多臺現(xiàn)場儀表中，并可統(tǒng)一組態(tài)，用戶可以靈活選擇各種功能模塊，構(gòu)成所需要的控制系統(tǒng)，實現(xiàn)徹底的分散控制。

5)通信線供電

通信線供電方式允許現(xiàn)場儀表直接從通信線上攝取能量，這種方式提供于本質(zhì)安全環(huán)境的低功耗現(xiàn)場儀表，與其配套的還有安全柵眾所周知，化工、煉油等企業(yè)的生產(chǎn)現(xiàn)場有可燃性物質(zhì)，所用現(xiàn)場設(shè)備必須嚴(yán)格遵循安全防爆標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)場總線也不能例外。

6)開放式互連網(wǎng)絡(luò)

現(xiàn)場總線為開放互連網(wǎng)絡(luò)，既可與同層網(wǎng)絡(luò)互連，也可與不同層網(wǎng)絡(luò)互連，不同制造商的網(wǎng)絡(luò)互連十分簡單。用戶不必在硬件或軟件上花多大力氣開放式互連網(wǎng)絡(luò)還體現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫共享，通過網(wǎng)絡(luò)對現(xiàn)場設(shè)備和功能塊的統(tǒng)一組態(tài)，天衣無縫的把不同制造商的網(wǎng)絡(luò)及設(shè)備融為一體，構(gòu)成統(tǒng)一的 FCS。

二、現(xiàn)場總線簡介

現(xiàn)場總線是八一十年代中期發(fā)展起來的一種先進(jìn)的控制技術(shù),它將當(dāng)今的網(wǎng)絡(luò)通信與管理觀念融入控制領(lǐng)域。從本質(zhì)上說,它是一種數(shù)字通信協(xié)議,是連接現(xiàn)場智能設(shè)備和自動化系統(tǒng)的數(shù)字式、全分布、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò),是通信技術(shù)、儀表工業(yè)技術(shù)和計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物?，F(xiàn)場總線是當(dāng)今自動化領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一,它的出現(xiàn)標(biāo)志著工業(yè)控制技術(shù)又進(jìn)入了一個新的時代。現(xiàn)場總線技術(shù)將專用的微處理器置入傳統(tǒng)的測量控制儀表,使它們各自都具有了數(shù)字計算和數(shù)字通信能力,使得通信延伸到現(xiàn)場生產(chǎn)設(shè)備成為可能。并采用可進(jìn)行簡單連接的雙絞線等作為總線,連接現(xiàn)場設(shè)備與遠(yuǎn)程監(jiān)控計算機(jī),形成適應(yīng)現(xiàn)代需求的、可以相互溝通信息的、共同完成控制任務(wù)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。它給自動控制帶來的變化,正如互聯(lián)網(wǎng)把眾多分散的計算機(jī)用網(wǎng)絡(luò)聯(lián)在一起,使得計算機(jī)的功能、作用發(fā)生的變化?，F(xiàn)場總線使現(xiàn)場設(shè)備與控制系統(tǒng)有了通信能力,把它們連接成了網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),因此現(xiàn)場總線被譽(yù)為自動控制領(lǐng)域的計算機(jī)局域網(wǎng)。

由于目前主流控制系統(tǒng)DCS的現(xiàn)場測控設(shè)備和扮制室的輸入輸出設(shè)備采用一對一連線,通過電壓、電流的模擬信號進(jìn)行測控,難以實現(xiàn)設(shè)備之間以及系統(tǒng)和外界之問的信息交換,使自動化系統(tǒng)成為“信息孤島”。要實現(xiàn)整個企業(yè)的信息集成,實施綜合自動化,就需要設(shè)計一種能在工業(yè)現(xiàn)場運(yùn)行的、性能可靠的、造價低廉的通信系統(tǒng),形成工廠底層網(wǎng)絡(luò),完成現(xiàn)場設(shè)備之間的多點(diǎn)數(shù)字通信,實現(xiàn)現(xiàn)場底層設(shè)一備之間以及生產(chǎn)現(xiàn)場與外界之間的信息交換?，F(xiàn)場總線就是在這種需求下孕育而生的。它作為過程自動化、制造自動化、樓宇、交通等領(lǐng)域的現(xiàn)場智能設(shè)備的互連通信網(wǎng)絡(luò),溝通了生產(chǎn)現(xiàn)場設(shè)備之間及其與更高層控制管理網(wǎng)絡(luò)之間的聯(lián)系,為徹底打一破自動化控制系統(tǒng)的信息孤島創(chuàng)造了條件?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)既是開放的通信系統(tǒng),又是全分布的控制系統(tǒng)。它以現(xiàn)場各個智能設(shè)備為節(jié)點(diǎn),以總線為紐帶連接成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),并進(jìn)一步構(gòu)成自動化系統(tǒng)、實現(xiàn)基本控制、補(bǔ)償計算、參數(shù)修改、報警、顯示、監(jiān)控、優(yōu)化以及管控一體化的綜合自動化功能。這是一項以智能傳感器、控制、計算機(jī)、數(shù)字通信、網(wǎng)絡(luò)為主要內(nèi)容的綜合技術(shù)。

三、以現(xiàn)場總線為基礎(chǔ)的企業(yè)信息系統(tǒng)

隨著企業(yè)綜合自動化系統(tǒng)的發(fā)展，要把企業(yè)經(jīng)營決策、計劃、調(diào)度過程優(yōu)化 故障診斷，現(xiàn)場控制緊密聯(lián)系在一起，進(jìn)行綜合處理。按市場需求以盡可能低的資源，能源消耗，以最短的時間開發(fā)出產(chǎn)品，以供應(yīng)市場，就必須將自動控制，辦公自動化、經(jīng)營管理、市場營銷等各層次的計算機(jī)互連成網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)信息溝通與數(shù)據(jù)共享。下圖 1-1 描述了以現(xiàn)場總線為基礎(chǔ)的企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)示意圖，該系統(tǒng)從生產(chǎn)現(xiàn)場的底層開始，可分為現(xiàn)場控制層、過程監(jiān)控層、生產(chǎn)管理層、市場經(jīng)營層、通過各層的溝通與信息交換構(gòu)成較為完整的企業(yè)信息網(wǎng)。

1 現(xiàn)場控制層

圖 1-1 中 H 1 , H2, Lon Works 等現(xiàn)場總線網(wǎng)段與工廠現(xiàn)場設(shè)備相連是工廠信息網(wǎng)絡(luò)集成的底層 因而現(xiàn)場總線被稱為工廠底層網(wǎng)絡(luò)。

2 過程監(jiān)控層

現(xiàn)場控制層將來自現(xiàn)場的一線信息送往控制室，置入實時數(shù)據(jù)庫，進(jìn)行高等控制與優(yōu)化計算、集中顯示。通?？捎梢蕴W(wǎng)的等傳輸速度較快的網(wǎng)段組成各種現(xiàn)場控制層網(wǎng)段均可通過通信控制器或 PC 接口卡與過程監(jiān)控層交換數(shù)據(jù)。

3 生產(chǎn)管理層

工廠生產(chǎn)調(diào)度、計劃、營銷、庫存、財務(wù)、人事等構(gòu)成了企業(yè)信息的管理層。它是工廠局域網(wǎng)的上層，一般由關(guān)系數(shù)據(jù)庫收集整理這些來自各部門的各類信息并進(jìn)行綜合處理。通常由以太網(wǎng) TOP 等局域網(wǎng)段組成。

4 市場經(jīng)營管理層

本層將跨越工廠或企業(yè)局部地域，融合外界商業(yè)經(jīng)營網(wǎng)點(diǎn)，原材料供應(yīng)和部件生產(chǎn)基地的信息，企業(yè)局域網(wǎng)可通過多種途徑與來自外界互聯(lián)網(wǎng)的信息實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。

四、現(xiàn)場總線技術(shù)在火電廠控制系統(tǒng)的應(yīng)用與電站控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢概述

發(fā)電廠是一個大型、復(fù)雜、快速而又相當(dāng)精密的控制對象。例如汽輪機(jī)如此龐大，其制造精度要求一點(diǎn)也不低于世界上最為精密的瑞士機(jī)械手表的精度要求。發(fā)電廠許多設(shè)備的響應(yīng)速度都是以毫秒來計算的。正因為如此，電站運(yùn)行控制對于新型控制系統(tǒng)及新技術(shù)有著強(qiáng)烈的渴望。

早在 20 世紀(jì) 50-60 年代，發(fā)電廠的自動化程度是國民經(jīng)濟(jì)各行業(yè)最高的，它當(dāng)時采用的新型儀表與最先進(jìn)的閉環(huán)控制系統(tǒng)，是在其他行業(yè)里見不到的。70 年代前后，數(shù)字計算機(jī)進(jìn)入過程控制領(lǐng)域，出現(xiàn)了集中控制CCS 進(jìn)入 80 年代后 PLC 進(jìn)入火電廠子控領(lǐng)域 并開始在火電廠主、輔機(jī)和輔助系統(tǒng)的順控系統(tǒng)中應(yīng)用。80 年代末至今，分散控制系統(tǒng) DCS 以其先進(jìn)的技術(shù)、豐富的控制功能、友好的人機(jī)界面等優(yōu)勢，逐步占領(lǐng)了火電廠機(jī) 爐主控的自動化領(lǐng)域，使 PLC 退到電廠輔助系統(tǒng)和獨(dú)立的自控領(lǐng)域中。在十多年的應(yīng)用和發(fā)展過程中 PLC 和 DCS 都各自擁有自己的控制領(lǐng)域 DCS系統(tǒng)在電站已得到廣泛應(yīng)用。

目前 DCS 在電力工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用 但 DCS 系統(tǒng)分散式的體系結(jié)構(gòu)，專利型的網(wǎng)絡(luò)支撐和模擬式的現(xiàn)場信號 盡管它克服了 CCS 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜 可靠性和實時性差等缺點(diǎn) 但其存在專利通訊網(wǎng)絡(luò)的封閉性和現(xiàn)場模擬信號傳輸?shù)木窒扌裕S著各種智能傳感器，變送器和執(zhí)行器的出現(xiàn)，數(shù)字化到現(xiàn)場，控制功能到現(xiàn)場，設(shè)備管理到現(xiàn)場的呼聲日益增高。一種新興的控制系統(tǒng)、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng) FCS 將出現(xiàn)在火電廠自動化領(lǐng)域，并產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。但是，由于電站運(yùn)行的特殊機(jī)理及在國民經(jīng)濟(jì)中的特殊地位，使得它在對待新型控制系統(tǒng)的采用上存在著復(fù)雜的矛盾狀態(tài)。一方面是對新型控制系統(tǒng)的渴望，尤其是對于大容量，高參數(shù)的發(fā)電機(jī)組，沒有熱工自動化，調(diào)試時就到了無法運(yùn)行的地步，但又因為其運(yùn)行可靠性的特殊要求，使得發(fā)電廠在采用新型控制系統(tǒng)方面又顯得十分的謹(jǐn)慎。有時甚至十分保守 例如：發(fā)電廠的電氣專業(yè)，這個十分古老而又帶點(diǎn)恐懼的神秘色彩的專業(yè)，在電站所有專業(yè)中，對于新技術(shù)的保守程度數(shù)第一。例如在電氣專業(yè)中有許多十幾年都不變的固定操守模式與步驟，完全可以采用可編程邏輯控制器 PLC 的柔性編程來實施控制，而 PLC 在電站的其他輔機(jī)上也已應(yīng)用了十多年，技術(shù)上是完全成熟的。但是，電氣專業(yè)仍使用大量的繼電器以硬接線來實現(xiàn)其控制功能。又如 DCS 系統(tǒng) 它在電站運(yùn)行的初期 并不包含汽輪機(jī)控制系統(tǒng)。只是在運(yùn)行數(shù)年后才逐步將其包括在內(nèi)，直到今天 DCS 在電站內(nèi)已運(yùn)行了十多年 技術(shù)上也已十分成熟，它還是沒有能夠?qū)㈦娬镜碾姎鈱I(yè)的全部設(shè)備的監(jiān)控任務(wù)承擔(dān)起來， 部分任務(wù)仍舊由電氣專業(yè)的經(jīng)典而又古老的技術(shù)去完成。所以在電站自動化控制領(lǐng)域中 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)在電站自動化控制領(lǐng)域應(yīng)用是必然的，同時也需要一個過渡過程階段。目前在我國火電廠的應(yīng)用還處于初始試用階段。

五、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)在國內(nèi)電廠應(yīng)用情況

現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)在我國的化工、石油、冶金等領(lǐng)域已有成功應(yīng)用的例子，但在電力行業(yè)，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)在大型火電機(jī)組中的應(yīng)用還幾乎空白。統(tǒng)計資料顯示，電力行業(yè)在現(xiàn)場總線方面的應(yīng)用業(yè)績不及化工行業(yè)的十分之一。因此，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)在電力行業(yè)中的推廣應(yīng)用刻不容緩 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的飛速發(fā)展已經(jīng)向我們提出了新的挑戰(zhàn)。我們必須以科學(xué)的、實事求是的、積極主動的、循序漸進(jìn)的態(tài)度在心理上和技術(shù)上做好準(zhǔn)備。今后現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)在電廠應(yīng)用要按以下四點(diǎn)：

1 由外到內(nèi)

現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的推廣應(yīng)用宜采用由外到內(nèi)的策略，先從位于主廠房外的輔助車間開始。例如化學(xué)水處理車間、輸煤車間、循環(huán)水泵房、汽水化驗站等等。然后再逐步推廣到主廠房內(nèi)的主控系統(tǒng)。

2 由小到大

在現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)推廣應(yīng)用的初級階段，應(yīng)該先從小規(guī)模的系統(tǒng)(500 個 I/O 點(diǎn)以下 )做起，然后再逐步應(yīng)用到超大規(guī)模的系統(tǒng) (2000個 I/O 點(diǎn)以上)。

3 由簡到繁

現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的實際應(yīng)用可以采用由簡到繁的步驟。例如從數(shù)據(jù)采集到自動控制 從單回路控制到多回路控制、從簡單控制到協(xié)調(diào)控制、從單目標(biāo)控制到多目標(biāo)控制等等。

4 由點(diǎn)到面

任何一項新技術(shù)的應(yīng)用都必須經(jīng)歷由點(diǎn)到面的發(fā)展歷程，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)也不例外。我們應(yīng)該有計劃地安排一些現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的試點(diǎn)工程或示范工程，取得經(jīng)驗，適時推進(jìn)在條件成熟時，大面積地推廣應(yīng)用現(xiàn)場總線技術(shù)。

六、現(xiàn)場總線技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)采用數(shù)字儀表代替?zhèn)鹘y(tǒng)的模擬儀表，實現(xiàn)現(xiàn)場儀表的互操作性和信息互用，另一方面把集散系統(tǒng)變成現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，在現(xiàn)場建立開放的通信網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)全數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)，因而使現(xiàn)場總線具有以下特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)：

1)    全分布式結(jié)構(gòu)，危險分散

2)    全數(shù)字化，可靠性和精度高

3)    用戶有高度的系統(tǒng)集成主動權(quán)且組態(tài)方便

4)    現(xiàn)場設(shè)備的智能化和功能自治

5)    對現(xiàn)場環(huán)境的適應(yīng)性

6)    節(jié)省投資和安裝費(fèi)用