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【W(wǎng)ord版本下載可任意編輯】現(xiàn)場總線技術的優(yōu)點優(yōu)勢及應用設計方案分析1、現(xiàn)場總線系統(tǒng)概述

隨著控制技術、計算機技術和通信技術的飛速發(fā)展,數(shù)字化技術正在從工業(yè)生產(chǎn)過程的決策層、管理層、監(jiān)控層和控制層滲透到現(xiàn)場設備,這樣就產(chǎn)生了現(xiàn)場總線技術以及由此組成的控制系統(tǒng)—現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS,F(xiàn)ieldbusControlSystem)。自現(xiàn)場總線技術在90年代后期問世以來,它就已經(jīng)開創(chuàng)了自動化控制技術的新紀元—數(shù)字時代。目前現(xiàn)場總線技術已經(jīng)在國內(nèi)化工、石化、冶金、建材、醫(yī)藥等工業(yè)過程中開始了成功的應用并取得了顯著的效益。

在國內(nèi),現(xiàn)場總線在火電廠機組控制方面已有局部使用,但還沒有在全廠使用現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的范例。簽與此,我們在某電廠機組重要程度相對較低的鍋爐補給水處理、工業(yè)廢水處理、循環(huán)水處理系統(tǒng)(以下簡稱主廠房外水系統(tǒng))采用現(xiàn)場總線技術開展控制,作為FCS應用的嘗試與研究。

2、現(xiàn)場總線技術

根據(jù)國際電工委員會IEC61158標準的定義:安裝在制造或生產(chǎn)過程區(qū)域的現(xiàn)場裝置與控制自動控制裝置之間的數(shù)字式、串行、雙向、多點通信的數(shù)據(jù)總線稱為現(xiàn)場總線。由現(xiàn)場總線與現(xiàn)場智能設備組成的控制系統(tǒng)稱為現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS。

衡量一個控制系統(tǒng)是否為真正的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS有三個關鍵要點,即:、根底和本質(zhì)。FCS的是總線協(xié)議,只有遵循現(xiàn)場總線協(xié)議的控制系統(tǒng),才能稱為現(xiàn)場總線控制系統(tǒng);FCS的根底是數(shù)字智能現(xiàn)場儀表,它是FCS的硬件支撐;FCS的本質(zhì)是信息處理現(xiàn)場化,這是FCS的系統(tǒng)效能表達?,F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)是一種全計算機、全數(shù)字、雙向通信的新型控制系統(tǒng)?,F(xiàn)場設備級的數(shù)字化、網(wǎng)絡化是電廠信息化管理的根底。

現(xiàn)場總線技術開發(fā)的出發(fā)點就是要為用戶提供開放的、具有可互操作性、可互換性和統(tǒng)一標準的測量和控制產(chǎn)品,以現(xiàn)場總線技術為根底的FCS的優(yōu)越性概括起來有以下幾方面:互操作性、分散性、可靠性、性、開放性、經(jīng)濟性、可維護性。

1999年底IECTC65(負責工業(yè)測量和控制的第65標準化委員會)通過了8種類型的現(xiàn)場總線作為IEC61158國際標準。20**年8月經(jīng)過修訂制定出10種類型的現(xiàn)場總線標準(第三版),分別為:

各種現(xiàn)場總線是針對不同的應用領域開發(fā)的,不可能采用同一種總線解決所有的工業(yè)控制和過程控制。

在連續(xù)生產(chǎn)的過程自動化領域如石化、化工、電力、冶金等Profibus和FF總線比較適合。下面對Profibus和FF總線分別開展介紹:

Profibus現(xiàn)場總線

PROFIBUS是過程現(xiàn)場總線(ProcessFieldBus)的縮寫。它是IEC61158和IEC61784所規(guī)定的現(xiàn)場總線標準,PROFIBUS由三個兼容部分組成,即PROFIBUS-DP、PROFIBUS-PA和PROFIBUS-FMS。

PROFIBUS-DP是一種高速低成本通訊系統(tǒng),主要應用于自動化系統(tǒng)中單元級和現(xiàn)場級通訊。它按照ISO/OSI參考模型定義了物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和用戶接口,傳輸技術采用RS-485雙絞線電纜和光纜,波特率從9.6kbps到12Mbps;支持單主或多主系統(tǒng)令牌傳輸方式,總線上站點數(shù)為126個。采用雙絞線則通訊距離為1200m(通信速率為93.75kpbs),若采用中繼器可延長至10km。采用光纖則距離可延長至幾十公里且可到達12Mbps的通訊速率。

PROFIBUS-PA專為過程自動化設計,可使變送器與執(zhí)行器連接在一根總線上,并提供本質(zhì)安全和總線供電特性。PROFIBUS-PA采用擴展的PROFIBUS-DP協(xié)議,另外還有現(xiàn)場設備描述的PA行規(guī)。通訊介質(zhì)采用雙絞線,傳輸率為31.25kbps,距離可達1900m。每段多32個站點。

PROFIBUS-FMS定義了主站與主站之間的通訊,根據(jù)ISO/OSI參考模型定義了物理層、鏈路層和應用層,其中應用層包含了現(xiàn)場總線報文規(guī)范FMS(FieldMessageSpecification)和低層接口LLI(LowerLayerInterface),通信速率為12Mbps(通信距離不超過100m)。

FF現(xiàn)場總線

FF現(xiàn)場總線系統(tǒng)由低速H1總線和高速以太網(wǎng)H2組成。其傳輸介質(zhì)為雙絞線。H1總線主要用于生產(chǎn)現(xiàn)場,速率為31.25kbps,兩線制信號傳輸并同時向現(xiàn)場設備供電,具備本質(zhì)安全特征。H2總線主要面向過程控制級、遠程I/O和高速工廠自動化的應用,采用100Mbps高速以太網(wǎng)協(xié)議。

通過上面的介紹可以對Profibus和FF總線相比較,F(xiàn)F較適合連續(xù)量控制(取代4~20mA模擬量),而Profibus較適合離散量控制。Profibus和FF總線在國內(nèi)外電廠均有成功的應用。

3、某電廠機組主廠房外水系統(tǒng)現(xiàn)場總線選取

主廠房外水系統(tǒng)的工藝特點

重要性

各輔助系統(tǒng)(車間)的運行狀況關系到整個電廠的正常運行。某套系統(tǒng)一旦出現(xiàn)問題,必須及時處理,積極聯(lián)絡,合理調(diào)整,否則將影響全廠機組的安全經(jīng)濟運行。

分散性

化學補給水處理系統(tǒng)、凝結(jié)水精處理系統(tǒng)、機組汽水取樣/化學加藥系統(tǒng)、凈水處理系統(tǒng)、廢水處理系統(tǒng)、循環(huán)水加氯控制系統(tǒng)、生活污水處理系統(tǒng)等采用獨立系統(tǒng)(車間),遍布于全廠,相互之間距離較遠。

非連續(xù)性

各輔助系統(tǒng)大都是間歇式運行,即在一定的要求后才開展操作,滿足一定的條件后,系統(tǒng)停止運行,等待下運行。只有凝結(jié)水精處理系統(tǒng)系統(tǒng)需要隨機組長期連續(xù)運行。

開關量控制為主

開關量控制占輔助系統(tǒng)控制的絕大部分,大量的閥門、電磁閥、電動機等要受聯(lián)鎖條件的邏輯控制,主要以設備的狀態(tài)、閥門的開關、電機的啟停、壓力流量和料液位的限值等條件開展控制。模擬量控制集中表達在各加藥控制環(huán)節(jié)上。

運行環(huán)境條件

各輔助系統(tǒng)(車間)運行環(huán)境較復雜,部分車間往往粉塵較大、環(huán)境溫度及濕度變化范圍較大、部分車間有防腐蝕要求、部分車間有防爆要求。

根據(jù)主廠外水系統(tǒng)的控制特點,結(jié)合各現(xiàn)場總線標準的特點及應用領域,在某電廠機組主廠房外水系統(tǒng)選用Profibus-DP和FF現(xiàn)場總線兩種總線解決方案開展控制。

4、某電廠機組主廠房外水系統(tǒng)現(xiàn)場總線設計方案

本工程輔網(wǎng)硬件為艾默生公司的OvaTIon控制系統(tǒng)控制器、Profibus-DP和FF總線接口裝置。下面簡要的對這兩種現(xiàn)場總線模塊開展介紹。

OvaTIon基金會現(xiàn)場總線現(xiàn)場總線模塊

每個OvaTIon控制器可連接多達12只現(xiàn)場總線FF模塊。每只FF模塊可支持2個H1現(xiàn)場總線分支,每個H1現(xiàn)場總線分支可連16只支持總線驅(qū)動的現(xiàn)場智能儀表。OvaTIonFf現(xiàn)場總線模塊可以控制現(xiàn)場智能設備和Ovation控制器之間的通訊。OvationFf現(xiàn)場總線模塊提供了標準的連接端子,使用帶屏蔽的一對雙絞線纜連接現(xiàn)場智能設備,通信和供電都通過這對線纜實現(xiàn)。OvationFf現(xiàn)場總線模塊通過本地I/O總線與Ovation控制器連接。這等同于一個擁有很多通道的超級I/O模件??刂破骺梢韵笫褂闷渌麵/O數(shù)據(jù)一樣將這個模塊的數(shù)據(jù)用在控制邏輯、報警等應用中。

OvationProfibus-DP現(xiàn)場總線模塊

每對控制器多支持12個ProfibusDP現(xiàn)場總線模塊,即24段單主控現(xiàn)場總線分支或者12段冗余主控現(xiàn)場總線分支。Profibus-DP總線采用主從通訊模式。每段總線支持32個從設備,加中繼器時多支持126個設備。

OvationProfibus-DP現(xiàn)場總線模塊作為總線段的主設備而工作。模塊采用標準的RS485傳輸技術。這種傳輸技術一般被稱為H2,可以用于高速傳輸、安裝簡便而且便宜的場合。

Profibus總線支持增加和刪除從設備,可以逐一投運設備,而不影響其他設備的正常運行。未來總線段的擴展也不會影響到正常運行的從設備。Profibus-DP技術基于帶終端器的總線,每個連接器都能提供可切換的終端器功能。Ovation系統(tǒng)一般將這種終端器設置于總線段的兩端。過程信號從DP接口模塊進入Ovation控制器后,可以直接應用于控制策略中,如同傳統(tǒng)的直連式I/O。有些Profibus-DP設備能夠提供診斷信息,可以顯示于專門的診斷窗口,也可以被Ovation系統(tǒng)所使用。

由于本工程在主廠房外水系統(tǒng)確定采用現(xiàn)場總線時,超濾及反滲透設備已經(jīng)招標,廠供的表計不帶總線接口,所以這些表計采用硬接線方式接入控制系統(tǒng)。其他設備按以下原則開展設計:

氣動閥電磁閥箱DO信號,電氣MCC控制DO信號、DI信號、電動閥DO、DI信號采用PROFIBUS-DP總線。電流AI信號,表計AI信號,電動調(diào)節(jié)閥AO、AI采用FF總線。氣動閥門的電磁閥箱采用閥島,其DO信號以現(xiàn)場總線方式接入控制系統(tǒng);MCC采用智能馬達控制器,DO、DI、AI信號以現(xiàn)場總線方式接入控制系統(tǒng)。

本系統(tǒng)控制方案由2層通訊構(gòu)造:上層為操作員站與控制器間的高速工業(yè)以太網(wǎng)通訊;控制器與現(xiàn)場設備之間采用現(xiàn)場總線通訊。考慮到主廠房外水系統(tǒng)的重要性以及系統(tǒng)設備眾多,為該系統(tǒng)配備5對冗余的Ovation控制器,其鍋爐補給水預處理系統(tǒng)1對,鍋爐補給水除鹽處理系統(tǒng)1對,工業(yè)廢水+儲氫1對,循環(huán)水處理2對。

下面以其中一對控制器為例說明各網(wǎng)段的FF總線和Profibus-DP總線的設備連接形式及所采用的總線電纜的型號。FF總線為帶電總線,現(xiàn)場采用“雞爪形”的拓撲構(gòu)造,每個智能現(xiàn)場設備通過FF總線電纜接入FF總線通訊接線盒,接線盒又通過FF總線接入控制柜的FF電源調(diào)節(jié)模塊。

在接線盒中安裝一個現(xiàn)場終端器,該終端器有醒目的標簽,防止因疏忽被拆卸。另一個終端器安裝在主機側(cè)的電源調(diào)節(jié)器內(nèi)。接線盒安裝在就地并盡可能保證設備至接線盒的長度短。FF電纜型號為Belden3076F。

DP總線為不帶電總線,現(xiàn)場設備需要外部供電。本工程DP總線采用總線型拓撲構(gòu)造,每個智能現(xiàn)場設備通過DP9總線連接器(9針D型連接器,第3針腳為正第8針腳為負)接入DP總線,DP9總線連接器插座部分安裝在設備上。DP總線上的單個設備故障不會引起總線故障。在總線的開頭和結(jié)尾都安裝有終端電阻。DP電纜選用的是BeldenYR47052。

5、采用現(xiàn)場總線技術的優(yōu)點總結(jié)

(1)FCS由于信息處理現(xiàn)場化,與DCS相比,可以省去相當數(shù)量的隔離器、端子柜、I/O終端、I/O卡件、I/O文件及I/O柜,同時也節(jié)省了電子設備間面積。

(2)數(shù)字化、智能化的現(xiàn)場儀表和裝置(如傳感器、執(zhí)行器等)不僅僅是替代了4~20mA模擬系統(tǒng),使得原來需要大量電纜開展點到點連接的眾多現(xiàn)場設備信號可通過一根網(wǎng)絡電纜來傳輸,可以顯著減少電纜的使用量,也就相應省去了大量的電纜橋架及電纜敷設,同時也節(jié)省了設計、安裝和維護的費要。

(3)FCS系統(tǒng)將中央控制器的控制功能分散下放到智能的現(xiàn)場裝置中,減少控制器的配置及復雜程度,使得控制器功能與重要性相對減弱,也省去了大量的設計及組態(tài)的工作量。

(4)在現(xiàn)場設備中實現(xiàn)控制功能和設備管理功能,通過數(shù)字通訊,在控制室可以獲得現(xiàn)場設備的諸多信息,如遠方診斷、維護、組態(tài)和標識等,使得這些現(xiàn)場設備的維護檢修可以有計劃的在線開展。更豐富和快捷的診斷數(shù)據(jù)傳輸加強了預維護能力。

(5)提高了,不會在D/A、A/D轉(zhuǎn)換上損失。

(6)系統(tǒng)調(diào)試更加靈活方便??梢愿鶕?jù)需要將系統(tǒng)分為幾個部分分別開展調(diào)試。在開展復雜故障的排除中也可以采用同樣的方法,使控制系統(tǒng)的檔次跨越了一個新臺階。

6、電廠應用現(xiàn)場總線技術遇到的問題

現(xiàn)場總線技術具有一系列的特點,建設數(shù)字化和信息化電廠的呼聲越來越高,但在電力系統(tǒng)投入使用的工程不多。本工程中遇到的問題有:

(1)現(xiàn)場總線標準多,難以選擇。另外,各種現(xiàn)場總線是針對不同的應用領域開發(fā)的,如FF、HART在連續(xù)信號的處理中具有一定的特色,而PROFIBUS、INTERBUS等在開關量信號的處理中又有一定的優(yōu)勢。可見,現(xiàn)場總線自身存在著應用領域的局限性。

(2)支持現(xiàn)場總線標準的智能現(xiàn)場設備的規(guī)格和品種較少,支持總線標準的國產(chǎn)設備更少,尤其是針對電廠開發(fā)的智能設備,不能滿足電廠各的需要。

(3)支持現(xiàn)場總線標準的智能現(xiàn)場設備價

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