现场总线技术在电厂中的应用.pdf

1、现 场 总 线 技 术 在 电 厂 中 的 应 用Application of Fieldbus Technology in Power Plant孟 丽(华 东 电 力 设 计 院 ,上 海 200063)摘 要 介 绍 了 现 场 总 线 的 结 构 及 技 术 特 点 以 及 与 DCS 相 比 具 有 的 优 势 ,对 现 场 总 线 在 电 厂 应 用 中 存 在 的 问 题 及 解 决 办 法 进 行 了 讨论 ,最 后 阐 述 了 在 未 来 一 段 时 间 内 应 用 现 场 总 线 与 DCS 的 关 系 及 发 展 前 景 。关 键 词 现 场 总 线 DCS 控 制 系

2、统Abstract The structure and features of fieldbus and the advantages of fieldbus compared with DCS are introduced. The problems exist in application offieldbus in power plant and the solutions are discussed. The relation of fieldbus and DCS in near future and the developing prospects are described.Ke

3、ywords Fieldbus DCS Control System0 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

4、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 F

5、F、 ProfiBus、 WorldFIP、 Control2Net、 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

6、 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

7、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

8、 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

9、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33现 场 总 线 技 术 在 电 厂 中 的 应 用 孟 丽传 输 数 据 协 议 ,通 信 速 率 为 31125kbps (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

10、 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

11、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

12、 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

13、 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

14、 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

15、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

16、 ,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

17、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

18、 。 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

19、 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

20、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

21、 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43 自 动 化 仪 表 第 26 卷 第 3 期 2005 年 3 月PROCESS AUTOMATION INSTRUMENTATION Vol. 26 No. 3 March 2005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

22、 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

23、 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

24、 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

25、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

26、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

27、向 。参 考 文 献1 阳 宪 惠 . 现 场 总 线 技 术 及 其 应 用 M .清 华 大 学 出 版 社 ,19992 王 鑫 鑫 . 现 场 总 线 控 制 技 术 在 电 厂 中 的 应 用 研 究 J .电 站 系 统 工程 ,2001(7)3 邬 宽 明 . CAN 总 线 原 理 和 应 用 系 统 设 计 M .北 京 航 空 航 天 大 学出 版 社 ,1996收 稿 日 期 :2004 - 08 - 27。作 者 孟 丽 ,女 ,1996 年 毕 业 于 上 海 电 力 学 院 自 动 控 制 系 ,获 学 士 学位 ;从 事 火 电 厂 热 工 自 动 化 设 计 工

28、 作 。(上 接 第 32 页 )值 如 表 1 所 示 。表 1 实 验 数 据 表油 品 混 合 物温 度 ( )标 准 油 品 中水 的 体 积百 分 数 ( %)LCR 数 字 表测 得 数 据(pF)基 XE2004测 得 数 据(pF)相 对 误 差( %)25 0. 0 45. 6 45. 6 0. 0025 2. 0 49. 1 48. 8 0. 6150 0. 0 44. 5 44. 3 0. 4550 2. 0 47. 1 46. 8 0. 64从 表 1 数 据 可 知 ,由 于 电 压 值 换 算 的 关 系 ,测 量 误差 小 于 017 %。5 结 束 语当 前 ,

29、电 容 信 号 的 调 理 电 路 有 电 桥 法 、 谐 振 法 等 ,这 些 方 法 均 要 求 激 励 信 号 的 频 率 达 到 10MHz 以 上 ,因而 电 路 复 杂 且 成 本 较 高 ,并 受 环 境 的 影 响 而 难 以 实 现高 精 度 测 量 。 本 文 介 绍 的 方 法 电 路 简 单 ,大 大 缩 小 了调 理 电 路 的 体 积 ,且 测 量 精 度 较 高 ,响 应 快 ,应 用 方 便 。修 改 稿 收 到 日 期 :2004 - 08 - 09。第 一 作 者 谢 楠 ,女 ,1977 年 生 ,现 为 浙 江 大 学 仪 器 科 学 与 工 程 系 在 读硕 士 研 究 生 ;主 要 从 事 计 算 机 信 号 检 测 、 动 态 信 号 分 析 与 处 理 的 研 究 。 自 动 化 仪 表 (邮 发 代 号 : 4 - 304 , 定 价 : 4. 50 元 , 全 年 价 : 54. 00 元 ; 国 外 代 号 : M721)欢 迎 赐 稿 , 欢 迎 订 阅 , 欢 迎 宝 贵 建 议 , 欢 迎 惠 刊 各 类 广 告53现 场 总 线 技 术 在 电 厂 中 的 应 用 孟 丽