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　　摘要：現(xiàn)場總線的應(yīng)用范圍相當(dāng)廣泛，大家也是耳熟能詳?shù)?，zui為經(jīng)典的便是在火電廠等方面的應(yīng)用。本文介紹了現(xiàn)場總線的產(chǎn)生、發(fā)展過程，以及在火電廠中現(xiàn)場總線控制的設(shè)計(jì)方法。通過探討，使這一新技術(shù)盡早在電力工業(yè)中得到很好應(yīng)用，使火電廠的自動(dòng)化水平上新臺階。
　　
　　1、現(xiàn)場總線簡介
　　
　　在火電廠自控技術(shù)發(fā)展中，僅從數(shù)字控制系統(tǒng)發(fā)展的角度來看，從DDC到DCS再到FCS的演化過程如圖1所示。　　
　　從圖中可以看到其智能計(jì)算由集中的計(jì)算機(jī)逐漸轉(zhuǎn)移到相對分散的控制器；zui后轉(zhuǎn)移到就地控制設(shè)備。在現(xiàn)場總線技術(shù)誕生初期，它的主要功能是將當(dāng)時(shí)的可編程控制器PLC以一種較簡潔的方式連接起來。隨著計(jì)算機(jī)通訊技術(shù)的發(fā)展，大大增強(qiáng)了現(xiàn)場總線的功能，成為現(xiàn)場總線技術(shù)發(fā)展的主要趨勢。
　　
　　現(xiàn)場總線技術(shù)定義為：將微處理器植入傳統(tǒng)的測量控制儀表，使它們具有了數(shù)字計(jì)算和通信能力，采用雙絞線等作為總線，把多個(gè)控制儀表，連接成的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，按公開、規(guī)范的通信協(xié)議，在位于現(xiàn)場的具有多種測控計(jì)算功能的設(shè)備之間，以及現(xiàn)場儀表與監(jiān)控計(jì)算機(jī)之間，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與信息交換，在生產(chǎn)現(xiàn)場形成全分布式自控系統(tǒng)，向系統(tǒng)提供更為豐富的，使人們更能深入了解過程狀況的自控設(shè)備管理信息，為自控系統(tǒng)朝著智能化、數(shù)字化、信息化、網(wǎng)絡(luò)化、分散化的方向邁進(jìn)了一大步。
　　
　　此定義不一定準(zhǔn)確，但卻函蓋了現(xiàn)場總線的內(nèi)涵和外涵。也可以形象把現(xiàn)場總線描述為用“線”將變送器、現(xiàn)場開關(guān)、執(zhí)行器等連成的通信系統(tǒng)與控制系統(tǒng)，還可進(jìn)一步將其與監(jiān)控、管理、商務(wù)等層次網(wǎng)絡(luò)互連為一體，如圖2示　　
　　從圖中可以看到現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)位于整個(gè)企業(yè)網(wǎng)的zui底層，它負(fù)責(zé)完成現(xiàn)場控制任務(wù)，也是企業(yè)信息集成的基礎(chǔ)。在現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)中，每臺設(shè)備（包括現(xiàn)場儀表和控制室主機(jī)）都相當(dāng)于一個(gè)能獨(dú)立承擔(dān)某些控制和通信任務(wù)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)通過現(xiàn)場總線連接在一起構(gòu)成一個(gè)完整的控制系統(tǒng)。
　　
　　現(xiàn)場總線實(shí)際上就是自控系統(tǒng)中的“互聯(lián)網(wǎng)”。它采用數(shù)字化的通信技術(shù)使自控系統(tǒng)有機(jī)地加入到火電廠信息網(wǎng)中，形成工廠底層網(wǎng)絡(luò)，使電廠信息溝通的范圍能夠向下延伸到生產(chǎn)現(xiàn)場。現(xiàn)場設(shè)備通過一定標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議將現(xiàn)場設(shè)備和控制系統(tǒng)地結(jié)合在一起，就象是為現(xiàn)場設(shè)備和控制系統(tǒng)完成了一種公共的數(shù)字化的語言，只要使現(xiàn)場設(shè)備和控制系統(tǒng)都能理解和運(yùn)用這種語言，它們之間就能夠進(jìn)行良好的信息溝通，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的互相操作。
　　
　　由于現(xiàn)場總線用全數(shù)字的雙向通信代替了傳統(tǒng)的4—20mA模擬信號，原先的點(diǎn)對點(diǎn)接線方式如今可以改變成用一根通信電纜同時(shí)連接多臺設(shè)備，并且還能通過總線對設(shè)備進(jìn)行供電，因此現(xiàn)場總線能夠極大的簡化布線和降低初裝成本，現(xiàn)場總線還使現(xiàn)場段的控制得到加強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)控制功能的*分散。
　　
　　現(xiàn)場總線充分集成了智能設(shè)備所提供豐富的現(xiàn)場信息，如設(shè)備故障診斷和配置信息等，系統(tǒng)維護(hù)人員能夠準(zhǔn)確迅速及時(shí)地了解生產(chǎn)現(xiàn)場和設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，一旦發(fā)生故障就能夠迅速排除，甚至還能夠發(fā)現(xiàn)潛在的故障，預(yù)先消除隱患，而DCS是不能對就地設(shè)備進(jìn)行故障診斷的，這也是FCS優(yōu)于DCS之處。
　　
　　2、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
　　
　　現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)與常規(guī)控制系統(tǒng)及DCS系統(tǒng)在系統(tǒng)構(gòu)成功能、控制策略等方面有許多類似之處，如一個(gè)簡單的單網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)其基本構(gòu)成元素為測量變送單元，操作執(zhí)行單元如圖3
　　而現(xiàn)場總線系統(tǒng)的zui大特點(diǎn)在于它的控制單元在物理位置上可與測量變送單元及操作執(zhí)行單元合為一體，因而可以在現(xiàn)場智能設(shè)備溝通、綜合信息，便于構(gòu)成多個(gè)變量參與的復(fù)雜控制系統(tǒng)與測量系統(tǒng)。另外，由于現(xiàn)場總線儀表的數(shù)字通信特點(diǎn)，使它不僅可以傳遞測量的數(shù)值信息還可以傳遞設(shè)備標(biāo)識、運(yùn)行狀態(tài)、故障診斷狀態(tài)等信息，因而可以構(gòu)成智能儀表的設(shè)備資源管理系統(tǒng)。
　　
　　以火電廠鍋爐汽包水位為例，介紹現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)在設(shè)計(jì)、安裝、運(yùn)行方面的特點(diǎn)。如圖4示汽包水位的三沖量控制系統(tǒng)是經(jīng)常被采用的經(jīng)典控制方案。　　
　　方案選定后，就可以開始設(shè)計(jì)。
　　
　　（1）根據(jù)控制方案選擇必需的現(xiàn)場智能儀表

         一個(gè)經(jīng)典的三沖量水位控制系統(tǒng)需要一個(gè)液位變送器；蒸汽流量、給水流量兩個(gè)流量變送器，一個(gè)給水調(diào)節(jié)閥。現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)同樣也需要這些變送器、執(zhí)行器。對一般模擬儀表控制系統(tǒng)來說，由于汽包水位、蒸汽流量、給水流量、測量信號本身波動(dòng)頻繁，需阻尼器對測量信號進(jìn)行預(yù)處理。按工廠常規(guī)采用的孔板加差壓變送器測量流量的方法，要使測量信號與流量成線性關(guān)系，需加開方器；此外，還需要形成串級控制的主副兩個(gè)調(diào)節(jié)器等，而現(xiàn)場總線系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)阻尼、開方、加減PID計(jì)算功能*靠嵌入在現(xiàn)場變送器，執(zhí)行器中的功能塊軟件實(shí)現(xiàn)?？蓽p少硬件投資、節(jié)省安裝工時(shí)與線纜。
　　
　?。?）選擇計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)配件
　　
　　為了滿足現(xiàn)場智能設(shè)備組態(tài)、運(yùn)行、操作的要求，一般還需要選擇一臺或多臺能與現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)連接的計(jì)算機(jī)，隨著工業(yè)PC機(jī)已在控制領(lǐng)域的日趨普及，許多不同通信協(xié)議的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)都采用安插在PC總線槽中的PC現(xiàn)場總線接口板，把工業(yè)PC機(jī)與現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)，連接為能完成組態(tài)、運(yùn)行操作等功能的完整的控制與網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)PC現(xiàn)場總線接口板，可有幾個(gè)現(xiàn)場總線通道，能把幾條現(xiàn)場總線網(wǎng)段集成在一起。電源、終端器、纜線等，也是現(xiàn)場總線系統(tǒng)的基本硬件如圖5所示：　　
　　圖中5臺計(jì)算機(jī)主要是為安全冗余而設(shè)置，PCI接口卡有四個(gè)通道，每個(gè)PCI接口卡與4條總網(wǎng)段相接。
　　
　　另一種更加適用的方法是設(shè)計(jì)某種通信控制器，其一側(cè)與現(xiàn)場總線網(wǎng)段連接，另一側(cè)按通常采用的PC機(jī)聯(lián)網(wǎng)方式，如通過以太網(wǎng)方式，采用TCP／IP通信協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)BIOS協(xié)議，完成現(xiàn)場總線網(wǎng)段與PC機(jī)之間的信息交換。　　
　　為了優(yōu)化通信，減少信號的往返傳遞，盡可能將同一控制系統(tǒng)中信號相關(guān)的現(xiàn)場設(shè)備就近安排在同一總線段上。除了上面提到的水位、流量變送器、給水調(diào)節(jié)閥等，由于鍋爐控制系統(tǒng)中還有用于聯(lián)鎖系統(tǒng)開關(guān)量控制的PLC。它也需要與現(xiàn)場變送器等交換信息，可采用PLC與現(xiàn)場總線網(wǎng)段接口，使PLC成為現(xiàn)場總線網(wǎng)段的節(jié)點(diǎn)成員。
　　
　　（3）選擇開發(fā)組態(tài)軟件和控制操作人員的人機(jī)接口軟件MMI
　　
　　組態(tài)軟件是現(xiàn)場總線系統(tǒng)中的特色軟件。它要負(fù)責(zé)完成以下任務(wù)。
　　
　　a．在應(yīng)用軟件的界面上選中連接的現(xiàn)場總線設(shè)備。
　　
　　b．以所選設(shè)備分配信號。
　　
　　c．從設(shè)備的功能庫中選擇功能塊。
　　
　　d．實(shí)現(xiàn)功能塊鏈接。
　　
　　e．按應(yīng)用要求為功能塊賦予特征參數(shù)。
　　
　　f．對現(xiàn)場設(shè)備下載組套信息。
　　
　?。?）根據(jù)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制策略所需功能塊以及智能現(xiàn)場設(shè)備具備的功能塊庫的條件，分配功能塊所在位置。
　　
　　具體到三沖量水位控制系統(tǒng)，功能塊分配方案如下：
　　
　　a．汽包液位變送器內(nèi)，選用AI模擬輸入功能塊，主調(diào)節(jié)器PID功能塊。
　　
　　b．給水流量變送器內(nèi)，選用AI模擬輸入功能塊，求和算法功能塊。
　　
　　c．蒸汽流量變送器內(nèi)，選用AI模擬輸入功能塊。
　　
　　d．閥門定位器內(nèi)，選用副調(diào)節(jié)器PID功能塊、AO輸出功能塊，并實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場總線功能塊至調(diào)節(jié)閥門的氣壓轉(zhuǎn)換。
　　
　　（5）通過組態(tài)軟件，完成功能塊的連接
　　
　　圖7所示：功能塊的分布與連接　　
　　按三沖量的控制系統(tǒng)圖和功能塊分配方案，功能塊組套連接，如圖水位變送器的位號LTl01、蒸汽、給水變送器的位號分別為FTl02、FTl03，給水調(diào)節(jié)閥的位號為FVl01。
　　
　　BK—CALin：閥位反饋信號的輸入。
　　
　　BK—CALout：閥位反饋信號的輸出
　　
　　CAS—IN：表示串級輸入
　　
　　（6）通過功能塊的特征化，為每個(gè)功能塊確定相應(yīng)參數(shù)

        通過組態(tài)決定其AI功能塊的特征參數(shù)，如測量輸入范圍，輸出量程，工程單位、濾波時(shí)間，是否需要開方處理等。
　　
　?。?）網(wǎng)絡(luò)組態(tài)
　　
　　由于現(xiàn)場總線是底層網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)組態(tài)的范圍包括現(xiàn)場總線網(wǎng)段，也包括作為人機(jī)接口操作界面的PC機(jī)及與其相接的網(wǎng)段。
　　
　　（8）組態(tài)的zui后操作是下載組態(tài)信息，即將組態(tài)信息的代碼送到相應(yīng)的現(xiàn)場設(shè)備，并啟動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行。
　　
　　通過上述方法完成了現(xiàn)場總線的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
　　
　　3、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的軟件
　　
　　軟件由以下幾部分組成：
　　
　?。?）組態(tài)軟件（2）維護(hù)軟件（3）仿真軟件（4）現(xiàn)場設(shè)備管理軟件（5）監(jiān)控軟件
　　
　　4、OPC簡介
　　
　　在設(shè)計(jì)好控制系統(tǒng)以后，我要提到OPC技術(shù)。
　　
　　OPC—OLEforProcessControl的縮寫，意為過程控制中的對象鏈接嵌入技術(shù)。這是一項(xiàng)技術(shù)規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)，OPC作為自動(dòng)化系統(tǒng)中現(xiàn)場設(shè)備與工廠辦公管理的應(yīng)用程序之間的有效聯(lián)絡(luò)工具。使辦公室與生產(chǎn)部門之間的數(shù)據(jù)交換簡捷化、標(biāo)準(zhǔn)化。
　　
　　我們知道，把不同制造商的部件集成到一起是件麻煩事，需要為每個(gè)部件專門開發(fā)驅(qū)動(dòng)或服務(wù)程序。還需要把這些由制造商提供的驅(qū)動(dòng)或服務(wù)程序與應(yīng)用程序起來。OPC的作用就是服務(wù)器／客戶的鏈接提供統(tǒng)一，標(biāo)準(zhǔn)的接口規(guī)范，zui后應(yīng)形成如圖所示：
　　5、結(jié)束語
　　
　　現(xiàn)場總線技術(shù)正逐漸被電廠應(yīng)用，如浙江的半山電廠，用了部分的現(xiàn)場總線技術(shù)已獲得成功，希望以后在火電廠中應(yīng)用更加廣泛。
　　
　　各廠商已開發(fā)出的現(xiàn)場總線設(shè)備如：3051變送器、伯納德的執(zhí)行器已具備了此種功能。
　　
　　作為電廠歡迎更多的具有現(xiàn)場總線功能的設(shè)備應(yīng)用到現(xiàn)場，對于減少設(shè)備的故障率，降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，特別是對于實(shí)現(xiàn)輔助車間的集中控制，提高火力發(fā)電廠的自動(dòng)化水平大有益處。