現(xiàn)場總線論文

現(xiàn)場總線在電力系統(tǒng)中的研究與應(yīng)用摘要：現(xiàn)代電力系統(tǒng)自動控制的主流還是DCS，經(jīng)過三十多年的發(fā)展，DCS在功能和性能都得到了巨大的提高。總的來說，DCS正在向著更加開放，更加標(biāo)準(zhǔn)化，更加產(chǎn)品化的方向發(fā)展。但伴隨著現(xiàn)場總線技術(shù)在電力系統(tǒng)的應(yīng)用，改變了模擬信號通信及數(shù)字-模擬信號控制的局限性，構(gòu)成數(shù)字化、智能化和多結(jié)點的通信和控制系統(tǒng)。關(guān)鍵詞：DCS現(xiàn)場總線FCS電力系統(tǒng)我所學(xué)專業(yè)是電氣工程及其自動化，選擇研究的方向是電力系統(tǒng)，它是一門自動化非常高的行業(yè)。學(xué)習(xí)《工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)》這門課程已有一段時間了，了解了國際現(xiàn)場總線技術(shù)及其應(yīng)用情況，認(rèn)識到電力系統(tǒng)高度自動化可用“現(xiàn)場總線”這一技術(shù)實現(xiàn)，下面我就對電力系統(tǒng)中現(xiàn)場總線技術(shù)的研究與應(yīng)用作以分析。首先，介紹現(xiàn)場總線（FCS）的概念，它是指安裝在制造或過程區(qū)域的現(xiàn)場裝置與控[1]制室內(nèi)的自動控制裝置之間的數(shù)字式、串行、多點通信的數(shù)據(jù)總線稱為現(xiàn)場總線。世界上已有現(xiàn)場總線100多種，其中宣稱為開放型總線的有40多種，主流的成為國際標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場總線有十幾種。由于市場的驅(qū)動，世界各大控制系統(tǒng)廠家都相繼開發(fā)了各自的現(xiàn)場總線產(chǎn)品，現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)繁多。要想達到開放、兼容、互操作和各總線間互聯(lián)的目的，就必須實行大家都遵守的國際標(biāo)準(zhǔn)。國際IEC/TC65標(biāo)準(zhǔn)化組織為統(tǒng)一現(xiàn)場總線通信協(xié)議，在10多年工作中，通過爭論與妥協(xié)，于1999年12月底通過了8種總線標(biāo)準(zhǔn)的折中方案。這8種總線的類型是：IEC技術(shù)報告（FF即H1）、CONTROLNET、PROFIBUS、P-NET、FFHSE、SWIFTNET、WOLDFIP、INTERBUS，再加上IECTC17B通過的3種現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn)，即SDS[2]、ASI與DeviceNet，還有ISO11898的CAN，共有12種之多。目前，電力系統(tǒng)中自動化控制還是以DCS為主。自20世紀(jì)80年代，DCS（數(shù)字式分散控制系統(tǒng)）開始進入電站自動化控制領(lǐng)域,由于其在安全生產(chǎn)與經(jīng)濟效益等方面帶來的正面作用是以往任何一種控制系統(tǒng)無法與其相提并論的，因此，DCS在電站被廣泛使用。目前300MW以上機組，無論是國產(chǎn)機組還是引進機組，無一例外采用DCS，就連200MW、100MW機組也在使用DCS來進行改造，甚至于一些自備電廠的25MW、12MW的火電機組也采用DCS系統(tǒng)。國際上可用于電廠的先進的DCS均已開發(fā)了與現(xiàn)場總線的接口設(shè)[3]備及相應(yīng)的軟件，DCS系統(tǒng)結(jié)合現(xiàn)場總線系統(tǒng)和現(xiàn)場總線設(shè)備已在火電廠有成功應(yīng)用業(yè)績。下面介紹下其概念：DCS是分布式控制系統(tǒng)的英文縮寫（DistributedControlSystem），在國內(nèi)自控行業(yè)又稱之為集散控制系統(tǒng)。即所謂的分布式控制系統(tǒng)，或在有些資料中稱之為集散系統(tǒng)，是相對于集中式控制系統(tǒng)而言的一種新型計算機控制系統(tǒng)，它是在集中式控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展、演變而來的。它是一個由過程控制級和過程監(jiān)控級組成的以通信網(wǎng)絡(luò)為紐帶的多級計算機系統(tǒng)，綜合了計算機，通信、顯示和控制等4C技術(shù),其基本思想是分散控制、集中操作、分級管理、配置靈活以及組態(tài)方便。下面分別從不同方面對DCS予以介紹：一、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)DCS的骨架—系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。它是DCS的基礎(chǔ)和核心。由于網(wǎng)絡(luò)對于DCS整個系統(tǒng)的時時性、可靠性和擴充性，起著決定性的作用，因此各廠家都在這方面進行了精心的設(shè)計。對于DCS的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)來說，它必須滿足實時性的要求，即在確定的時間限度內(nèi)完成信息的傳送。這里所說的“確定”的時間限度，是指在無論何種情況下，信息傳送都能在這個時間限度內(nèi)完成，而這個時間限度則是根據(jù)被控制過程的實時性要求確定的。多數(shù)廠家的DCS均采用雙總線、環(huán)形或雙重星形的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。為了滿足系統(tǒng)擴充性的要求，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)上可接入的最大節(jié)點數(shù)量應(yīng)比實際使用的節(jié)點數(shù)量大若干倍。其次，這是一種完全對現(xiàn)場I/O處理并實現(xiàn)直接數(shù)字控制（DDC）功能的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。一般一套DCS中要設(shè)置現(xiàn)場I/O控制站，用以分擔(dān)整個系統(tǒng)的I/O和控制功能。這樣既可以避免由于一個站點失效造成整個系統(tǒng)的失效，提高系統(tǒng)可靠性，也可以使各站點分擔(dān)數(shù)據(jù)采集和控制功能，有利于提高整個系統(tǒng)的性能。DCS的操作員站是處理一切與運行操作有[4]關(guān)的人機界面功能的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。二、DCS的結(jié)構(gòu)從結(jié)構(gòu)上劃分，DCS包括過程級、操作級和管理級。過程級主要由過程控制站、I/O單元和現(xiàn)場儀表組成，是系統(tǒng)控制功能的主要實施部分。操作級包括：操作員站和工程師站，完成系統(tǒng)的操作和組態(tài)。管理級主要是指工廠管理信息系統(tǒng)（MIS系統(tǒng)），作為DCS更高層次的應(yīng)用，目前國內(nèi)紙行業(yè)應(yīng)用到這一層的系統(tǒng)較少。DCS的控制程序：DCS的控制決策是由過程控制站完成的，所以控制程序是由過程控制站執(zhí)行的。過程控制站的組成：DCS的過程控制站是一個完整的計算機系統(tǒng)，主要由電源、CPU（中央處理器）、網(wǎng)絡(luò)接口和I/O組成I/O：控制系統(tǒng)需要建立信號的輸入和輸出通道，這就是I/O。DCS中的I/O一般是模塊化的，一個I/O模塊上有一個或多個I/O通道，用來連接傳感器和執(zhí)行器（調(diào)節(jié)閥）。I/O單元：通常，一個過程控制站是有幾個機架組成，每個機架可以擺放一定數(shù)量的模塊。CPU所在的機架被稱為CPU單元，同一個過程站中只能有一個CPU單元，其他只用來擺放I/O模塊的機架就是I/O單元。三、DCS的特點：1、高可靠性由于DCS將系統(tǒng)控制功能分散在各臺計算機上實現(xiàn)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用容錯設(shè)計，因此某一臺計算機出現(xiàn)的故障不會導(dǎo)致系統(tǒng)其它功能的喪失。此外，由于系統(tǒng)中各臺計算機所承擔(dān)的任務(wù)比較單一，可以針對需要實現(xiàn)的功能采用具有特定結(jié)構(gòu)和軟件的專用計算機，從而使系統(tǒng)中每臺計算機的可靠性也得到提高。2、開放性DCS采用開放式、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化和系列化設(shè)計，系統(tǒng)中各臺計算機采用局域網(wǎng)方式通信，實現(xiàn)信息傳輸，當(dāng)需要改變或擴充系統(tǒng)功能時，可將新增計算機方便地連入系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)或從網(wǎng)絡(luò)中卸下，幾乎不影響系統(tǒng)其他計算機的工作。3、靈活性通過組態(tài)軟件根據(jù)不同的流程應(yīng)用對象進行軟硬件組態(tài)，即確定測量與控制信號及相互間連接關(guān)系、從控制算法庫選擇適用的控制規(guī)律以及從圖形庫調(diào)用基本圖形組成所需的各種監(jiān)控和報警畫面，從而方便地構(gòu)成所需的控制系統(tǒng)。4、易于維護功能單一的小型或微型專用計算機，具有維護簡單、方便的特點，當(dāng)某一局部或某個計算機出現(xiàn)故障時，可以在不影響整個系統(tǒng)運行的情況下在線更換，迅速排除故障。5、協(xié)調(diào)性各工作站之間通過通信網(wǎng)絡(luò)傳送各種數(shù)據(jù)，整個系統(tǒng)信息共享，協(xié)調(diào)工作，以完成控制系統(tǒng)的總體功能和優(yōu)化處理。6、控制功能齊全控制算法豐富，集連續(xù)控制、順序控制和批處理控制于一體，可實現(xiàn)串級、前饋、解耦、自適應(yīng)和預(yù)測控制等先進控制，并可方便地加入所需的特殊控制算法[5]。四、DCS的發(fā)展歷程DCS自1975年問世以來，已經(jīng)經(jīng)歷了三十多年的發(fā)展歷程。在這三十多年中，DCS雖然在系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)上沒有發(fā)生重大改變，但是經(jīng)過不斷的發(fā)展和完善，其功能和性能都[6]得到了巨大的提高?？偟膩碚f，DCS正在向著更加開放，更加標(biāo)準(zhǔn)化，更加產(chǎn)品化的方向發(fā)展。作為生產(chǎn)過程自動化領(lǐng)域的計算機控制系統(tǒng)，傳統(tǒng)的DCS僅僅是一個狹義的概念。如果以為DCS只是生產(chǎn)過程的自動化系統(tǒng)，那就會引出錯誤的結(jié)論，因為現(xiàn)在的計算機控制系統(tǒng)的含義已被大大擴展了，它不僅包括過去DCS中所包含的各種內(nèi)容，還向下深入到了現(xiàn)場的每臺測量設(shè)備、執(zhí)行機構(gòu)，向上發(fā)展到了生產(chǎn)管理，企業(yè)經(jīng)營的方方面面。傳統(tǒng)意義上的DCS現(xiàn)在僅僅是指生產(chǎn)過程控制這一部分的自動化，而工業(yè)自動化系統(tǒng)的概念，則應(yīng)定位到企業(yè)全面解決方案，即totalsolution的層次。只有從這個角度上提出問題并解決問題，才能使計算機自動化真正起到其應(yīng)有的作用。DCS的發(fā)展階段：\o"查看圖片"

第一階段：1975-1980年，在這個時期集散控制系統(tǒng)的技術(shù)特點表現(xiàn)為：1）采用微處理器為基礎(chǔ)的控制單元，實現(xiàn)分散控制，有各種各樣的算法，通過組態(tài)獨立完成回路控制，具有自診斷功能2）采用帶CRT顯示器的操作站與過程單元分離，實現(xiàn)集中監(jiān)視，集中操作3）采用較先進的冗余通信系統(tǒng)第二階段1980—1985.，在這個時期集散控制系統(tǒng)的技術(shù)特點表現(xiàn)為：1）微處理器的位數(shù)提高，CRT顯示器的分辨率提高2）強化的模塊化系統(tǒng)3）強化了系統(tǒng)信息管理，加強通信功能第三階段1985年以后，集散系統(tǒng)進入第三代，其技術(shù)特點表現(xiàn)為：1）采用開放系統(tǒng)管理2）操作站采用32位微處理器3）采用實時多用戶多任務(wù)的操作系統(tǒng)五、DCS國內(nèi)外應(yīng)用情況1975年美國最大的儀表控制公司Honeywell首次向世界推出了它的綜合分散控制系統(tǒng)TDC—2000(ToalDistributedControl-2000),這一系統(tǒng)的發(fā)表,立即引起美國工業(yè)控制界高度評價,稱之為“最鼓舞人心的事件”。世界各國的各大公司也紛紛仿效,推出了一個又一個集散系統(tǒng),從此過程控制進入了集散系統(tǒng)的新時期。在此期間有日本橫河公司推出的CENTUM,美國泰勒儀表公司的MOSË,費雪爾公司的DCÉ—400,貝利公司的N—90,?？怂共_公司的Cpectrum和德國西門子公司的Telepermm。隨著計算機特別是微型計算機與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展,加上各制造商的激烈競爭,使DCS很快從70年代的第一代發(fā)展到90年代初的第三代DCS。盡管在這之前的集散系統(tǒng)的技術(shù)水平已經(jīng)很高,但其中存在著一個最主要的弊病是:各大公司推出的幾十種型號的系統(tǒng),幾乎都是該公司的專利產(chǎn)品,每個公司為了保護自身的利益,采用的都是專利網(wǎng)絡(luò),這就為全廠、全企業(yè)的管理帶來問題。隨著計算機的發(fā)展與網(wǎng)絡(luò)開發(fā)使各控制廠商更多地采用商業(yè)計算機的技術(shù),80年代末許多公司推出新一代的集散系統(tǒng),其主要特征是新系統(tǒng)的局部網(wǎng)絡(luò)采用MAP協(xié)議;引用智能變送器與現(xiàn)場總線結(jié)構(gòu);在控制軟件上引入PLC的順序控制與批量控制,使DCS也具有PLC的功能。至90年代初各國知名的DCS有:3000,Bailey的INFI—90,Rosemount的RS—3,WestHoose的WDPF,Leeds&Nonthrup的MAX—1000,Foxboro的IöAS,日本橫河的CENTUM。這里所提到的均為大型的DCS,為了適應(yīng)市場的需要各廠商也開發(fā)了不少中小型的DCS系統(tǒng)如S—9000,MAX—2,LXL,A2PACS等等。與管理類計算機相比，DCS能夠提供更加可靠的生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)，使CIMS系統(tǒng)所作出的優(yōu)化決策也更加可靠。國內(nèi)DCS主要廠家有：上海新華，浙大中控，和利時，浙江威盛，自儀股份、魯能控制，國電智深，上海華文，上海樂華，浙江中自等。國外的有西屋（艾默生）、FOXBORO、ABB、西門子、霍尼韋爾、橫河、羅克韋爾、山武－霍尼韋爾公司、FISHER-ROSEMOUNT公司等[7]。那么，同20世紀(jì)90年代才走向?qū)嵱没?，在自動化領(lǐng)域內(nèi)最為新型的控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）比較，DCS的優(yōu)缺點是什么呢?

DCS與FCS的具體比較如下:（1）DCS系統(tǒng)是個大系統(tǒng)，其控制器功能強而且在系統(tǒng)中的作用十分重要，數(shù)據(jù)公路更是系統(tǒng)的關(guān)鍵，所以必須整體投資一步到位，事后擴容難度較大。而FCS功能下放較徹底，信息處理現(xiàn)場化，廣泛采用的數(shù)字智能現(xiàn)場裝置使得控制器功能與重要性相對減弱。因此，F(xiàn)CS系統(tǒng)投資起點低，可以邊用、邊擴、邊投運。

（2）DCS系統(tǒng)是封閉式系統(tǒng)，各公司產(chǎn)品基本互不兼容。而FCS系統(tǒng)是開放式系統(tǒng)，用戶可以選擇不同廠商、不同品牌的各種設(shè)備連入現(xiàn)場總線，達到最佳的系統(tǒng)集成。

（3）DCS系統(tǒng)的信息全都是二進制或模擬信號形成的，必須有D/A與A/D轉(zhuǎn)換。而FCS系統(tǒng)是全數(shù)字化，免去了D/A與A/D變換，高集成化高性能，使精度可以從±0.5%提高到±0.1%。

（4）FCS系統(tǒng)可以將PID閉環(huán)控制功能裝入變送器或執(zhí)行器中，縮短了控制周期，目前可以從DCS的2～5次/s，提高到FCS的10～20次/s，從而改善調(diào)節(jié)性能。

（5）DCS系統(tǒng)可以控制和監(jiān)視工藝全過程，對自身進行診斷、維護和組態(tài)。但是，由于其自身的致命弱點，其I/O信號采用傳統(tǒng)的模擬量信號，無法在DCS工程師站上對現(xiàn)場儀表（含變送器、執(zhí)行器等）進行遠(yuǎn)方診斷、維護和組態(tài)。FCS系統(tǒng)采用全數(shù)字化技術(shù)，數(shù)字智能現(xiàn)場裝置發(fā)送多變量信息，而不僅僅是單變量信息，并且還具備檢測信息差錯的功能。FCS系統(tǒng)采用雙向數(shù)字通信現(xiàn)場總線信號制。因此，它可以對現(xiàn)場裝置（含變送器、執(zhí)行器等）進行遠(yuǎn)方診斷、維護和組態(tài)。FCS系統(tǒng)這點優(yōu)越性是DCS系統(tǒng)無法[8]比擬的。

通過比較可以看出FCS具有許多DCS無可比擬的優(yōu)點，比如（1）很好的開放性、互操作性和互換性。（2）全數(shù)字通信。（3）智能化與功能自治性。（4）高度分散性。而大家都知道FCS是由DCS發(fā)展而來，現(xiàn)在FCS系統(tǒng)被廣泛的應(yīng)用，那么，DCS前景又將如何？現(xiàn)場總線的應(yīng)用是工業(yè)過程控制發(fā)展的主流之一?？梢哉fFCS的發(fā)展應(yīng)用是自動化領(lǐng)域一場革命。采用現(xiàn)場總線技術(shù)構(gòu)造低成本現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，促進現(xiàn)場儀表的智能化、控制功能分散化、控制系統(tǒng)開放化，符合工業(yè)控制系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展趨勢。總之，計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展在經(jīng)歷了基地式氣動儀表控制系統(tǒng)、電動單元組合式模擬儀表控制系統(tǒng)、集中式數(shù)字控制系統(tǒng)以及集散控制系統(tǒng)（DCS）后，將朝著現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）的方向發(fā)展。雖然以現(xiàn)場總線為基礎(chǔ)的FCS發(fā)展很快，但FCS發(fā)展還有很多工作要做，如統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、儀表智能化等。另外，傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的維護和改造還需要DCS，因此FCS完全取代傳統(tǒng)的DCS還需要一個漫長的過程，同時DCS本身也在不斷的發(fā)展與完善?？梢钥隙ǖ氖?，結(jié)合DCS、工業(yè)以太網(wǎng)、先進控制等新技術(shù)的FC