1. 引言
隨著電力行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步，化工行業(yè)自動(dòng)化水平日益提高，國(guó)內(nèi)各大化工廠紛紛將配電自動(dòng)化系統(tǒng)納入DCS（集散控制系統(tǒng)）中，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控一體化管理。由于DCS主要是以實(shí)現(xiàn)化工生產(chǎn)過程自動(dòng)化為目的，而對(duì)電氣系統(tǒng)自動(dòng)化考慮較少。而僅僅將電氣系統(tǒng)的部分信息如電機(jī)電流及運(yùn)行信號(hào)等以“硬接線”的形式送入DCS中而實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的監(jiān)測(cè)和啟、停控制的方案，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(chǎng)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(shí)例簡(jiǎn)單介紹現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在化工行業(yè)的低壓配電自動(dòng)化系統(tǒng)中的應(yīng)用。
2. 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的定義、結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)
2.1 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)概念
現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)概念：現(xiàn)場(chǎng)總線是安裝在生產(chǎn)過程區(qū)域的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備/儀表與控制室內(nèi)的自動(dòng)控制裝置/系統(tǒng)之間的一種串行、數(shù)字式、多點(diǎn)通信的數(shù)據(jù)總線。即現(xiàn)場(chǎng)總線是以單個(gè)分散的、數(shù)字化、智能化的測(cè)量和控制設(shè)備作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，用總線相連接，實(shí)現(xiàn)相互交換信息，共同完成自動(dòng)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(chǎng)總線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)
在一個(gè)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(jí)、車間級(jí)和現(xiàn)場(chǎng)級(jí)這3個(gè)層次，這其中，現(xiàn)場(chǎng)級(jí)與車間級(jí)自動(dòng)化監(jiān)控及信息集成是工廠自動(dòng)化的重要部分。
現(xiàn)場(chǎng)級(jí)與車間級(jí)自動(dòng)化監(jiān)控及信息集成系統(tǒng)主要完成底層設(shè)備單機(jī)控制、連機(jī)控制、通信連網(wǎng)、在線設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)及現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行、生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、統(tǒng)計(jì)等功能，保證現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備高質(zhì)量完成生產(chǎn)任務(wù)，并將現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備生產(chǎn)及運(yùn)行數(shù)據(jù)信息根據(jù)需要傳送到工廠管理層，同時(shí)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(chǎng)級(jí)與車間級(jí)監(jiān)控及信息集成系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)工廠自動(dòng)化的基礎(chǔ)。
下圖為上海安科瑞電氣為某化工廠設(shè)計(jì)的自動(dòng)化監(jiān)控及信息集成系統(tǒng)圖。
2.3 現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)
現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)是一個(gè)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(chǎng)總線系統(tǒng)與傳統(tǒng)的DCS相比，具有以下技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。
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(hào)傳輸方式。這種傳輸方式一對(duì)傳輸電纜只能傳送一路信號(hào)。而且，模擬信號(hào)在傳輸過程中易被其他信號(hào)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(chǎng)總線系統(tǒng)采用全數(shù)字信號(hào)傳輸。傳輸過程中采用數(shù)字信號(hào)的檢錯(cuò)、糾錯(cuò)機(jī)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?shí)現(xiàn)。現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的測(cè)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(yùn)行狀態(tài)等都可以通過一對(duì)傳輸線送到現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)上的任何智能設(shè)備，從而消除了模擬信號(hào)傳輸?shù)钠款i。
2.3.2 控制分散
現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)采用全分散式控制。現(xiàn)場(chǎng)智能終端設(shè)備，既有測(cè)量、采集、保護(hù)、變換、信號(hào)處理等功能，也有邏輯運(yùn)算和控制功能。通過現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)設(shè)備中，由現(xiàn)場(chǎng)智能終端設(shè)備構(gòu)成控制回路，實(shí)現(xiàn)對(duì)各對(duì)象的控制。和傳統(tǒng)的DCS控制系統(tǒng)相比，現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)簡(jiǎn)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(chǎng)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(duì)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(zhǎng)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(jiǎn)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(duì)一的，而現(xiàn)場(chǎng)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(jiǎn)單、工程安裝周期縮短、運(yùn)行維護(hù)方便，并能節(jié)省投資。這種結(jié)構(gòu)還具有較強(qiáng)的系統(tǒng)擴(kuò)展性，對(duì)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(jī)。
2.3.5 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備狀態(tài)可控
通過現(xiàn)場(chǎng)總線，現(xiàn)場(chǎng)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(yàn)證數(shù)據(jù)等。操作人員在控制室里就可以對(duì)這些信息進(jìn)行維護(hù)和驗(yàn)證數(shù)據(jù)等。操作人員在控制室里就可以對(duì)這些信息進(jìn)行維護(hù)和管理，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行參數(shù)整定，并實(shí)時(shí)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(shí)，操作人員能提前對(duì)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(bào)警機(jī)制會(huì)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(duì)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(fèi)用，降低了系統(tǒng)及工程成本。
3. 基于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的低壓配電自動(dòng)化系統(tǒng)的應(yīng)用
如今，現(xiàn)場(chǎng)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(dòng)化系統(tǒng)，采用基于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的ACREL-2000監(jiān)控系統(tǒng)，已投入運(yùn)行，運(yùn)行狀況良好。下文以該配電自動(dòng)化系統(tǒng)為例，簡(jiǎn)述現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在行業(yè)內(nèi)低壓配電自動(dòng)化系統(tǒng)中的應(yīng)用。
3.1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介
安科瑞的Acrel-2000型電力監(jiān)控系統(tǒng)軟件借助了計(jì)算機(jī)、通信設(shè)備、計(jì)量保護(hù)裝置等，為系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、開關(guān)狀態(tài)監(jiān)測(cè)及遠(yuǎn)程控制提供了基礎(chǔ)平臺(tái)。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(shí)時(shí)歷史數(shù)據(jù)庫(kù)AcrSpace、工業(yè)自動(dòng)化組態(tài)軟件AcrControl、電力自動(dòng)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(cè)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(chǎng)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(tái)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(shí)能通過MODBUS SERVER 和OPC方式實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的上傳, 實(shí)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(jī)與現(xiàn)場(chǎng)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(gè)工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)外，還在每個(gè)設(shè)備層總線分支處設(shè)立了一個(gè)通信服務(wù)器或網(wǎng)關(guān)，用來將現(xiàn)場(chǎng)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(jī)，ACRHMI是用于實(shí)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(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)（WinCE.NET）和系統(tǒng)工程運(yùn)行軟件，具有良好的人機(jī)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(chǎng)總線技術(shù)有機(jī)地連接起來。
現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)總線通信實(shí)現(xiàn)與通信網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)交換。