现场总线技术在火电厂控制中应用的分析与研究

　　摘要：现场总线的应用范围相当广泛，大家也是耳熟能详的，zui为经典的便是在火电厂等方面的应用。本文介绍了现场总线的产生、发展过程，以及在火电厂中现场总线控制的设计方法。通过探讨，使这一新技术尽早在电力工业中得到很好应用，使火电厂的自动化水平上新台阶。
　　
　　1、现场总线简介
　　
　　在火电厂自控技术发展中，仅从数字控制系统发展的角度来看，从DDC到DCS再到FCS的演化过程如图1所示。　　
　　从图中可以看到其智能计算由集中的计算机逐渐转移到相对分散的控制器；zui后转移到就地控制设备。在现场总线技术诞生初期，它的主要功能是将当时的可编程控制器PLC以一种较简洁的方式连接起来。随着计算机通讯技术的发展，大大增强了现场总线的功能，成为现场总线技术发展的主要趋势。
　　
　　现场总线技术定义为：将微处理器植入传统的测量控制仪表，使它们具有了数字计算和通信能力，采用双绞线等作为总线，把多个控制仪表，连接成的网络系统，按公开、规范的通信协议，在位于现场的具有多种测控计算功能的设备之间，以及现场仪表与监控计算机之间，实现数据传输与信息交换，在生产现场形成全分布式自控系统，向系统提供更为丰富的，使人们更能深入了解过程状况的自控设备管理信息，为自控系统朝着智能化、数字化、信息化、网络化、分散化的方向迈进了一大步。
　　
　　此定义不一定准确，但却函盖了现场总线的内涵和外涵。也可以形象把现场总线描述为用“线”将变送器、现场开关、执行器等连成的通信系统与控制系统，还可进一步将其与监控、管理、商务等层次网络互连为一体，如图2示　　
　　从图中可以看到现场总线网络位于整个企业网的zui底层，它负责完成现场控制任务，也是企业信息集成的基础。在现场总线网络中，每台设备（包括现场仪表和控制室主机）都相当于一个能独立承担某些控制和通信任务的网络节点，这些节点通过现场总线连接在一起构成一个完整的控制系统。
　　
　　现场总线实际上就是自控系统中的“互联网”。它采用数字化的通信技术使自控系统有机地加入到火电厂信息网中，形成工厂底层网络，使电厂信息沟通的范围能够向下延伸到生产现场。现场设备通过一定标准的通信协议将现场设备和控制系统地结合在一起，就象是为现场设备和控制系统完成了一种公共的数字化的语言，只要使现场设备和控制系统都能理解和运用这种语言，它们之间就能够进行良好的信息沟通，从而实现设备之间的互相操作。
　　
　　由于现场总线用全数字的双向通信代替了传统的4—20mA模拟信号，原先的点对点接线方式如今可以改变成用一根通信电缆同时连接多台设备，并且还能通过总线对设备进行供电，因此现场总线能够极大的简化布线和降低初装成本，现场总线还使现场段的控制得到加强，实现控制功能的*分散。
　　
　　现场总线充分集成了智能设备所提供丰富的现场信息，如设备故障诊断和配置信息等，系统维护人员能够准确迅速及时地了解生产现场和设备的运行状态，一旦发生故障就能够迅速排除，甚至还能够发现潜在的故障，预先消除隐患，而DCS是不能对就地设备进行故障诊断的，这也是FCS优于DCS之处。
　　
　　2、现场总线控制系统的设计
　　
　　现场总线控制系统与常规控制系统及DCS系统在系统构成功能、控制策略等方面有许多类似之处，如一个简单的单网络控制系统其基本构成元素为测量变送单元，操作执行单元如图3
　　而现场总线系统的zui大特点在于它的控制单元在物理位置上可与测量变送单元及操作执行单元合为一体，因而可以在现场智能设备沟通、综合信息，便于构成多个变量参与的复杂控制系统与测量系统。另外，由于现场总线仪表的数字通信特点，使它不仅可以传递测量的数值信息还可以传递设备标识、运行状态、故障诊断状态等信息，因而可以构成智能仪表的设备资源管理系统。
　　
　　以火电厂锅炉汽包水位为例，介绍现场总线控制系统在设计、安装、运行方面的特点。如图4示汽包水位的三冲量控制系统是经常被采用的经典控制方案。　　
　　方案选定后，就可以开始设计。
　　
　　（1）根据控制方案选择必需的现场智能仪表

         一个经典的三冲量水位控制系统需要一个液位变送器；蒸汽流量、给水流量两个流量变送器，一个给水调节阀。现场总线控制系统同样也需要这些变送器、执行器。对一般模拟仪表控制系统来说，由于汽包水位、蒸汽流量、给水流量、测量信号本身波动频繁，需阻尼器对测量信号进行预处理。按工厂常规采用的孔板加差压变送器测量流量的方法，要使测量信号与流量成线性关系，需加开方器；此外，还需要形成串级控制的主副两个调节器等，而现场总线系统中实现阻尼、开方、加减PID计算功能*靠嵌入在现场变送器，执行器中的功能块软件实现。可减少硬件投资、节省安装工时与线缆。
　　
　　（2）选择计算机与网络配件
　　
　　为了满足现场智能设备组态、运行、操作的要求，一般还需要选择一台或多台能与现场总线网络连接的计算机，随着工业PC机已在控制领域的日趋普及，许多不同通信协议的现场总线控制系统都采用安插在PC总线槽中的PC现场总线接口板，把工业PC机与现场总线网络，连接为能完成组态、运行操作等功能的完整的控制与网络系统PC现场总线接口板，可有几个现场总线通道，能把几条现场总线网段集成在一起。电源、终端器、缆线等，也是现场总线系统的基本硬件如图5所示：　　
　　图中5台计算机主要是为安全冗余而设置，PCI接口卡有四个通道，每个PCI接口卡与4条总网段相接。
　　
　　另一种更加适用的方法是设计某种通信控制器，其一侧与现场总线网段连接，另一侧按通常采用的PC机联网方式，如通过以太网方式，采用TCP／IP通信协议、网络BIOS协议，完成现场总线网段与PC机之间的信息交换。　　
　　为了优化通信，减少信号的往返传递，尽可能将同一控制系统中信号相关的现场设备就近安排在同一总线段上。除了上面提到的水位、流量变送器、给水调节阀等，由于锅炉控制系统中还有用于联锁系统开关量控制的PLC。它也需要与现场变送器等交换信息，可采用PLC与现场总线网段接口，使PLC成为现场总线网段的节点成员。
　　
　　（3）选择开发组态软件和控制操作人员的人机接口软件MMI
　　
　　组态软件是现场总线系统中的特色软件。它要负责完成以下任务。
　　
　　a．在应用软件的界面上选中连接的现场总线设备。
　　
　　b．以所选设备分配信号。
　　
　　c．从设备的功能库中选择功能块。
　　
　　d．实现功能块链接。
　　
　　e．按应用要求为功能块赋予特征参数。
　　
　　f．对现场设备下载组套信息。
　　
　　（4）根据控制系统结构和控制策略所需功能块以及智能现场设备具备的功能块库的条件，分配功能块所在位置。
　　
　　具体到三冲量水位控制系统，功能块分配方案如下：
　　
　　a．汽包液位变送器内，选用AI模拟输入功能块，主调节器PID功能块。
　　
　　b．给水流量变送器内，选用AI模拟输入功能块，求和算法功能块。
　　
　　c．蒸汽流量变送器内，选用AI模拟输入功能块。
　　
　　d．阀门定位器内，选用副调节器PID功能块、AO输出功能块，并实现现场总线功能块至调节阀门的气压转换。
　　
　　（5）通过组态软件，完成功能块的连接
　　
　　图7所示：功能块的分布与连接　　
　　按三冲量的控制系统图和功能块分配方案，功能块组套连接，如图水位变送器的位号LTl01、蒸汽、给水变送器的位号分别为FTl02、FTl03，给水调节阀的位号为FVl01。
　　
　　BK—CALin：阀位反馈信号的输入。
　　
　　BK—CALout：阀位反馈信号的输出
　　
　　CAS—IN：表示串级输入
　　
　　（6）通过功能块的特征化，为每个功能块确定相应参数

        通过组态决定其AI功能块的特征参数，如测量输入范围，输出量程，工程单位、滤波时间，是否需要开方处理等。
　　
　　（7）网络组态
　　
　　由于现场总线是底层网络、网络组态的范围包括现场总线网段，也包括作为人机接口操作界面的PC机及与其相接的网段。
　　
　　（8）组态的zui后操作是下载组态信息，即将组态信息的代码送到相应的现场设备，并启动系统运行。
　　
　　通过上述方法完成了现场总线的控制系统设计。
　　
　　3、现场总线控制系统的软件
　　
　　软件由以下几部分组成：
　　
　　（1）组态软件（2）维护软件（3）仿真软件（4）现场设备管理软件（5）监控软件
　　
　　4、OPC简介
　　
　　在设计好控制系统以后，我要提到OPC技术。
　　
　　OPC—OLEforProcessControl的缩写，意为过程控制中的对象链接嵌入技术。这是一项技术规范与标准，OPC作为自动化系统中现场设备与工厂办公管理的应用程序之间的有效联络工具。使办公室与生产部门之间的数据交换简捷化、标准化。
　　
　　我们知道，把不同制造商的部件集成到一起是件麻烦事，需要为每个部件专门开发驱动或服务程序。还需要把这些由制造商提供的驱动或服务程序与应用程序起来。OPC的作用就是服务器／客户的链接提供统一，标准的接口规范，zui后应形成如图所示：
　　5、结束语
　　
　　现场总线技术正逐渐被电厂应用，如浙江的半山电厂，用了部分的现场总线技术已获得成功，希望以后在火电厂中应用更加广泛。
　　
　　各厂商已开发出的现场总线设备如：3051变送器、伯纳德的执行器已具备了此种功能。
　　
　　作为电厂欢迎更多的具有现场总线功能的设备应用到现场，对于减少设备的故障率，降低工人的劳动强度，特别是对于实现辅助车间的集中控制，提高火力发电厂的自动化水平大有益处。