1. 引言

隨著電力行業(yè)的技術(shù)進(jìn)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。

DCS是分布式控制系統(tǒng)的英文縮寫（Distributed Control System），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(jī)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(jī)系統(tǒng)，綜合了計算機(jī)，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。

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(jī)電流及運(yùn)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、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(diǎn)

2.1 現(xiàn)場總線技術(shù)概念

現(xiàn)場總線技術(shù)概念：現(xiàn)場總線是指以工廠內(nèi)的測量和控制機(jī)器間的數(shù)字通訊為主的網(wǎng)絡(luò)，也稱現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)。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(jìn)行特化的網(wǎng)絡(luò)。原來這些機(jī)器間的主體配線是ON/OFF、接點(diǎn)信號和模擬信號，通過通訊的數(shù)字化，使時間分割、多重化、多點(diǎn)化成為可能，從而實現(xiàn)高性能化、高可靠化、保養(yǎng)簡便化、節(jié)省配線（配線的共享）。

傳統(tǒng)的4-20mA信號連接，信息量有限，嚴(yán)重制約了企業(yè)信息集成和企業(yè)綜合自動化的實現(xiàn)。現(xiàn)場總線技術(shù)把孤立的現(xiàn)場級設(shè)備帶進(jìn)了企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)中。

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(jī)控制、連機(jī)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(yùn)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(yùn)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(dá)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)。

下圖為上海安科瑞電氣為某化工廠設(shè)計的自動化監(jiān)控及信息集成系統(tǒng)圖。

2.3 現(xiàn)場總線系統(tǒng)的特點(diǎn)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(diǎn)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(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)靡詫崿F(xiàn)。現(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(yùn)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(hù)、變換、信號處理等功能，也有邏輯運(yùn)算和控制功能。通過現(xiàn)場總線，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(biāo)準(zhǔn)，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(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?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(jìn)行維護(hù)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(jìn)行維護(hù)和管理，對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行參數(shù)整定，并實時地進(jìn)行性能維護(hù)。當(dāng)設(shè)備參數(shù)、狀態(tài)發(fā)生變化時，操作人員能提前對該設(shè)備進(jìn)行預(yù)處理，可減少事故發(fā)生。故障發(fā)生后，報警機(jī)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(hù)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(fèi)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(yùn)行，運(yùn)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

安科瑞公司的Acrel-2000電力監(jiān)控系統(tǒng)是基于先進(jìn)的現(xiàn)場總線方式（FCS），來實現(xiàn)電力系統(tǒng)信息的交換與管理。Acrel-2000電力監(jiān)控系統(tǒng)借助現(xiàn)代的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)實時監(jiān)視電力系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)（包括：開關(guān)狀態(tài)，故障狀態(tài)和位置，電壓、電流、電度等實時變化的電氣參數(shù)，報警信號等）、事件記錄、波形記錄等數(shù)據(jù)，不斷地傳送至電力監(jiān)控計算機(jī)（以后簡稱監(jiān)控中心），并可以實施遙控命令，使運(yùn)行管理人員可以通過監(jiān)控中心全面了解電力系統(tǒng)的運(yùn)行工況，準(zhǔn)確、快速地判斷故障位置和故障原因，簡便地實現(xiàn)各種數(shù)據(jù)分析（包括負(fù)荷分析，電能消耗分析，電能質(zhì)量）。對于一些難于判斷的故障，可以通過波形記錄來幫助管理者分析故障原因。

該電力監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)的主要功能包括：系統(tǒng)運(yùn)行實時監(jiān)視、電能質(zhì)量監(jiān)視、遠(yuǎn)程控制和操作記錄、事件報警和記錄、數(shù)據(jù)采集和歷史數(shù)據(jù)管理、各種報表打印、電能管理。

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，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(jī)與現(xiàn)場中的通信服務(wù)器或通信網(wǎng)關(guān)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

通信層除了有一個工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)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(hù)裝置分支中還使用了ACRHMI通信管理機(jī)，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)（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)場總線技術(shù)有機(jī)地連接起來。

現(xiàn)場監(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)場總線通信實現(xiàn)與通信網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)交換。