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隨著電力行業(yè)的技術(shù)進步，化工行業(yè)自動化水平日益提高，國內(nèi)各大化工廠紛紛將配電自動化系統(tǒng)納入DCS（集散控制系統(tǒng)）中，實現(xiàn)監(jiān)控一體化管理。由于DCS主要是以實現(xiàn)化工生產(chǎn)過程自動化為目的，而對電氣系統(tǒng)自動化考慮較少。而僅僅將電氣系統(tǒng)的部分信息如電機電流及運行信號等以“硬接線”的形式送入DCS中而實現(xiàn)簡單的監(jiān)測和啟、?？刂频姆桨福且环N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)場總線技術(shù)的日益發(fā)展，上述問題得到了很好地解決。在某化工廠中的工程實例簡單介紹現(xiàn)場總線技術(shù)在化工行業(yè)的低壓配電自動化系統(tǒng)中的應(yīng)用。
2. 現(xiàn)場總線技術(shù)的定義、結(jié)構(gòu)及特點
2.1 現(xiàn)場總線技術(shù)概念
現(xiàn)場總線技術(shù)概念：現(xiàn)場總線是安裝在生產(chǎn)過程區(qū)域的現(xiàn)場設(shè)備/儀表與控制室內(nèi)的自動控制裝置/系統(tǒng)之間的一種串行、數(shù)字式、多點通信的數(shù)據(jù)總線。即現(xiàn)場總線是以單個分散的、數(shù)字化、智能化的測量和控制設(shè)備作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，用總線相連接，實現(xiàn)相互交換信息，共同完成自動控制功能的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。
2.2 化工行業(yè)現(xiàn)場總線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)
在一個現(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、車間級和現(xiàn)場級這3個層次，這其中，現(xiàn)場級與車間級自動化監(jiān)控及信息集成是工廠自動化的重要部分。
現(xiàn)場級與車間級自動化監(jiān)控及信息集成系統(tǒng)主要完成底層設(shè)備單機控制、連機控制、通信連網(wǎng)、在線設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測及現(xiàn)場設(shè)備運行、生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集、存儲、統(tǒng)計等功能，保證現(xiàn)場設(shè)備高質(zhì)量完成生產(chǎn)任務(wù)，并將現(xiàn)場設(shè)備生產(chǎn)及運行數(shù)據(jù)信息根據(jù)需要傳送到工廠管理層，同時也可接受工廠管理層下達的生產(chǎn)管理及調(diào)度命令并執(zhí)行之。因此，現(xiàn)場級與車間級監(jiān)控及信息集成系統(tǒng)是實現(xiàn)工廠自動化的基礎(chǔ)。
2.3 現(xiàn)場總線系統(tǒng)的特點及優(yōu)勢
現(xiàn)場總線系統(tǒng)是一個全數(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)場總線系統(tǒng)與傳統(tǒng)的DCS相比，具有以下技術(shù)特點和優(yōu)勢。
2.3.1 全數(shù)字通信
傳統(tǒng)控制系統(tǒng)DCS采用4~20mA的模擬信號傳輸方式。這種傳輸方式一對傳輸電纜只能傳送一路信號。而且，模擬信號在傳輸過程中易被其他信號或環(huán)境噪聲所干擾，傳輸精度不高，控制效果不理想。而現(xiàn)場總線系統(tǒng)采用全數(shù)字信號傳輸。傳輸過程中采用數(shù)字信號的檢錯、糾錯機制，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)靡詫崿F(xiàn)?，F(xiàn)場設(shè)備的測量、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)備運行狀態(tài)等都可以通過一對傳輸線送到現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)上的任何智能設(shè)備，從而消除了模擬信號傳輸?shù)钠款i。
2.3.2 控制分散
現(xiàn)場總線系統(tǒng)采用全分散式控制。現(xiàn)場智能終端設(shè)備，既有測量、采集、保護、變換、信號處理等功能，也有邏輯運算和控制功能。通過現(xiàn)場總線，將復(fù)雜的控制任務(wù)進行分解，分散下放于現(xiàn)場設(shè)備中，由現(xiàn)場智能終端設(shè)備構(gòu)成控制回路，實現(xiàn)對各對象的控制。和傳統(tǒng)的DCS控制系統(tǒng)相比，現(xiàn)場總線系統(tǒng)簡化了系統(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)場總線采用統(tǒng)一的協(xié)議標準，是開放式的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，對用戶是透明的，不同廠家產(chǎn)品只要使用同一總線標準，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)中進行操作，簡化了系統(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)備的連接都是一對一的，而現(xiàn)場總線是多分支結(jié)構(gòu)，其網(wǎng)絡(luò)拓撲可為總線型、星型、樹型等多種形式。這種多分支結(jié)構(gòu)使得布線簡單、工程安裝周期縮短、運行維護方便，并能節(jié)省投資。這種結(jié)構(gòu)還具有較強的系統(tǒng)擴展性，對于新增的設(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。
2.3.5 現(xiàn)場設(shè)備狀態(tài)可控
通過現(xiàn)場總線，現(xiàn)場設(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、診斷和驗證數(shù)據(jù)等。操作人員在控制室里就可以對這些信息進行維護和驗證數(shù)據(jù)等。操作人員在控制室里就可以對這些信息進行維護和管理，對現(xiàn)場設(shè)備進行參數(shù)整定，并實時地進行性能維護。當設(shè)備參數(shù)、狀態(tài)發(fā)生變化時，操作人員能提前對該設(shè)備進行預(yù)處理，可減少事故發(fā)生。故障發(fā)生后，報警機制會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)的可靠性和可維護性。
2.3.6 降低了系統(tǒng)及工程成本
對大范圍、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)工程費用，降低了系統(tǒng)及工程成本。
3. 基于現(xiàn)場總線技術(shù)的低壓配電自動化系統(tǒng)的應(yīng)用
如今，現(xiàn)場總線技術(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化系統(tǒng)，采用基于現(xiàn)場總線技術(shù)的ACREL-2000監(jiān)控系統(tǒng)，已投入運行，運行狀況良好。下文以該配電自動化系統(tǒng)為例，簡述現(xiàn)場總線技術(shù)在行業(yè)內(nèi)低壓配電自動化系統(tǒng)中的應(yīng)用。
3.1 系統(tǒng)簡介
2000型電力監(jiān)控系統(tǒng)軟件借助了計算機、通信設(shè)備、計量保護裝置等，為系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)采集、開關(guān)狀態(tài)監(jiān)測及遠程控制提供了基礎(chǔ)平臺。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，主要包括實時歷史數(shù)據(jù)庫AcrSpace、工業(yè)自動化組態(tài)軟件AcrControl、電力自動化軟件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)
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)場監(jiān)控層）三部分組成
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， 同時能通過MODBUS SERVER 和OPC方式實現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的上傳， 實現(xiàn)資源共享。站控層通過位于通信層的工業(yè)以太網(wǎng)交換機與現(xiàn)場中的通信服務(wù)器或通信網(wǎng)關(guān)進行數(shù)據(jù)交換。
通信層除了有一個工業(yè)以太網(wǎng)交換機外，還在每個設(shè)備層總線分支處設(shè)立了一個通信服務(wù)器或網(wǎng)關(guān)，用來將現(xiàn)場的總線協(xié)議轉(zhuǎn)為以太網(wǎng)協(xié)議。在保護裝置分支中還使用了ACRHMI通信管理機，ACRHMI是用于實現(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，使用實時嵌入式操作系統(tǒng)和系統(tǒng)工程運行軟件，具有良好的人機界面，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)場總線技術(shù)有機地連接起來。
現(xiàn)場監(jiān)控層采用包括ARD系列智能馬達控制器、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)場總線通信實現(xiàn)與通信網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)交換。
現(xiàn)場總線技術(shù)的結(jié)構(gòu)、特點及在化工行業(yè)中的應(yīng)用研究
3.3 系統(tǒng)功能
3.3.1 友好的人機交互界面（HMI）
標準的變配電系統(tǒng)具有CAD一次單線圖顯示中、低壓配電網(wǎng)絡(luò)的接線情況；龐大的系統(tǒng)具有多畫面切換及畫面導(dǎo)航的功能；分散的配電系統(tǒng)具有空間地理平面的系統(tǒng)主畫面。主畫面可直觀顯示各回路的運行狀態(tài)，并具有回路帶電、非帶電及故障著色的功能。主要電參量直接顯示于人機交互界面并實時刷新。
3.3.2 用戶管理
貝加萊監(jiān)控系統(tǒng)軟件可對不同級別的用戶賦予不同權(quán)限，從而保證系統(tǒng)在運行過程中的安全性和可靠性。如對某重要回路的合/分閘操作，需操作員級用戶輸入操作口令外，還需工程師級用戶輸入確認口令后方可完成該操作。
3.3.3 數(shù)據(jù)采集處理
貝加萊監(jiān)控系統(tǒng)可實時和定時采集現(xiàn)場設(shè)備的各電參量及開關(guān)量狀態(tài)（包括三相電壓、電流、功率、功率因數(shù)、頻率、電能、溫度、開關(guān)位置、設(shè)備運行狀態(tài)等），將采集到的數(shù)據(jù)或直接顯示、或通過統(tǒng)計計算生成新的直觀的數(shù)據(jù)信息再顯示（總系統(tǒng)功率、負荷大值、功率因數(shù)上下限等），并對重要的信息量進行數(shù)據(jù)庫存儲。
3.4 系統(tǒng)優(yōu)點
（1）由于采用數(shù)字雙向通信，一對雙絞線或光纖完成諸多的信號傳輸功能，使得在該環(huán)節(jié)中的電纜、橋架、接線端子的用量減少到幾乎為零，因此相應(yīng)的安裝工作量也大大減少。
（2）間隔層設(shè)備采用智能終端設(shè)備，電流、電壓等信號在現(xiàn)場就就行高精度的AD變換，再以數(shù)字量的形式送入系統(tǒng)中，從而省略了變送器等中間變換環(huán)節(jié)，使系統(tǒng)采集的信號精度大大提高，節(jié)省了投資。
（3）智能終端設(shè)備還能在間隔層實現(xiàn)大量的邏輯、計算功能，可將許多以前在DCS中完成的工作下放到間隔層完成，實現(xiàn)真正意義上的分散控制，提高了系統(tǒng)的可靠性，而且系統(tǒng)可采集的信息量大大增加，操作人員在控制室就能實現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)對現(xiàn)場設(shè)備的在線監(jiān)視、診斷、校驗和參數(shù)整定。
（4）在工程建設(shè)中，由于系統(tǒng)組態(tài)簡單，安裝、運行、維修方便，分步調(diào)試能較快完成并及時投運。
3.5 系統(tǒng)部分界面
現(xiàn)場總線技術(shù)的結(jié)構(gòu)、特點及在化工行業(yè)中的應(yīng)用研究
電壓、電流波形計數(shù)值顯示界面，以及棒圖、餅圖的顯示
現(xiàn)場總線技術(shù)的結(jié)構(gòu)、特點及在化工行業(yè)中的應(yīng)用研究
配電自動化系統(tǒng)采用現(xiàn)場總線方式進入化工廠計算機控制系統(tǒng)，充分發(fā)揮了智能電器的作用，改變過去只有重要電氣量才能進入計算機系統(tǒng)的情況，使配電自動化系統(tǒng)運行更加安全可靠和便于維護，同時取消變送器，減少計算機I/O卡件，減少電纜工程量，便于分步調(diào)試和投運，有利于配電自動化系統(tǒng)的科學運行維護，降低了投資。相信該技術(shù)會在行業(yè)內(nèi)得到更廣泛的應(yīng)用和深遠的發(fā)展。
