现场总线技术的结构、特点及在化工行业中的应用研究

1. 引言

随着电力行业的技术进步，化工行业自动化水平日益提高，国内各大化工厂纷纷将配电自动化系统纳入DCS（集散控制系统）中，实现监控一体化管理。由于DCS主要是以实现化工生产过程自动化为目的，而对电气系统自动化考虑较少。而仅仅将电气系统的部分信息如电机电流及运行信号等以“硬接线”的形式送入DCS中而实现简单的监测和启、停控制的方案，是一种低层次的融合，将造成投资增加、电气系统大量原始信息丢失，而电气系统的控制水平未必得到较大的提高。而随着现场总线技术的日益发展，上述问题得到了很好地解决。本文以上海安科瑞电气股份有限公司在某化工厂中的工程实例简单介绍现场总线技术在化工行业的低压配电自动化系统中的应用。

2. 现场总线技术的定义、结构及特点

2.1 现场总线技术概念

现场总线技术概念：现场总线是安装在生产过程区域的现场设备/仪表与控制室内的自动控制装置/系统之间的一种串行、数字式、多点通信的数据总线。即现场总线是以单个分散的、数字化、智能化的测量和控制设备作为网络节点，用总线相连接，实现相互交换信息，共同完成自动控制功能的网络系统和控制系统。

2.2 化工行业现场总线系统的结构

在一个现代化化工厂大规模的工业生产过程控制中，工业数据结构大体分为工厂级、车间级和现场级这3个层次，这其中，现场级与车间级自动化监控及信息集成是工厂自动化的重要部分。

现场级与车间级自动化监控及信息集成系统主要完成底层设备单机控制、连机控制、通信连网、在线设备状态监测及现场设备运行、生产数据的采集、存储、统计等功能，保证现场设备高质量完成生产任务，并将现场设备生产及运行数据信息根据需要传送到工厂管理层，同时也可接受工厂管理层下达的生产管理及调度命令并执行之。因此，现场级与车间级监控及信息集成系统是实现工厂自动化的基础。

下图为上海安科瑞电气为某化工厂设计的自动化监控及信息集成系统图。

2.3 现场总线系统的特点及优势

现场总线系统是一个全数字化、全分散式、可互操作、开放式互连网络的控制系统，现场总线系统与传统的DCS相比，具有以下技术特点和优势。

2.3.1 全数字通信

传统控制系统DCS采用4~20mA的模拟信号传输方式。这种传输方式一对传输电缆只能传送一路信号。而且，模拟信号在传输过程中易被其他信号或环境噪声所干扰，传输精度不高，控制效果不理想。而现场总线系统采用全数字信号传输。传输过程中采用数字信号的检错、纠错机制，使其具有较高的抗干扰能力，传输精度也得到显著提高。全数字通信使得多参数传输得以实现。现场设备的测量、控制信息以及其他非控制信息如设备类型和参数、整定值、设备运行状态等都可以通过一对传输线送到现场总线网络上的任何智能设备，从而消除了模拟信号传输的瓶颈。

2.3.2 控制分散

现场总线系统采用全分散式控制。现场智能终端设备，既有测量、采集、保护、变换、信号处理等功能，也有逻辑运算和控制功能。通过现场总线，将复杂的控制任务进行分解，分散下放于现场设备中，由现场智能终端设备构成控制回路，实现对各对象的控制。和传统的DCS控制系统相比，现场总线系统简化了系统结构，提高了系统的可靠性、自治性和灵活性。

2.3.3 开放性、互操作性

现场总线采用统一的协议标准，是开放式的互联网络，对用户是透明的，不同厂家产品只要使用同一总线标准，就具有互操作性、互换性，因此设备具有很好的可集成性。系统为开放式，允许其它厂商将自己专长的控制技术，如控制算法、工艺流程、配方等集成到通用系统中去，因此，不同厂家的网络产品可以方便地接入同一网络，集成在同一控制系统中进行操作，简化了系统集成。而在传统的DCS中，不同厂家的设备是不能相互访问的。

2.3.4 多分支结构

传统控制系统中设备的连接都是一对一的，而现场总线是多分支结构，其网络拓扑可为总线型、星型、树型等多种形式。这种多分支结构使得布线简单、工程安装周期缩短、运行维护方便，并能节省投资。这种结构还具有较强的系统扩展性，对于新增的设备，只需直接并行挂接即可，无需架设新的电缆，也无需系统停机。

2.3.5 现场设备状态可控

通过现场总线，现场设备的管理信息大大增加，这些信息包括功能模块组态、参数状况、诊断和验证数据等。操作人员在控制室里就可以对这些信息进行维护和验证数据等。操作人员在控制室里就可以对这些信息进行维护和管理，对现场设备进行参数整定，并实时地进行性能维护。当设备参数、状态发生变化时，操作人员能提前对该设备进行预处理，可减少事故发生。故障发生后，报警机制会立刻通知操作人员故障发生的部位和设备，从而提高了系统的可靠性和可维护性。

2.3.6 降低了系统及工程成本

对大范围、大规模I/O的分布式系统来说，省去了大量的电缆、I/O模块及电缆敷设工程费用，降低了系统及工程成本。

3. 基于现场总线技术的低压配电自动化系统的应用

如今，现场总线技术已经开始得到较为广泛的应用。如某化工厂所用低压配电自动化系统，采用基于现场总线技术的ACREL-2000监控系统，已投入运行，运行状况良好。下文以该配电自动化系统为例，简述现场总线技术在行业内低压配电自动化系统中的应用。

3.1 系统简介

安科瑞的Acrel-2000型电力监控系统软件借助了计算机、通信设备、计量保护装置等，为系统的实时数据采集、开关状态监测及远程控制提供了基础平台。该电力监控系统可以为企业提供“监控一体化”的整体解决方案，主要包括实时历史数据库AcrSpace、工业自动化组态软件AcrControl、电力自动化软件AcrNetPower、“软”控制策略软件AcrStrategy、通信网关服务器AcrFieldComm、OPC产品、Web门户工具等。

3.2 系统结构

Acrel-2000电力监控系统是基于10kV及以下变配电系统的监测与管理，该系统由管理层（站控层）、通信层（中间层）、间隔层（现场监控层）三部分组成，见下图。

站控层设立主控系统Acrel-2000一套。硬件系统采用工作台式结构，软件系统采用基于WIN2000 操作系统的电力监控软件Acrel-2000， 同时能通过MODBUS SERVER 和OPC方式实现系统数据的上传， 实现资源共享。站控层通过位于通信层的工业以太网交换机与现场中的通信服务器或通信网关进行数据交换。

通信层除了有一个工业以太网交换机外，还在每个设备层总线分支处设立了一个通信服务器或网关，用来将现场的总线协议转为以太网协议。在保护装置分支中还使用了ACRHMI通信管理机，ACRHMI是用于实现配电系统的通信处理和设备管理的智能通信单元，其选用了一块12.1寸高亮度TFT真彩触摸屏，使用实时嵌入式操作系统（WinCE.NET）和系统工程运行软件，具有良好的人机界面，集成了ProfiBus-DP通讯接口和TCP/IPRJ45接口，能将多种设备通过现场总线技术有机地连接起来。

现场监控层采用包括ARD系列智能马达控制器、ACR系列多功能网络仪表在内的具备RS485 ProfiBus-DP通讯接口的分布在配电柜上的智能可通讯设备，通过现场总线通信实现与通信网关的数据交换。

系统报价—览表 单位：元（RMB）

3.3 系统功能

3.3.1 友好的人机交互界面（HMI）

标准的变配电系统具有CAD一次单线图显示中、低压配电网络的接线情况；庞大的系统具有多画面切换及画面导航的功能；分散的配电系统具有空间地理平面的系统主画面。主画面可直观显示各回路的运行状态，并具有回路带电、非带电及故障着色的功能。主要电参量直接显示于人机交互界面并实时刷新。

3.3.2 用户管理

Acrel-2000智能电力监控系统软件可对不同级别的用户赋予不同权限，从而保证系统在运行过程中的安全性和可靠性。如对某重要回路的合/分闸操作，需操作员级用户输入操作口令外，还需工程师级用户输入确认口令后方可完成该操作。

3.3.3 数据采集处理

Acrel-2000智能电力监控系统可实时和定时采集现场设备的各电参量及开关量状态（包括三相电压、电流、功率、功率因数、频率、电能、温度、开关位置、设备运行状态等），将采集到的数据或直接显示、或通过统计计算生成新的直观的数据信息再显示（总系统功率、负荷最大值、功率因数上下限等），并对重要的信息量进行数据库存储。

3.3.4 趋势曲线分析

Acrel-2000智能电力监控系统提供了实时曲线和历史趋势两种曲线分析界面，通过调用相关回路实时曲线界面分析该回路当前的负荷运行状况。如通过调用某配出回路的实时曲线可分析该回路的电气设备所引起的信号波动情况。系统的历史趋势即系统对所有已存储数据均可查看其历史趋势，方便工程人员对监测的配电网络进行质量分析。

3.3.5 报表管理

Acrel-2000智能电力监控系统具有标准的电能报表格式并可根据用户需求设计符合其需要的报表格式，系统可自动统计。可自动生成各种类型的实时运行报表、历史报表、事件故障及告警记录报表、操作记录报表等，可以查询和打印系统记录的所有数据值，自动生成电能的日、月、季、年度报表，根据复费率的时段及费率的设定值生成电能的费率报表，查询打印的起点、间隔等参数可自行设置；系统设计还可根据用户需求量身定制满足不同要求的报表输出功能。

3.3.6 事件记录和故障报警

Acrel-2000智能电力监控系统对所有用户操作、开关变位、参量越限及其它用户实际需求的事件均具有详细的记录功能，包括事件发生的时间位置，当前值班人员事件是否确认等信息，对开关变位、参量越限等信息还具有声音报警功能，同时自动对运行设备发送控制指令或提示值班人员迅速排除故障。

3.3.7 五遥功能

Acrel-2000智能电力监控系统不仅能实现常规的“遥信”、“遥控”、“遥测”、“遥调”功能，还可以实现“遥设”功能。

l 遥信：实时对开关运行状态、保护工作等开关量进行监视。计算机实时显示和自动报警。

l 遥控：通过计算机屏幕选择相应的站号、开关号、合/分闸等信息，并在屏幕上将选择的开关状态反馈出来，确认后执行，实时记录操作时间、类型、合开关号等。

l 遥测：通过计算机实时对系统电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数、超限报警、频率进行不断地采集、分析、处理、记录、显示曲线、棒图，自动生成报表。

l 遥调：用于有载变压器的调压升/降。

l 遥设：用于远方修改分散继电保护装置的定值、控制字；以及调整各种仪表的工作状态。

3.4 系统优点

（1）由于采用数字双向通信，一对双绞线或光纤完成诸多的信号传输功能，使得在该环节中的电缆、桥架、接线端子的用量减少到几乎为零，因此相应的安装工作量也大大减少。

（2）间隔层设备采用智能终端设备，电流、电压等信号在现场就就行高精度的AD变换，再以数字量的形式送入系统中，从而省略了变送器等中间变换环节，使系统采集的信号精度大大提高，节省了投资。

（3）智能终端设备还能在间隔层实现大量的逻辑、计算功能，可将许多以前在DCS中完成的工作下放到间隔层完成，实现真正意义上的分散控制，提高了系统的可靠性，而且系统可采集的信息量大大增加，操作人员在控制室就能实现监控系统对现场设备的在线监视、诊断、校验和参数整定。

（4）在工程建设中，由于系统组态简单，安装、运行、维修方便，分步调试能较快完成并及时投运。

3.5 系统部分界面

电压、电流波形计数值显示界面，以及棒图、饼图的显示

4. 结束语

配电自动化系统采用现场总线方式进入化工厂计算机控制系统，充分发挥了智能电器的作用，改变过去只有重要电气量才能进入计算机系统的情况，使配电自动化系统运行更加安全可靠和便于维护，同时取消变送器，减少计算机I/O卡件，减少电缆工程量，便于分步调试和投运，有利于配电自动化系统的科学运行维护，降低了投资。相信该技术会在行业内得到更广泛的应用和深远的发展。

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