DCS及现场总线
——课程设计
论文（设计）题目：现场总线控制技术在电厂
中的应用研究
院－系：工学院—自动化系
专业：电气工程及其自动化2班
年级： 2007级
学生姓名：李建良
任课教师：艾莉
日期： 2010年12月20日
目录
引言
1.现场总线技术特征
2.基于现场总线的电厂综合自动化系统构成2.1 现场控制层
2.2 监控层
2.3组态原则
2.3.1 FF现场总线
2.3.2 Profibus-DP型现场总线
2.4现场总线控制系统范围
2.5 企业管理层
3.在电厂应用中存在的问题
3.1 适应控制技术发展的需要
3.2 标准统一的问题
3.3 了解、研究每种现场总线的应用特点3.4 冗余方式的考虑
3.5 现场智能仪表的功能设计
3.6现场总线噪音问题
3.7维修成本较高
3.8对机组保护设计应重点考虑
4.现状及发展前景
引言
按照国际电工委员会IEC／SC65C的定义，安装在制造或过程区域的现场设备与控制室内的自控装置之间的数字式、串行和多点通信的数据总线称为现场总线。以现场为基础形成的网络集成式全分布控制系统称为现场总线控制系统（FCS）。由于它适应了控制系统向分散化、网络化、智能化发展的方向，给自动化系统的最终用户带来了更大的实惠和方便。自其出现之日起就受到广泛关注，迅速成为世界范围内控制技术的热点，并促使目前生产的自动化仪表、PLC、DCS产品面临体系结构、功能等方面的重大改变，导致自动化产品又一次面临更新换代。自20世纪80年代中期提出现场总线概念以来，国外各大知名公司已相继开发了数十种现场总线产品，如FF、Profibus、Lon和LonWorks技术、InterBus、CAN 等，并成功地应用在石油、汽车等不同的生产领域，取得了良好的经济效益，推动了控制技术的不断发展。
随着国家电力体制改革的深入，实行厂网分开、竞价上网的政策，电厂为提高经济效益，增强竞争力，需要进行生产经营的整体优化，把生产过程、企业管理、市场营销等各个环节组织为一个系统，从全局角度制定各功能层次的实施策略，实现一体化目标下的综合自动化。长期以来，困扰这一发展的主要问题是工业自动化“信息孤岛”问题。现场总线的出现，彻底打破了这么多年来从未解决的格局，它为控制网络与以传输信息和资源共享为主的信息网络的连接提供了方便，为电厂构建管控一体化的综合自动化系统铺平了道路。
1 现场总线技术特征
现场总线完整地实现了控制技术、计算机技术与通信技术的集成，具有以下几项技术特征：
（1）现场设备已成为以微处理器为核心的数字化设备，彼此通过传输媒体（双绘线、同轴电缆或光纤）以总线拓扑相连；
（2）网络数据通信采用基带传输（即数字数据数字传输），数据传输速率高（为Mbit/s或10Mbit/s级），实时性好，抗干扰能力强；
（3）废气了集散控制系统（DCS）中的I/O控制站，将这一级功能分配给通信
网络完成；
（4）分散的功能模块，便于系统维护、管理与扩展，提高可靠性；
（5）开放式互连结构，既可与同层网络相连，也可通过网络互连设备与控制级网络或管理信息级网络相连；
（6）互操作性，在遵守同一通信协议的前提下，可将不同厂家的现场设备产品统一组态，构成所需要的网络。
2 基于现场总线的电厂综合自动化系统构成
不同厂家的产品在系统构成上各有不同之处。电厂热工控制系统中所使用的仪表设备、连接方式和通信协议的不同，给系统的兼容性、可扩展性、稳定性、维护等带来了很大的困难。为了使现场总线具有开放性，便于用户选择不同的产品，我们按照国际电工委员会（IEC）制定的IEC61158国际标准，提出了基于现场总线的电厂综合自动化系统体系结构。此系统体系结构分为3层，从低到高分别为现场控制层、监控层和企业管理层。
2.1 现场控制层
现场控制层由现场设备和控制网络段组成。H1层网络是在FF现场总线的H1层基础上定义的低速现场级网络，低速总线H1支持点对点连接、总线型、菊花链型、树型拓扑结构，主要用于连接现场智能仪表，如压力、温度、液位、流量等变送器及其执行机构等。 H1采用IEC1158-2的数字式、位同步、曼彻斯特编码传输数据协议，通信速率为31.25kbps（电压式）。H1采用屏蔽电缆，网络结构采用线型或树型，或者两种组合型结构。与H1相连的现场智能仪表需要24V 直流电源时，可通过屏蔽电缆线提供，也可单独提供。
2.2 监控层
监控层由高速以太网（H2总线）以及连接在总线上的担任监控作务的工作站或显示操作站组成。H2层网络属于现场总线的高速现场级网络，主要用于连接现场智能设备（PLC、远程I／O、电动门、变频器等）、操作员站、工程师站等设备，完成监控级的通信任务和比较复杂的控制策略。运行人员通过操作员站
实现工艺过程参数、状态的监视，实现对现场设备的控制。工程师站完成控制器、现场智能仪表／设备功能块编制和参数设定及修改等。
2.3组态原则
要求（允许）供货的DCS系统的每对控制器（站）具有同时既可配置传统
I/O，又能向下延伸Profibus-DP/PA总线或FF现场总线，配置本系统的profibus-DP总线或FF现场总线标准接口。
现场总线控制系统组态，应满足电站运行的安全性、可靠性要求，遵照相关的规定、规范。其系统硬件组态应满足下列原则要求：
1.控制系统的组态应按工艺系统的功能区进行，以减少总线的数据交换；
2.冗余或3取2设置的检测传感器、变送器应从不同的现场总线分支接入；
3.冗余的变送器应分别接入2个独立的总线段( segment)；
4.并列运行和互为备用的转机，应从不同的现场总线分支接入；
5.同一闭环控制回路的被控参数信号与被驱动智能设备应在同一总线分支接入；
6.变速驱动设备应由2个Profibus节点组成，即电动机保护与控制设备和变频调速控制器。2个节点应连接在同一个Profibus-DP网段；
7.温度信号应按其重要性、安全性的等级，分别采用温度变送器、温度信号现场总线接口装置、智能前端；
8.单元机组的重要转机（泵、风机）应设置紧急操作按钮，其操作输出（接点）应与总线驱动输出接点并联（按2000年“大火规”的规定设置）。
2.3.1 FF现场总线
FF现场总线网络／网段拓朴结构的安装推荐采用树型、分支或组合现场拓朴结构。不宜采用菊花链拓朴结构。
一条FF/PA网段宜不多于8个节点（设备），根据设备在工艺系统的重要性可适当减少；FF/PA网段分支长度不宜大于30m。
2.3.2 Profibus-DP型现场总线
一条Profibus-DP阿段宜不多于16个节点（设备）；运行／热备设备应接入不同的Profibus-DP网段( segment)；
当就地智能设备与控制器大于200m时，应在Profibus-DP网段(segment)配置光电转换器(OLM)，且要求光电转换器布置于就地（就地设备相对集中的合适位置），以保证|DP网段通讯速率不小于lMb；Profibus-DP网段分支电缆长度应不大于3m。
2.4现场总线控制系统范围
要求时间分辨率小于Ims的事件顺序记录(SOE)的测点，不宜纳入现场总线控制系统，而仍然采用传统的DCS系统I/O；
锅炉保护系统(FSSS)，暂不纳入现场总线控制系统；汽轮机紧急跳闸系统(ETS)，暂不纳入现场总线控制系统；其他要求快速控制的系统，暂不纳入现场总线控制系统，如：发电机变压器组及厂用电源等。
2.5 企业管理层
企业管理层由各种服务器和客户机组成。其主要目的是在分布式网络环境下集成企业的各种信息，实现与Internet的连接，完成管理、决策和商务应用的各种功能。首先要将监控层实时数据库中的信息转入上层的关系数据库中，这样管理层用户就能随时查询网络运行状态以及现场设备的工况，对生产过程进行实时的远程监控。赋予一定的权限后，还可以在线修改各种设备参数和运行参数，从而在企业网范围内实现底层测控信息的实时传递。
3 在电厂应用中存在的问题
3.1 适应控制技术发展的需要
每当采用一种新的控制技术，人们都要经历一个思想转变过程。当年在电厂采用DCS时，对其可靠性、安全性、适宜性也表示过怀疑，也是经过相当长时间的试点应用才逐步消除了对DCS的不信任感。现在DCS已广泛、成功地应用在电厂控制领域中，并且还在不断改进、提高以适应不断发展的需要。现场总线的控制理念与DCS有很大的区别，很多已经习惯了采用看得见、摸得着的DCS控制器完成的 PID等控制功能，现在改在现场智能仪表中完成，确实需要一个适应过
程。
DCS已是一个非常成熟的技术，而现场总线还处在不断地应用、改进过程中，因此在现阶段要全面地用现场总线代替DCS也是不客观的。现场总线是对DCS
控制功能的拓展、提高，是控制技术的发展方向，所以我们既不要盲目采用，也不要轻易拒绝，应积极、主动地了解现场总线技术，在合适的工程中试点应用，在实际运行中不断总结经验，并逐步完善以推广在电厂中的应用。
3.2 标准统一的问题
IEC61158国际标准不是唯一性的，而是8种现场总线标准的集合，这主要是为了保护每个现场总线制造商的利益。由于现在应用的现场总线产品基于不同的协议，所以其开放性并不能得到很好的体现，标准的不统一会影响现场总线技术的发展和推广应用。为了未来的市场，各制造商在不断地改进自己的产品，向国际标准靠拢，如西门子公司先开发了Profibus-DP现场总线（相对于H2层），用于连接PLC、变频器等设备，为了市场的需要又开发了ProfiBus-PA现场总线（相对于H1层），主要与现场智能仪表相连。因此要想应用好现场总线技术，就要认真研究国际标准及各制造商的标准。
3.3 了解、研究每种现场总线的应用特点
每种现场总线都是为了完成某一特定的生产过程控制而开发的，即每种现场总线都有其专用的应用领域，如FF适用于流程工业，Profibus适用于工厂自动化领域，CAN适用于汽车工业，LON适用于楼宇自动化领域等。到目前为止，还没有哪家的产品可以适用所有的控制领域。所以为了在电厂用好现场总线技术，应对不同的现场总线产品进行深入地了解、比较，研究其擅长应用的领域、在电厂中应用存在的问题和解决的办法。
3.4 冗余方式的考虑
为了提高DCS的可靠性，采取了操作站冗余、通信总线冗余、电源冗余、控制器冗余及I／O冗余等多种措施。当采用现场总线时，其冗余性自然引起了广泛的注意。对于现场总线的监控级及H2层，操作站冗余、监控级网络冗余、H2层网络冗余及连接在其上的设备（如控制器等）冗余、电源冗余是很容易做到的。
对于H1层网络，原DCS冗余控制器的所有功能都分散到各个现场智能仪表中，危险已经完全分散，一个现场智能仪表的故障只影响到本身或相关的少量智能设备，其影响范围远低于DCS冗余控制器故障的涉及面，就地智能仪表的功能块设计可保证故障时相关智能设备置于安全位，因此每个现场智能仪表是不需要CPU 冗余的。况且采用现场总线后取消了大量的控制电缆，现场总线的保护措施可以提高，降低了H1的故障率，所以H1层网络不采用冗余方式是可以接受的。鉴于电厂对安全性的要求，在现阶段对于重要的回路控制还是应该采用安全的措施以提高安全性、可靠性，同时通过在电厂的逐步应用和总结经验，找出适合电厂安全要求的冗余方案。
现场总线设计思想，低速部分是不要冗余的，因为现场总线已经分散了危险，现场仪表在现场可以自成调节回路而实现自主调节。虽然是这样，但是由于没有冗余功能，所以一旦总线故障，虽然可以完全依靠就地来完成功能调节，却无法让运行人员监视到全系统运行状况，按照热控的检修标准在控制系统机组主要运行参数的监视就应该停止机组运行，所以要想达到安全的目的，冗余设计是很有必要的。
3.5 现场智能仪表的功能设计
采用现场总线所面临的一个较大工作是现场智能仪表的功能设计。采用DCS 时，当输入／输出信号制、I／O点数确定以后，DCS的选择、功能设计就与现场仪表没有多大关系了。当采用现场总线时情况就不同了，原在DCS中完成的许多控制功能转移到现场智能仪表中完成，因此现场总线的选型、功能的设计与现场智能仪表紧密地联系在一起。在设计时，首先要确定一个统一的协议标准，现场总线及现场智能义表都要遵守此协议标准；然后根据现场智能仪表的工艺分布情况、防爆等级要求、测量参数范围及完成的功能等确定一个初步的现场总线结构，计算采用 H1、H2网络段的个数，确定每段所带现场智能仪表和设备的数量及每段的通信速率；最后根据工艺运行要求定义每个现场智能仪表的控制功能，通过工程师站对整个控制系统进行功能块组态设计。上述工作已打破原控制功能的设
计界限，把控制室设备及现场智能仪表作为一个整体来考虑，合理的现场总线结构和控制方案可能需要经过多次的重复计算、比较才能确定。
3.6现场总线噪音问题
现场总线应用必然涉及到系统噪音问题，由于所有的现场设备完全连接到现场总线的网络当中，连接处必然使用TAP接头，这种接头长期处于现场环境较为恶劣的地方，就会出现网络噪音的现象，继而出现设备与网络连接错误的报警，所以现场总线对现场的卫生条件，现场的振动条件都有严格的要求。接头每次停机都要进行检查，但是并不是检查后就可以完全消除噪音。
3.7维修成本较高
如果在以往的DCS系统改为有现场总线技术的DCS系统，现场的设备需要全部更换，以便适应现场总线的需要，现场智能设备承担的调节功能增加也会使其造价的成本增加，同样维修中，如果更换一样仪表都会有很昂贵的费用。减低这种费用就要选择信誉较好的厂家，使用其设备，如果设备的性能好，对环境适应能力强，同样可以达到降低生产成本的效果，改善设备运行性能。
3.8对机组保护设计应重点考虑
电厂中热控最重要的是对热控保护的严格设计，防止保护不发生误动同时也要保证保护不发生拒动，要求在控制系统的IO卡件以及设备上要求采用三取二的要求：如汽包水位变送器设计、炉膛负压的设计在DCS上要求现场的三个设备分别进入三个不相同的IO卡件当中，三个不同的IO卡件分属不同的控制站，达到保护不因为一个设备、一个IO卡件、一个控制站的故障而导致的保护误动现象。
现场总线对这方面应该着重考虑，由于现场总线现场布置需要我们改变这种设计，否则就要增加费用，如就地设备需要在就地完成三取二功能，而且信号需要分别与三条就地总线到达三个控制柜，这无疑增加了工作量，同时也增加了费用，只有这样才能达到现场的设计要求。
现场的总线现在还存在着一定的缺陷，所以在电厂中在大多数的监视系统和外围设备上应用广泛，原因就是外围设备的缺陷和停运不会对主业生产造成影响，同时总线用于外围设备控制可以使控制系统设计简洁明快。
4 现状及发展前景
DCS技术已经被大家掌握且价格已经很低，所以现在乃至今后的一段时间内DCS还会存在下去，还将是电厂控制系统的首选方案。大部分DCS厂家已经意识到现场总线将是电厂控制技术的发展方向，为此在改进、提高现有DCS功能、性能及可靠性的同时也在积极地开发现场总线接口技术及产品。很多用户看到了现场总线的诸多优点，也在做一些应用尝试。目前现场总线技术在电厂局部生产过程中已试点应用，例如国内电厂已有在电除尘的控制上采用现场总线的成功应用，为今后大范围应用打下良好的基础。综合现状，在未来的一段时间内，控制系统将出现DCS与现场总线共存的局面。
现场总线技术是一项发展很快的新技术。随着现场总线技术的不断完善，通信协议逐步统一规范，真正实现了开放性及互操作性，并通过在电厂应用中取得充分的应用经验，用户对现场总线应用技术掌握到一定的深度，对其优越性建立足够的信心，预计在不久的将来，现场总线的技术将会逐步在电厂自动控制系统中得到推广应用，这是自动化控制技术发展的方向。
参考文献：
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