現場總線系統有什麼特點?在低壓配電自動化系統中現場總線技術有...

現場總線系統有什麼特點？在低壓配電自動化系統中現場總線技術有什麼應用？

工程師黃明星 發表於 2018-07-27 10:45:00

1. 引言

隨著電力行業的技術進步，化工行業自動化水平日益提高，國內各大化工廠紛紛將配電自動化系統納入DCS（集散控制系統）中。

DCS是分布式控制系統的英文縮寫（Distributed Control System），在國內自控行業又稱之為集散控制系統。即所謂的分布式控制系統，或在有些資料中稱之為集散系統，是相對於集中式控制系統而言的一種新型計算機控制系統，它是在集中式控制系統的基礎上發展、演變而來的。它是一個由過程控制級和過程監控級組成的以通信網絡為紐帶的多級計算機系統，綜合了計算機，通信、顯示和控制等4C技術，其基本思想是分散控制、集中操作、分級管理、配置靈活以及組態方便。

實現監控一體化管理。由於DCS主要是以實現化工生產過程自動化為目的，而對電氣系統自動化考慮較少。而僅僅將電氣系統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中而實現簡單的監測和啟、停控制的方案，是一種低層次的融合，將造成投資增加、電氣系統大量原始信息丟失，而電氣系統的控制水平未必得到較大的提高。而隨著現場總線技術的日益發展，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例簡單介紹現場總線技術在化工行業的低壓配電自動化系統中的應用。

2. 現場總線技術的定義、結構及特點

2.1 現場總線技術概念

現場總線技術概念：現場總線是指以工廠內的測量和控制機器間的數字通訊為主的網絡，也稱現場網絡。也就是將傳感器、各種操作終端和控制器間的通訊及控制器之間的通訊進行特化的網絡。原來這些機器間的主體配線是ON/OFF、接點信號和模擬信號，通過通訊的數位化，使時間分割、多重化、多點化成為可能，從而實現高性能化、高可靠化、保養簡便化、節省配線（配線的共享）。

傳統的4-20mA信號連接，信息量有限，嚴重製約了企業信息集成和企業綜合自動化的實現。現場總線技術把孤立的現場級設備帶進了企業信息網絡中。

2.2 化工行業現場總線系統的結構

在一個現代化化工廠大規模的工業生產過程控制中，工業數據結構大體分為工廠級、車間級和現場級這3個層次，這其中，現場級與車間級自動化監控及信息集成是工廠自動化的重要部分。

現場級與車間級自動化監控及信息集成系統主要完成底層設備單機控制、連機控制、通信連網、在線設備狀態監測及現場設備運行、生產數據的採集、存儲、統計等功能，保證現場設備高質量完成生產任務，並將現場設備生產及運行數據信息根據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管理及調度命令並執行之。因此，現場級與車間級監控及信息集成系統是實現工廠自動化的基礎。

下圖為上海安科瑞電氣為某化工廠設計的自動化監控及信息集成系統圖。

2.3 現場總線系統的特點及優勢

現場總線系統是一個全數位化、全分散式、可互操作、開放式互連網絡的控制系統，現場總線系統與傳統的DCS相比，具有以下技術特點和優勢。

2.3.1 全數字通信

傳統控制系統DCS採用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境噪聲所幹擾，傳輸精度不高，控制效果不理想。而現場總線系統採用全數位訊號傳輸。傳輸過程中採用數位訊號的檢錯、糾錯機制，使其具有較高的抗幹擾能力，傳輸精度也得到顯著提高。全數字通信使得多參數傳輸得以實現。現場設備的測量、控制信息以及其他非控制信息如設備類型和參數、整定值、設備運行狀態等都可以通過一對傳輸線送到現場總線網絡上的任何智能設備，從而消除了模擬信號傳輸的瓶頸。

2.3.2 控制分散

現場總線系統採用全分散式控制。現場智能終端設備，既有測量、採集、保護、變換、信號處理等功能，也有邏輯運算和控制功能。通過現場總線，將複雜的控制任務進行分解，分散下放於現場設備中，由現場智能終端設備構成控制迴路，實現對各對象的控制。和傳統的DCS控制系統相比，現場總線系統簡化了系統結構，提高了系統的可靠性、自治性和靈活性。

2.3.3 開放性、互操作性

現場總線採用統一的協議標準，是開放式的網際網路，對用戶是透明的，不同廠家產品只要使用同一總線標準，就具有互操作性、互換性，因此設備具有很好的可集成性。系統為開放式，允許其它廠商將自己專長的控制技術，如控制算法、工藝流程、配方等集成到通用系統中去，因此，不同廠家的網絡產品可以方便地接入同一網絡，集成在同一控制系統中進行操作，簡化了系統集成。而在傳統的DCS中，不同廠家的設備是不能相互訪問的。

2.3.4 多分支結構

傳統控制系統中設備的連接都是一對一的，而現場總線是多分支結構，其網絡拓撲可為總線型、星型、樹型等多種形式。這種多分支結構使得布線簡單、工程安裝周期縮短、運行維護方便，並能節省投資。這種結構還具有較強的系統擴展性，對於新增的設備，只需直接並行掛接即可，無需架設新的電纜，也無需系統停機。

2.3.5 現場設備狀態可控

通過現場總線，現場設備的管理信息大大增加，這些信息包括功能模塊組態、參數狀況、診斷和驗證數據等。操作人員在控制室裡就可以對這些信息進行維護和驗證數據等。操作人員在控制室裡就可以對這些信息進行維護和管理，對現場設備進行參數整定，並實時地進行性能維護。當設備參數、狀態發生變化時，操作人員能提前對該設備進行預處理，可減少事故發生。故障發生後，報警機制會立刻通知操作人員故障發生的部位和設備，從而提高了系統的可靠性和可維護性。

2.3.6 降低了系統及工程成本

對大範圍、大規模I/O的分布式系統來說，省去了大量的電纜、I/O模塊及電纜敷設工程費用，降低了系統及工程成本。

3. 基於現場總線技術的低壓配電自動化系統的應用

如今，現場總線技術已經開始得到較為廣泛的應用。如某化工廠所用低壓配電自動化系統，採用基於現場總線技術的ACREL-2000監控系統，已投入運行，運行狀況良好。下文以該配電自動化系統為例，簡述現場總線技術在行業內低壓配電自動化系統中的應用。

3.1 系統簡介

安科瑞公司的Acrel-2000電力監控系統是基於先進的現場總線方式（FCS），來實現電力系統信息的交換與管理。Acrel-2000電力監控系統藉助現代的網絡技術和計算機技術實時監視電力系統的運行參數（包括：開關狀態，故障狀態和位置，電壓、電流、電度等實時變化的電氣參數，報警信號等）、事件記錄、波形記錄等數據，不斷地傳送至電力監控計算機（以後簡稱監控中心），並可以實施遙控命令，使運行管理人員可以通過監控中心全面了解電力系統的運行工況，準確、快速地判斷故障位置和故障原因，簡便地實現各種數據分析（包括負荷分析，電能消耗分析，電能質量）。對於一些難於判斷的故障，可以通過波形記錄來幫助管理者分析故障原因。

該電力監控系統能夠實現的主要功能包括：系統運行實時監視、電能質量監視、遠程控制和操作記錄、事件報警和記錄、數據採集和歷史數據管理、各種報表列印、電能管理。

3.2 系統結構

Acrel-2000電力監控系統是基於10kV及以下變配電系統的監測與管理，該系統由管理層（站控層）、通信層（中間層）、間隔層（現場監控層）三部分組成，見下圖。

站控層設立主控系統Acrel-2000一套。硬體系統採用工作檯式結構，軟體系統採用基於WIN2000 作業系統的電力監控軟體Acrel-2000， 同時能通過MODBUS SERVER 和OPC方式實現系統數據的上傳， 實現資源共享。站控層通過位於通信層的工業乙太網交換機與現場中的通信伺服器或通信網關進行數據交換。

通信層除了有一個工業乙太網交換機外，還在每個設備層總線分支處設立了一個通信伺服器或網關，用來將現場的總線協議轉為乙太網協議。在保護裝置分支中還使用了ACRHMI通信管理機，ACRHMI是用於實現配電系統的通信處理和設備管理的智能通信單元，其選用了一塊12.1寸高亮度TFT真彩觸控螢幕，使用實時嵌入式作業系統（WinCE.NET）和系統工程運行軟體，具有良好的人機界面，集成了ProfiBus-DP通訊接口和TCP/IPRJ45接口，能將多種設備通過現場總線技術有機地連接起來。

現場監控層採用包括ARD系列智能馬達控制器、ACR系列多功能網絡儀表在內的具備RS485 ProfiBus-DP通訊接口的分布在配電柜上的智能可通訊設備，通過現場總線通信實現與通信網關的數據交換。

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