现场总线技术在电厂中的应用

: bestking

2007-09-15

0 引言
按照国际电工委员会IEC／SC65C的定义，安装在制造或过程区域的现场设备与控制室内的自控装置之间的数字式、串行和多点通信的数据总线称为现场总线。以现场为基础形成的网络集成式全分布控制系统称为现场总线控制系统（FCS）。由于它适应了控制系统向分散化、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方便。自其出现之日起就受到广泛关注，迅速成为世界范围内控制技术的热点，并促使目前生产的自动化仪表、PLC、DCS产品面临体系结构、功能等方面的重大改变，导致自动化产品又一次面临更新换代。自20世纪80年代中期提出现场总线概念以来，国外各大知名公司已相继开发了数十种现场总线产品，如FF、Profibus、WorldFIP、ControlNet、InterBus、P-net、SwiftNet、CAN等，并成功地应用在石油、汽车等不同的生产领域，取得了良好的经济效益，推动了控制技术的不断发展。
随着国家电力体制改革的深入，实行厂网分开、竞价上网的政策，电厂为提高经济效益，增强竞争力，需要进行生产经营的整体优化，把生产过程、企业管理、市场营销等各个环节组织为一个系统，从全局角度制定各功能层次的实施策略，实现一体化目标下的综合自动化。长期以来，困扰这一发展的主要问题是工业
自动化“信息孤岛”问题。现场总线的出现，彻底打破了这么多年来从未解决的格局，它为控制网络与以传输信息和资源共享为主的信息网络的连接提供了方便，为电厂构建管控一体化的综合自动化系统铺平了道路。
1 基于现场总线的电厂综合自动化系统构成
不同厂家的产品在系统构成上各有不同之处。电厂热工控制系统中所使用的仪表设备、连接方式和通信协议的不同，给系统的兼容性、可扩展性、稳定性、维护等带来了很大的困难。为了使现场总线具有开放性，便于用户选择不同的产品，我们按照国际电工委员会（IEC）制定的IEC61158国际标准，提出了基于现场总线的电厂综合自动化系统体系结构，如图1所示。

图1 基于现场总线的电厂综合自动化系统体系结构
从图1可以看出，此系统体系结构分为3层，从低到高分别为现场控制层、监控层和企业管理层。

1.1 现场控制层
现场控制层由现场设备和控制网络段组成。H1层网络是在FF现场总线的H1层基础上定义的低速现场级网络，低速总线H1支持点对点连接、总线型、菊花链型、树型拓扑结构，主要用于连接现场智能仪表，如压力、温度、液位、流量等变送器及其执行机构
等。H1采用IEC1158-2的数字式、位同步、曼彻斯特编码传输数据协议，通信速率为31.25kbps（电压式）。H1采用屏蔽电缆，网络结构采用线型或树型，或者两种组合型结构。与H1相连的现场智能仪表需要24V直流电源时，可通过屏蔽电缆线提供，也可单独提供。
1.2 监控层
监控层由高速以太网（H2总线）以及连接在总线上的担任监控作务的工作站或显示操作站组成。H2层网络属于现场总线的高速现场级网络，主要用于连接现场智能设备（PLC、远程I／O、电动门、变频器等）、操作员站、工程师站等设备，完成监控级的通信任务和比较复杂的控制策略。运行人员通过操作员站实现工
艺过程参数、状态的监视，实现对现场设备的控制。工程师站完成控制器、现场智能仪表／设备功能块编制和参数设定及修改等。
1.3 企业管理层
企业管理层由各种服务器和客户机组成。其主要目的是在分布式网络环境下集成企业的各种信息，实现与Internet的连接，完成管理、决策和商务应用的各种功能。首先要将监控层实时数据库中的信息转入上层的关系数据库中，这样管理层用户就能随时查询网络运行状态以及现场设备的工况，对生产过程进行实时的远程监控。赋予一定的权限后，还可以在线修改各种设备参数和运行参数，从而在企业网范围内实现底层测控信息的实时传递。
2 在电厂应用中存在的问题
2.1 适应控制技术发展的需要
每当采用一种新的控制技术，人们都要经历一个思想转变过程。当年在电厂采用DCS时，对其可靠性、安全性、适宜性也表示过怀疑，也是经过相当长时间的试点应用才逐步消除了对DCS的不信任感。现在DCS已广泛、成功地应用在电厂控制领域中，并且还在不断改进、提高以适应不断发展的需要。现场总线的控制理念与DCS有很大的区别，很多已经习惯了采用看得见、摸得着的DCS控制器完成的PID等控制功能，现在改在现场智能仪表中完成，确实需要一个适应过程。
DCS已是一个非常成熟的技术，而现场总线还处在不断地应用、改进过程中，因此在现阶段要全面地用现场总线代替DCS也是不客观的。现场总线是对DCS控制功能的拓展、提高，是控制技术的发展方向，所以我们既不要盲目采用，也不要轻易拒绝，应积极、主动地了解现场总线技术，在合适的工程中试点应用，在实际运行中不断总结经验，并逐步完善以推广在电厂中的应用。
2.2 标准统一的问题
IEC61158国际标准不是唯一性的，而是8种现场总线标准的集合，这主要是为了保护每个现场总线制造商的利益。由于现在应用的现场总线产品基于不同的协议，所以其开放性并不能得到很好的体现，标准的不统一会影响现场总线技术的发展和推广应用。为了未来的市场，各制造商在不断地改进自己的产品，向国
际标准靠拢，如西门子公司先开发了Profibus-DP现场总线（相对于H2层），用于连接PLC、变频器等设备，为了市场的需要又开发了ProfiBus-PA现场总线（相对于H1层），主要与现场智能仪表相连。因此要想应用好现场总线技术，就要认真研究国际标准及各制造商的标准。
2.3 了解、研究每种现场总线的应用特点
每种现场总线都是为了完成某一特定的生产过程控制而开发的，即每种现场总线都有其专用的应用领域，如FF适用于流程工业，Profibus适用于工厂自动化领域，CAN适用于汽车工业，LON适用于楼宇自动化领域等。到目前为止，还没有哪家的产品可以适用
所有的控制领域。所以为了在电厂用好现场总线技术，应对不同的现场总线产品进行深入地了解、比较，研究其擅长应用的领域、在电厂中应用存在的问题和解决的办法。
2.4 冗余方式的考虑
为了提高DCS的可靠性，采取了操作站冗余、通信总线冗余、电源冗余、控制器冗余及I／O冗余等多种措施。当采用现场总线时，其冗余性自然引起了广泛的注意。对于现场总线的监控级及H2层，操作站冗余、监控级网络冗余、H2层网络冗余及连接在其上的设备（如控制器等）冗余、电源冗余是很容易做到的。
对于H1层网络，原DCS冗余控制器的所有功能都分散到各个现场智能仪表中，危险已经完全分散，一个现场智能仪表的故障只影响到本身或相关的少量智能设备，其影响范围远低于DCS冗余控制器故障的涉及面，就地智能仪表的功能块设计可保证故障时相关智能设备置于安全位，因此每个现场智能仪表是不需要
CPU冗余的。况且采用现场总线后取消了大量的控制电缆，现场总线的保护措施可以提高，降低了H1的故障率，所以H1层网络不采用冗余方式是可以接受的。鉴于电厂对安全性的要求，在现阶段对于重要的回路控制还是应该采用安全的措施以提高安全性、可靠性，同时通过在电厂的逐步应用和总结经验，找出适合电厂安全要求的冗余方案。
2.5 现场智能仪表的功能设计
采用现场总线所面临的一个较大工作是现场智能仪表的功能设计。采用DCS时，当输入／输出信号制、I／O点数确定以后，DCS的选择、功能设计就与现场仪表没有多大关系了。当采用现场总线时情况就不同了，原在DCS中完成的许多控制功能转移到现场智能仪表中完成，因此现场总线的选型、功能的设计与现场智能仪表紧密地联系在一起。在设计时，首先要确定一个统一的协议标准，现场总线及现场智能义表都要遵守此协议标准；然后根据现场智能仪表的工艺分布情况、防爆等级要求、测量参数范围及完成的功能等确定一个初步的现场总线结构，计算采用H1、H2网络段的个数，确定每段所带现场智能仪表和设备的数量及每段的通信速率；最后根据工艺运行要求定义每个现场智能仪表的控制功能，通过工程师站对整个控制系统进行功能块组态设计。上述工作已打破原控制功能的设计界限，把控制室设备及现场智能仪表作为一个整体来考虑，合理的现场总线结构和控制方案可能需
要经过多次的重复计算、比较才能确定。
3 现状及发展前景
DCS技术已经被大家掌握且价格已经很低，所以现在乃至今后的一段时间内DCS还会存在下去，还将是电厂控制系统的首选方案。大部分DCS厂家已经意识到现场总线将是电厂控制技术的发展方向，为此在改进、提高现有DCS功能、性能及可靠性的同时也在积极地开发现场总线接口技术及产品。很多用户看到了现场总线的诸多优点，也在做一些应用尝试。目前现场总线技术在电厂局部生产过程中已试点应用，例如国内电厂已有在电除尘的控制上采用现场总线的成功应用，为今后大范围应用打下良好的基础。综合现状，在未来的一段时间内，控制系统将出现DCS与
现场总线共存的局面。
现场总线技术是一项发展很快的新技术。随着现场总线技术的不断完善，通信协议逐步统一规范，真正实现了开放性及互操作性，并通过在电厂应用中取得充分的应用经验，用户对现场总线应用技术掌握到一定的深度，对其优越性建立足够的信心，预计在不久的将来，现场总线的技术将会逐步在电厂自动控制系统中得到推广应用，这是自动化控制技术发展的方向。

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