現(xiàn)場總線技術(shù)的結(jié)構(gòu)、特點及在化工行業(yè)中的應(yīng)用研究

1. 引言

隨著電力行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步，化工行業(yè)自動化水平日益提高，國內(nèi)各大化工廠紛紛將配電自動化系統(tǒng)納入DCS（集散控制系統(tǒng)）中，實現(xiàn)監(jiān)控一體化管理。由于DCS主要是以實現(xiàn)化工生產(chǎn)過程自動化為目的，而對電氣系統(tǒng)自動化考慮較少。而僅僅將電氣系統(tǒng)的部分信息如電機電流及運行信號等以“硬接線”的形式送入DCS中而實現(xiàn)簡單的監(jiān)測和啟、?？刂频姆桨?，是一種低層次的融合，將造成投資增加、電氣系統(tǒng)大量原始信息丟失，而電氣系統(tǒng)的控制水平未必得到較大的提高。而隨著現(xiàn)場總線技術(shù)的日益發(fā)展，上述問題得到了很好地解決。本文以上海安科瑞電氣股份有限公司在某化工廠中的工程實例簡單介紹現(xiàn)場總線技術(shù)在化工行業(yè)的低壓配電自動化系統(tǒng)中的應(yīng)用。

2. 現(xiàn)場總線技術(shù)的定義、結(jié)構(gòu)及特點

2.1 現(xiàn)場總線技術(shù)概念

現(xiàn)場總線技術(shù)概念：現(xiàn)場總線是安裝在生產(chǎn)過程區(qū)域的現(xiàn)場設(shè)備/儀表與控制室內(nèi)的自動控制裝置/系統(tǒng)之間的一種串行、數(shù)字式、多點通信的數(shù)據(jù)總線。即現(xiàn)場總線是以單個分散的、數(shù)字化、智能化的測量和控制設(shè)備作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，用總線相連接，實現(xiàn)相互交換信息，共同完成自動控制功能的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。

2.2 化工行業(yè)現(xiàn)場總線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

在一個現(xiàn)代化化工廠大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)過程控制中，工業(yè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)大體分為工廠級、車間級和現(xiàn)場級這3個層次，這其中，現(xiàn)場級與車間級自動化監(jiān)控及信息集成是工廠自動化的重要部分。

現(xiàn)場級與車間級自動化監(jiān)控及信息集成系統(tǒng)主要完成底層設(shè)備單機控制、連機控制、通信連網(wǎng)、在線設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測及現(xiàn)場設(shè)備運行、生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集、存儲、統(tǒng)計等功能，保證現(xiàn)場設(shè)備高質(zhì)量完成生產(chǎn)任務(wù)，并將現(xiàn)場設(shè)備生產(chǎn)及運行數(shù)據(jù)信息根據(jù)需要傳送到工廠管理層，同時也可接受工廠管理層下達(dá)的生產(chǎn)管理及調(diào)度命令并執(zhí)行之。因此，現(xiàn)場級與車間級監(jiān)控及信息集成系統(tǒng)是實現(xiàn)工廠自動化的基礎(chǔ)。

下圖為上海安科瑞電氣為某化工廠設(shè)計的自動化監(jiān)控及信息集成系統(tǒng)圖。

2.3 現(xiàn)場總線系統(tǒng)的特點及優(yōu)勢

現(xiàn)場總線系統(tǒng)是一個全數(shù)字化、全分散式、可互操作、開放式互連網(wǎng)絡(luò)的控制系統(tǒng)，現(xiàn)場總線系統(tǒng)與傳統(tǒng)的DCS相比，具有以下技術(shù)特點和優(yōu)勢。

2.3.1 全數(shù)字通信

傳統(tǒng)控制系統(tǒng)DCS采用4~20mA的模擬信號傳輸方式。這種傳輸方式一對傳輸電纜只能傳送一路信號。而且，模擬信號在傳輸過程中易被其他信號或環(huán)境噪聲所干擾，傳輸精度不高，控制效果不理想。而現(xiàn)場總線系統(tǒng)采用全數(shù)字信號傳輸。傳輸過程中采用數(shù)字信號的檢錯、糾錯機制，使其具有較高的抗干擾能力，傳輸精度也得到顯著提高。全數(shù)字通信使得多參數(shù)傳輸?shù)靡詫崿F(xiàn)?，F(xiàn)場設(shè)備的測量、控制信息以及其他非控制信息如設(shè)備類型和參數(shù)、整定值、設(shè)備運行狀態(tài)等都可以通過一對傳輸線送到現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)上的任何智能設(shè)備，從而消除了模擬信號傳輸?shù)钠款i。

2.3.2 控制分散

現(xiàn)場總線系統(tǒng)采用全分散式控制?，F(xiàn)場智能終端設(shè)備，既有測量、采集、保護(hù)、變換、信號處理等功能，也有邏輯運算和控制功能。通過現(xiàn)場總線，將復(fù)雜的控制任務(wù)進(jìn)行分解，分散下放于現(xiàn)場設(shè)備中，由現(xiàn)場智能終端設(shè)備構(gòu)成控制回路，實現(xiàn)對各對象的控制。和傳統(tǒng)的DCS控制系統(tǒng)相比，現(xiàn)場總線系統(tǒng)簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)的可靠性、自治性和靈活性。

2.3.3 開放性、互操作性

現(xiàn)場總線采用統(tǒng)一的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，是開放式的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，對用戶是透明的，不同廠家產(chǎn)品只要使用同一總線標(biāo)準(zhǔn)，就具有互操作性、互換性，因此設(shè)備具有很好的可集成性。系統(tǒng)為開放式，允許其它廠商將自己專長的控制技術(shù)，如控制算法、工藝流程、配方等集成到通用系統(tǒng)中去，因此，不同廠家的網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品可以方便地接入同一網(wǎng)絡(luò)，集成在同一控制系統(tǒng)中進(jìn)行操作，簡化了系統(tǒng)集成。而在傳統(tǒng)的DCS中，不同廠家的設(shè)備是不能相互訪問的。

2.3.4 多分支結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)控制系統(tǒng)中設(shè)備的連接都是一對一的，而現(xiàn)場總線是多分支結(jié)構(gòu)，其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇蔀榭偩€型、星型、樹型等多種形式。這種多分支結(jié)構(gòu)使得布線簡單、工程安裝周期縮短、運行維護(hù)方便，并能節(jié)省投資。這種結(jié)構(gòu)還具有較強的系統(tǒng)擴(kuò)展性，對于新增的設(shè)備，只需直接并行掛接即可，無需架設(shè)新的電纜，也無需系統(tǒng)停機。

2.3.5 現(xiàn)場設(shè)備狀態(tài)可控

通過現(xiàn)場總線，現(xiàn)場設(shè)備的管理信息大大增加，這些信息包括功能模塊組態(tài)、參數(shù)狀況、診斷和驗證數(shù)據(jù)等。操作人員在控制室里就可以對這些信息進(jìn)行維護(hù)和驗證數(shù)據(jù)等。操作人員在控制室里就可以對這些信息進(jìn)行維護(hù)和管理，對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行參數(shù)整定，并實時地進(jìn)行性能維護(hù)。當(dāng)設(shè)備參數(shù)、狀態(tài)發(fā)生變化時，操作人員能提前對該設(shè)備進(jìn)行預(yù)處理，可減少事故發(fā)生。故障發(fā)生后，報警機制會立刻通知操作人員故障發(fā)生的部位和設(shè)備，從而提高了系統(tǒng)的可靠性和可維護(hù)性。

2.3.6 降低了系統(tǒng)及工程成本

對大范圍、大規(guī)模I/O的分布式系統(tǒng)來說，省去了大量的電纜、I/O模塊及電纜敷設(shè)工程費用，降低了系統(tǒng)及工程成本。

3. 基于現(xiàn)場總線技術(shù)的低壓配電自動化系統(tǒng)的應(yīng)用

如今，現(xiàn)場總線技術(shù)已經(jīng)開始得到較為廣泛的應(yīng)用。如某化工廠所用低壓配電自動化系統(tǒng)，采用基于現(xiàn)場總線技術(shù)的ACREL-2000監(jiān)控系統(tǒng)，已投入運行，運行狀況良好。下文以該配電自動化系統(tǒng)為例，簡述現(xiàn)場總線技術(shù)在行業(yè)內(nèi)低壓配電自動化系統(tǒng)中的應(yīng)用。

3.1 系統(tǒng)簡介

安科瑞的Acrel-2000型電力監(jiān)控系統(tǒng)軟件借助了計算機、通信設(shè)備、計量保護(hù)裝置等，為系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)采集、開關(guān)狀態(tài)監(jiān)測及遠(yuǎn)程控制提供了基礎(chǔ)平臺。該電力監(jiān)控系統(tǒng)可以為企業(yè)提供“監(jiān)控一體化”的整體解決方案，主要包括實時歷史數(shù)據(jù)庫AcrSpace、工業(yè)自動化組態(tài)軟件AcrControl、電力自動化軟件AcrNetPower、“軟”控制策略軟件AcrStrategy、通信網(wǎng)關(guān)服務(wù)器AcrFieldComm、OPC產(chǎn)品、Web門戶工具等。

3.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

Acrel-2000電力監(jiān)控系統(tǒng)是基于10kV及以下變配電系統(tǒng)的監(jiān)測與管理，該系統(tǒng)由管理層（站控層）、通信層（中間層）、間隔層（現(xiàn)場監(jiān)控層）三部分組成，見下圖。

站控層設(shè)立主控系統(tǒng)Acrel-2000一套。硬件系統(tǒng)采用工作臺式結(jié)構(gòu)，軟件系統(tǒng)采用基于WIN2000 操作系統(tǒng)的電力監(jiān)控軟件Acrel-2000， 同時能通過MODBUS SERVER 和OPC方式實現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的上傳， 實現(xiàn)資源共享。站控層通過位于通信層的工業(yè)以太網(wǎng)交換機與現(xiàn)場中的通信服務(wù)器或通信網(wǎng)關(guān)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

通信層除了有一個工業(yè)以太網(wǎng)交換機外，還在每個設(shè)備層總線分支處設(shè)立了一個通信服務(wù)器或網(wǎng)關(guān)，用來將現(xiàn)場的總線協(xié)議轉(zhuǎn)為以太網(wǎng)協(xié)議。在保護(hù)裝置分支中還使用了ACRHMI通信管理機，ACRHMI是用于實現(xiàn)配電系統(tǒng)的通信處理和設(shè)備管理的智能通信單元，其選用了一塊12.1寸高亮度TFT真彩觸摸屏，使用實時嵌入式操作系統(tǒng)（WinCE.NET）和系統(tǒng)工程運行軟件，具有良好的人機界面，集成了ProfiBus-DP通訊接口和TCP/IPRJ45接口，能將多種設(shè)備通過現(xiàn)場總線技術(shù)有機地連接起來。

現(xiàn)場監(jiān)控層采用包括ARD系列智能馬達(dá)控制器、ACR系列多功能網(wǎng)絡(luò)儀表在內(nèi)的具備RS485 ProfiBus-DP通訊接口的分布在配電柜上的智能可通訊設(shè)備，通過現(xiàn)場總線通信實現(xiàn)與通信網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)交換。

系統(tǒng)報價—覽表 單位：元（RMB）

3.3 系統(tǒng)功能

3.3.1 友好的人機交互界面（HMI）

標(biāo)準(zhǔn)的變配電系統(tǒng)具有CAD一次單線圖顯示中、低壓配電網(wǎng)絡(luò)的接線情況；龐大的系統(tǒng)具有多畫面切換及畫面導(dǎo)航的功能；分散的配電系統(tǒng)具有空間地理平面的系統(tǒng)主畫面。主畫面可直觀顯示各回路的運行狀態(tài)，并具有回路帶電、非帶電及故障著色的功能。主要電參量直接顯示于人機交互界面并實時刷新。

3.3.2 用戶管理

Acrel-2000智能電力監(jiān)控系統(tǒng)軟件可對不同級別的用戶賦予不同權(quán)限，從而保證系統(tǒng)在運行過程中的安全性和可靠性。如對某重要回路的合/分閘操作，需操作員級用戶輸入操作口令外，還需工程師級用戶輸入確認(rèn)口令后方可完成該操作。

3.3.3 數(shù)據(jù)采集處理

Acrel-2000智能電力監(jiān)控系統(tǒng)可實時和定時采集現(xiàn)場設(shè)備的各電參量及開關(guān)量狀態(tài)（包括三相電壓、電流、功率、功率因數(shù)、頻率、電能、溫度、開關(guān)位置、設(shè)備運行狀態(tài)等），將采集到的數(shù)據(jù)或直接顯示、或通過統(tǒng)計計算生成新的直觀的數(shù)據(jù)信息再顯示（總系統(tǒng)功率、負(fù)荷最大值、功率因數(shù)上下限等），并對重要的信息量進(jìn)行數(shù)據(jù)庫存儲。

3.3.4 趨勢曲線分析

Acrel-2000智能電力監(jiān)控系統(tǒng)提供了實時曲線和歷史趨勢兩種曲線分析界面，通過調(diào)用相關(guān)回路實時曲線界面分析該回路當(dāng)前的負(fù)荷運行狀況。如通過調(diào)用某配出回路的實時曲線可分析該回路的電氣設(shè)備所引起的信號波動情況。系統(tǒng)的歷史趨勢即系統(tǒng)對所有已存儲數(shù)據(jù)均可查看其歷史趨勢，方便工程人員對監(jiān)測的配電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行質(zhì)量分析。

3.3.5 報表管理

Acrel-2000智能電力監(jiān)控系統(tǒng)具有標(biāo)準(zhǔn)的電能報表格式并可根據(jù)用戶需求設(shè)計符合其需要的報表格式，系統(tǒng)可自動統(tǒng)計?？勺詣由筛鞣N類型的實時運行報表、歷史報表、事件故障及告警記錄報表、操作記錄報表等，可以查詢和打印系統(tǒng)記錄的所有數(shù)據(jù)值，自動生成電能的日、月、季、年度報表，根據(jù)復(fù)費率的時段及費率的設(shè)定值生成電能的費率報表，查詢打印的起點、間隔等參數(shù)可自行設(shè)置；系統(tǒng)設(shè)計還可根據(jù)用戶需求量身定制滿足不同要求的報表輸出功能。

3.3.6 事件記錄和故障報警

Acrel-2000智能電力監(jiān)控系統(tǒng)對所有用戶操作、開關(guān)變位、參量越限及其它用戶實際需求的事件均具有詳細(xì)的記錄功能，包括事件發(fā)生的時間位置，當(dāng)前值班人員事件是否確認(rèn)等信息，對開關(guān)變位、參量越限等信息還具有聲音報警功能，同時自動對運行設(shè)備發(fā)送控制指令或提示值班人員迅速排除故障。

3.3.7 五遙功能

Acrel-2000智能電力監(jiān)控系統(tǒng)不僅能實現(xiàn)常規(guī)的“遙信”、“遙控”、“遙測”、“遙調(diào)”功能，還可以實現(xiàn)“遙設(shè)”功能。

l 遙信：實時對開關(guān)運行狀態(tài)、保護(hù)工作等開關(guān)量進(jìn)行監(jiān)視。計算機實時顯示和自動報警。

l 遙控：通過計算機屏幕選擇相應(yīng)的站號、開關(guān)號、合/分閘等信息，并在屏幕上將選擇的開關(guān)狀態(tài)反饋出來，確認(rèn)后執(zhí)行，實時記錄操作時間、類型、合開關(guān)號等。

l 遙測：通過計算機實時對系統(tǒng)電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數(shù)、超限報警、頻率進(jìn)行不斷地采集、分析、處理、記錄、顯示曲線、棒圖，自動生成報表。

l 遙調(diào)：用于有載變壓器的調(diào)壓升/降。

l 遙設(shè)：用于遠(yuǎn)方修改分散繼電保護(hù)裝置的定值、控制字；以及調(diào)整各種儀表的工作狀態(tài)。

3.4 系統(tǒng)優(yōu)點

（1）由于采用數(shù)字雙向通信，一對雙絞線或光纖完成諸多的信號傳輸功能，使得在該環(huán)節(jié)中的電纜、橋架、接線端子的用量減少到幾乎為零，因此相應(yīng)的安裝工作量也大大減少。

（2）間隔層設(shè)備采用智能終端設(shè)備，電流、電壓等信號在現(xiàn)場就就行高精度的AD變換，再以數(shù)字量的形式送入系統(tǒng)中，從而省略了變送器等中間變換環(huán)節(jié)，使系統(tǒng)采集的信號精度大大提高，節(jié)省了投資。

（3）智能終端設(shè)備還能在間隔層實現(xiàn)大量的邏輯、計算功能，可將許多以前在DCS中完成的工作下放到間隔層完成，實現(xiàn)真正意義上的分散控制，提高了系統(tǒng)的可靠性，而且系統(tǒng)可采集的信息量大大增加，操作人員在控制室就能實現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)對現(xiàn)場設(shè)備的在線監(jiān)視、診斷、校驗和參數(shù)整定。

（4）在工程建設(shè)中，由于系統(tǒng)組態(tài)簡單，安裝、運行、維修方便，分步調(diào)試能較快完成并及時投運。

3.5 系統(tǒng)部分界面

電壓、電流波形計數(shù)值顯示界面，以及棒圖、餅圖的顯示

4. 結(jié)束語

配電自動化系統(tǒng)采用現(xiàn)場總線方式進(jìn)入化工廠計算機控制系統(tǒng)，充分發(fā)揮了智能電器的作用，改變過去只有重要電氣量才能進(jìn)入計算機系統(tǒng)的情況，使配電自動化系統(tǒng)運行更加安全可靠和便于維護(hù)，同時取消變送器，減少計算機I/O卡件，減少電纜工程量，便于分步調(diào)試和投運，有利于配電自動化系統(tǒng)的科學(xué)運行維護(hù)，降低了投資。相信該技術(shù)會在行業(yè)內(nèi)得到更廣泛的應(yīng)用和深遠(yuǎn)的發(fā)展。

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