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現場總線技術在電廠中的應用

供稿:工控網 2007/8/30 11:38:00

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按照國際電工委員會IEC/SC65C的定義,安裝在制造或過程區域的現場設備與控制室內的自控裝置之間的數字式、串行和多點通信的數據總線稱為現場總線。以現場為基礎形成的網絡集成式全分布控制系統稱為現場總線控制系統(FCS)。由于它適應了控制系統向分散化、網絡化、智能化發展的方向,給自動化系統的最終用戶帶來了更大的實惠和方便。自其出現之日起就受到廣泛關注,迅速成為世界范圍內控制技術的熱點,并促使目前生產的自動化儀表、PLCDCS產品面臨體系結構、功能等方面的重大改變,導致自動化產品又一次面臨更新換代。自20世紀80年代中期提出現場總線概念以來,國外各大知名公司已相繼開發了數十種現場總線產品,如FF、Profibus、WorldFIP、ControlNet、InterBus、P-net、SwiftNet、CAN等,并成功地應用在石油、汽車等不同的生產領域,取得了良好的經濟效益,推動了控制技術的不斷發展。隨著國家電力體制改革的深入,實行廠網分開、競價上網的政策,電廠為提高經濟效益,增強競爭力,需要進行生產經營的整體優化,把生產過程、企業管理、市場營銷等各個環節組織為一個系統,從全局角度制定各功能層次的實施策略,實現一體化目標下的綜合自動化。長期以來,困擾這一發展的主要問題是工業自動化“信息孤島”問題。現場總線的出現,徹底打破了這么多年來從未解決的格局,它為控制網絡與以傳輸信息和資源共享為主的信息網絡的連接提供了方便,為電廠構建管控一體化的綜合自動化系統鋪平了道路。1 基于現場總線的電廠綜合自動化系統構成不同廠家的產品在系統構成上各有不同之處。電廠熱工控制系統中所使用的儀表設備、連接方式和通信協議的不同,給系統的兼容性、可擴展性、穩定性、維護等帶來了很大的困難。為了使現場總線具有開放性,便于用戶選擇不同的產品,我們按照國際電工委員會(IEC)制定的IEC61158國際標準,提出了基于現場總線的電廠綜合自動化系統體系結構,如圖1所示。


圖1 基于現場總線的電廠綜合自動化系統體系結構從圖1可以看出,此系統體系結構分為3層,從低到高分別為現場控制層、監控層和企業管理層。1.1 現場控制層現場控制層由現場設備和控制網絡段組成。H1層網絡是在FF現場總線的H1層基礎上定義的低速現場級網絡,低速總線H1支持點對點連接、總線型、菊花鏈型、樹型拓撲結構,主要用于連接現場智能儀表,如壓力、溫度、液位、流量等變送器及其執行機構等。 H1采用IEC1158-2的數字式、位同步、曼徹斯特編碼傳輸數據協議,通信速率為31.25kbps(電壓式)。H1采用屏蔽電纜,網絡結構采用線型或樹型,或者兩種組合型結構。與H1相連的現場智能儀表需要24V直流電源時,可通過屏蔽電纜線提供,也可單獨提供。1.2 監控層監控層由高速以太網(H2總線)以及連接在總線上的擔任監控作務的工作站或顯示操作站組成。H2層網絡屬于現場總線的高速現場級網絡,主要用于連接現場智能設備(PLC、遠程I/O、電動門、變頻器等)、操作員站、工程師站等設備,完成監控級的通信任務和比較復雜的控制策略。運行人員通過操作員站實現工藝過程參數、狀態的監視,實現對現場設備的控制。工程師站完成控制器、現場智能儀表/設備功能塊編制和參數設定及修改等。1.3 企業管理層企業管理層由各種服務器和客戶機組成。其主要目的是在分布式網絡環境下集成企業的各種信息,實現與Internet的連接,完成管理、決策和商務應用的各種功能。首先要將監控層實時數據庫中的信息轉入上層的關系數據庫中,這樣管理層用戶就能隨時查詢網絡運行狀態以及現場設備的工況,對生產過程進行實時的遠程監控。賦予一定的權限后,還可以在線修改各種設備參數和運行參數,從而在企業網范圍內實現底層測控信息的實時傳遞。2 在電廠應用中存在的問題2.1 適應控制技術發展的需要每當采用一種新的控制技術,人們都要經歷一個思想轉變過程。當年在電廠采用DCS時,對其可靠性、安全性、適宜性也表示過懷疑,也是經過相當長時間的試點應用才逐步消除了對DCS的不信任感。現在DCS已廣泛、成功地應用在電廠控制領域中,并且還在不斷改進、提高以適應不斷發展的需要。現場總線的控制理念與DCS有很大的區別,很多已經習慣了采用看得見、摸得著的DCS控制器完成的 PID等控制功能,現在改在現場智能儀表中完成,確實需要一個適應過程。DCS已是一個非常成熟的技術,而現場總線還處在不斷地應用、改進過程中,因此在現階段要全面地用現場總線代替DCS也是不客觀的。現場總線是對DCS控制功能的拓展、提高,是控制技術的發展方向,所以我們既不要盲目采用,也不要輕易拒絕,應積極、主動地了解現場總線技術,在合適的工程中試點應用,在實際運行中不斷總結經驗,并逐步完善以推廣在電廠中的應用。2.2 標準統一的問題IEC61158國際標準不是唯一性的,而是8種現場總線標準的集合,這主要是為了保護每個現場總線制造商的利益。由于現在應用的現場總線產品基于不同的協議,所以其開放性并不能得到很好的體現,標準的不統一會影響現場總線技術的發展和推廣應用。為了未來的市場,各制造商在不斷地改進自己的產品,向國際標準靠攏,如西門子公司先開發了Profibus-DP現場總線(相對于H2層),用于連接PLC、變頻器等設備,為了市場的需要又開發了ProfiBus-PA現場總線(相對于H1層),主要與現場智能儀表相連。因此要想應用好現場總線技術,就要認真研究國際標準及各制造商的標準。2.3 了解、研究每種現場總線的應用特點每種現場總線都是為了完成某一特定的生產過程控制而開發的,即每種現場總線都有其專用的應用領域,如FF適用于流程工業,Profibus適用于工廠自動化領域,CAN適用于汽車工業,LON適用于樓宇自動化領域等。到目前為止,還沒有哪家的產品可以適用所有的控制領域。所以為了在電廠用好現場總線技術,應對不同的現場總線產品進行深入地了解、比較,研究其擅長應用的領域、在電廠中應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。當采用現場總線時,其冗余性自然引起了廣泛的注意。對于現場總線的監控級及H2層,操作站冗余、監控級網絡冗余、H2層網絡冗余及連接在其上的設備(如控制器等)冗余、電源冗余是很容易做到的。對于H1層網絡,原DCS冗余控制器的所有功能都分散到各個現場智能儀表中,危險已經完全分散,一個現場智能儀表的故障只影響到本身或相關的少量智能設備,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計可保證故障時相關智能設備置于安全位,因此每個現場智能儀表是不需要CPU 冗余的。況且采用現場總線后取消了大量的控制電纜,現場總線的保護措施可以提高,降低了H1的故障率,所以H1層網絡不采用冗余方式是可以接受的。鑒于電廠對安全性的要求,在現階段對于重要的回路控制還是應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用和總結經驗,找出適合電廠安全要求的冗余方案。2.5 現場智能儀表的功能設計采用現場總線所面臨的一個較大工作是現場智能儀表的功能設計。采用DCS時,當輸入/輸出信號制、I/O點數確定以后,DCS的選擇、功能設計就與現場儀表沒有多大關系了。當采用現場總線時情況就不同了,原在DCS中完成的許多控制功能轉移到現場智能儀表中完成,因此現場總線的選型、功能的設計與現場智能儀表緊密地聯系在一起。在設計時,首先要確定一個統一的協議標準,現場總線及現場智能義表都要遵守此協議標準;然后根據現場智能儀表的工藝分布情況、防爆等級要求、測量參數范圍及完成的功能等確定一個初步的現場總線結構,計算采用 H1、H2網絡段的個數,確定每段所帶現場智能儀表和設備的數量及每段的通信速率;最后根據工藝運行要求定義每個現場智能儀表的控制功能,通過工程師站對整個控制系統進行功能塊組態設計。上述工作已打破原控制功能的設計界限,把控制室設備及現場智能儀表作為一個整體來考慮,合理的現場總線結構和控制方案可能需要經過多次的重復計算、比較才能確定。3 現狀及發展前景DCS技術已經被大家掌握且價格已經很低,所以現在乃至今后的一段時間內DCS還會存在下去,還將是電廠控制系統的首選方案。大部分DCS廠家已經意識到現場總線將是電廠控制技術的發展方向,為此在改進、提高現有DCS功能、性能及可靠性的同時也在積極地開發現場總線接口技術及產品。很多用戶看到了現場總線的諸多優點,也在做一些應用嘗試。目前現場總線技術在電廠局部生產過程中已試點應用,例如國內電廠已有在電除塵的控制上采用現場總線的成功應用,為今后大范圍應用打下良好的基礎。綜合現狀,在未來的一段時間內,控制系統將出現DCS與現場總線共存的局面。現場總線技術是一項發展很快的新技術。隨著現場總線技術的不斷完善,通信協議逐步統一規范,真正實現了開放性及互操作性,并通過在電廠應用中取得充分的應用經驗,用戶對現場總線應用技術掌握到一定的深度,對其優越性建立足夠的信心,預計在不久的將來,現場總線的技術將會逐步在電廠自動控制系統中得到推廣應用,這是自動化控制技術發展的方向。參考文獻1 陽憲惠.現場總線技術及其應用[M].清華大學出版社,1999
2 王鑫鑫.現場總線控制技術在電廠中的應用研究[J].電站系統工程,2001(7)
3 鄔寬明.CAN總線原理和應用系統設計[M].北京航空航天大學出版社,1996

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