摘要：現(xiàn)場總線的應用范圍相當廣泛，大家也是耳熟能詳?shù)模瑉ui為經典的便是在火電廠等方面的應用。本文介紹了現(xiàn)場總線的產生、發(fā)展過程，以及在火電廠中現(xiàn)場總線控制的設計方法。通過探討，使這一新技術盡早在電力工業(yè)中得到很好應用，使火電廠的自動化水平上新臺階。
　　
　　1、現(xiàn)場總線簡介
　　
　　在火電廠自控技術發(fā)展中，僅從數(shù)字控制系統(tǒng)發(fā)展的角度來看，從DDC到DCS再到FCS的演化過程如圖1所示。　　
　　從圖中可以看到其智能計算由集中的計算機逐漸轉移到相對分散的控制器；zui后轉移到就地控制設備。在現(xiàn)場總線技術誕生初期，它的主要功能是將當時的可編程控制器PLC以一種較簡潔的方式連接起來。隨著計算機通訊技術的發(fā)展，大大增強了現(xiàn)場總線的功能，成為現(xiàn)場總線技術發(fā)展的主要趨勢。
　　
　　現(xiàn)場總線技術定義為：將微處理器植入傳統(tǒng)的測量控制儀表，使它們具有了數(shù)字計算和通信能力，采用雙絞線等作為總線，把多個控制儀表，連接成的網絡系統(tǒng)，按公開、規(guī)范的通信協(xié)議，在位于現(xiàn)場的具有多種測控計算功能的設備之間，以及現(xiàn)場儀表與監(jiān)控計算機之間，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與信息交換，在生產現(xiàn)場形成全分布式自控系統(tǒng)，向系統(tǒng)提供更為豐富的，使人們更能深入了解過程狀況的自控設備管理信息，為自控系統(tǒng)朝著智能化、數(shù)字化、信息化、網絡化、分散化的方向邁進了一大步。
　　
　　此定義不一定準確，但卻函蓋了現(xiàn)場總線的內涵和外涵。也可以形象把現(xiàn)場總線描述為用“線”將變送器、現(xiàn)場開關、執(zhí)行器等連成的通信系統(tǒng)與控制系統(tǒng)，還可進一步將其與監(jiān)控、管理、商務等層次網絡互連為一體，如圖2示　　
　　從圖中可以看到現(xiàn)場總線網絡位于整個企業(yè)網的zui底層，它負責完成現(xiàn)場控制任務，也是企業(yè)信息集成的基礎。在現(xiàn)場總線網絡中，每臺設備（包括現(xiàn)場儀表和控制室主機）都相當于一個能獨立承擔某些控制和通信任務的網絡節(jié)點，這些節(jié)點通過現(xiàn)場總線連接在一起構成一個完整的控制系統(tǒng)。
　　
　　現(xiàn)場總線實際上就是自控系統(tǒng)中的“互聯(lián)網”。它采用數(shù)字化的通信技術使自控系統(tǒng)有機地加入到火電廠信息網中，形成工廠底層網絡，使電廠信息溝通的范圍能夠向下延伸到生產現(xiàn)場?，F(xiàn)場設備通過一定標準的通信協(xié)議將現(xiàn)場設備和控制系統(tǒng)地結合在一起，就象是為現(xiàn)場設備和控制系統(tǒng)完成了一種公共的數(shù)字化的語言，只要使現(xiàn)場設備和控制系統(tǒng)都能理解和運用這種語言，它們之間就能夠進行良好的信息溝通，從而實現(xiàn)設備之間的互相操作。
　　
　　由于現(xiàn)場總線用全數(shù)字的雙向通信代替了傳統(tǒng)的4—20mA模擬信號，原先的點對點接線方式如今可以改變成用一根通信電纜同時連接多臺設備，并且還能通過總線對設備進行供電，因此現(xiàn)場總線能夠極大的簡化布線和降低初裝成本，現(xiàn)場總線還使現(xiàn)場段的控制得到加強，實現(xiàn)控制功能的*分散。
　　
　　現(xiàn)場總線充分集成了智能設備所提供豐富的現(xiàn)場信息，如設備故障診斷和配置信息等，系統(tǒng)維護人員能夠準確迅速及時地了解生產現(xiàn)場和設備的運行狀態(tài)，一旦發(fā)生故障就能夠迅速排除，甚至還能夠發(fā)現(xiàn)潛在的故障，預先消除隱患，而DCS是不能對就地設備進行故障診斷的，這也是FCS優(yōu)于DCS之處。
　　
　　2、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的設計
　　
　　現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)與常規(guī)控制系統(tǒng)及DCS系統(tǒng)在系統(tǒng)構成功能、控制策略等方面有許多類似之處，如一個簡單的單網絡控制系統(tǒng)其基本構成元素為測量變送單元，操作執(zhí)行單元如圖3
　　而現(xiàn)場總線系統(tǒng)的zui大特點在于它的控制單元在物理位置上可與測量變送單元及操作執(zhí)行單元合為一體，因而可以在現(xiàn)場智能設備溝通、綜合信息，便于構成多個變量參與的復雜控制系統(tǒng)與測量系統(tǒng)。另外，由于現(xiàn)場總線儀表的數(shù)字通信特點，使它不僅可以傳遞測量的數(shù)值信息還可以傳遞設備標識、運行狀態(tài)、故障診斷狀態(tài)等信息，因而可以構成智能儀表的設備資源管理系統(tǒng)。
　　
　　以火電廠鍋爐汽包水位為例，介紹現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)在設計、安裝、運行方面的特點。如圖4示汽包水位的三沖量控制系統(tǒng)是經常被采用的經典控制方案。　　
　　方案選定后，就可以開始設計。
　　
　　（1）根據(jù)控制方案選擇必需的現(xiàn)場智能儀表

         一個經典的三沖量水位控制系統(tǒng)需要一個液位變送器；蒸汽流量、給水流量兩個流量變送器，一個給水調節(jié)閥?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)同樣也需要這些變送器、執(zhí)行器。對一般模擬儀表控制系統(tǒng)來說，由于汽包水位、蒸汽流量、給水流量、測量信號本身波動頻繁，需阻尼器對測量信號進行預處理。按工廠常規(guī)采用的孔板加差壓變送器測量流量的方法，要使測量信號與流量成線性關系，需加開方器；此外，還需要形成串級控制的主副兩個調節(jié)器等，而現(xiàn)場總線系統(tǒng)中實現(xiàn)阻尼、開方、加減PID計算功能*靠嵌入在現(xiàn)場變送器，執(zhí)行器中的功能塊軟件實現(xiàn)。可減少硬件投資、節(jié)省安裝工時與線纜。
　　
　?。?）選擇計算機與網絡配件
　　
　　為了滿足現(xiàn)場智能設備組態(tài)、運行、操作的要求，一般還需要選擇一臺或多臺能與現(xiàn)場總線網絡連接的計算機，隨著工業(yè)PC機已在控制領域的日趨普及，許多不同通信協(xié)議的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)都采用安插在PC總線槽中的PC現(xiàn)場總線接口板，把工業(yè)PC機與現(xiàn)場總線網絡，連接為能完成組態(tài)、運行操作等功能的完整的控制與網絡系統(tǒng)PC現(xiàn)場總線接口板，可有幾個現(xiàn)場總線通道，能把幾條現(xiàn)場總線網段集成在一起。電源、終端器、纜線等，也是現(xiàn)場總線系統(tǒng)的基本硬件如圖5所示：　　
　　圖中5臺計算機主要是為安全冗余而設置，PCI接口卡有四個通道，每個PCI接口卡與4條總網段相接。
　　
　　另一種更加適用的方法是設計某種通信控制器，其一側與現(xiàn)場總線網段連接，另一側按通常采用的PC機聯(lián)網方式，如通過以太網方式，采用TCP／IP通信協(xié)議、網絡BIOS協(xié)議，完成現(xiàn)場總線網段與PC機之間的信息交換。　　
　　為了優(yōu)化通信，減少信號的往返傳遞，盡可能將同一控制系統(tǒng)中信號相關的現(xiàn)場設備就近安排在同一總線段上。除了上面提到的水位、流量變送器、給水調節(jié)閥等，由于鍋爐控制系統(tǒng)中還有用于聯(lián)鎖系統(tǒng)開關量控制的PLC。它也需要與現(xiàn)場變送器等交換信息，可采用PLC與現(xiàn)場總線網段接口，使PLC成為現(xiàn)場總線網段的節(jié)點成員。
　　
　　（3）選擇開發(fā)組態(tài)軟件和控制操作人員的人機接口軟件MMI
　　
　　組態(tài)軟件是現(xiàn)場總線系統(tǒng)中的特色軟件。它要負責完成以下任務。
　　
　　a．在應用軟件的界面上選中連接的現(xiàn)場總線設備。
　　
　　b．以所選設備分配信號。
　　
　　c．從設備的功能庫中選擇功能塊。
　　
　　d．實現(xiàn)功能塊鏈接。
　　
　　e．按應用要求為功能塊賦予特征參數(shù)。
　　
　　f．對現(xiàn)場設備下載組套信息。
　　
　　（4）根據(jù)控制系統(tǒng)結構和控制策略所需功能塊以及智能現(xiàn)場設備具備的功能塊庫的條件，分配功能塊所在位置。
　　
　　具體到三沖量水位控制系統(tǒng)，功能塊分配方案如下：
　　
　　a．汽包液位變送器內，選用AI模擬輸入功能塊，主調節(jié)器PID功能塊。
　　
　　b．給水流量變送器內，選用AI模擬輸入功能塊，求和算法功能塊。
　　
　　c．蒸汽流量變送器內，選用AI模擬輸入功能塊。
　　
　　d．閥門定位器內，選用副調節(jié)器PID功能塊、AO輸出功能塊，并實現(xiàn)現(xiàn)場總線功能塊至調節(jié)閥門的氣壓轉換。
　　
　?。?）通過組態(tài)軟件，完成功能塊的連接
　　
　　圖7所示：功能塊的分布與連接　　
　　按三沖量的控制系統(tǒng)圖和功能塊分配方案，功能塊組套連接，如圖水位變送器的位號LTl01、蒸汽、給水變送器的位號分別為FTl02、FTl03，給水調節(jié)閥的位號為FVl01。
　　
　　BK—CALin：閥位反饋信號的輸入。
　　
　　BK—CALout：閥位反饋信號的輸出
　　
　　CAS—IN：表示串級輸入
　　
　　（6）通過功能塊的特征化，為每個功能塊確定相應參數(shù)

        通過組態(tài)決定其AI功能塊的特征參數(shù)，如測量輸入范圍，輸出量程，工程單位、濾波時間，是否需要開方處理等。
　　
　?。?）網絡組態(tài)
　　
　　由于現(xiàn)場總線是底層網絡、網絡組態(tài)的范圍包括現(xiàn)場總線網段，也包括作為人機接口操作界面的PC機及與其相接的網段。
　　
　?。?）組態(tài)的zui后操作是下載組態(tài)信息，即將組態(tài)信息的代碼送到相應的現(xiàn)場設備，并啟動系統(tǒng)運行。
　　
　　通過上述方法完成了現(xiàn)場總線的控制系統(tǒng)設計。
　　
　　3、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的軟件
　　
　　軟件由以下幾部分組成：
　　
　?。?）組態(tài)軟件（2）維護軟件（3）仿真軟件（4）現(xiàn)場設備管理軟件（5）監(jiān)控軟件
　　
　　4、OPC簡介
　　
　　在設計好控制系統(tǒng)以后，我要提到OPC技術。
　　
　　OPC—OLEforProcessControl的縮寫，意為過程控制中的對象鏈接嵌入技術。這是一項技術規(guī)范與標準，OPC作為自動化系統(tǒng)中現(xiàn)場設備與工廠辦公管理的應用程序之間的有效聯(lián)絡工具。使辦公室與生產部門之間的數(shù)據(jù)交換簡捷化、標準化。
　　
　　我們知道，把不同制造商的部件集成到一起是件麻煩事，需要為每個部件專門開發(fā)驅動或服務程序。還需要把這些由制造商提供的驅動或服務程序與應用程序起來。OPC的作用就是服務器／客戶的鏈接提供統(tǒng)一，標準的接口規(guī)范，zui后應形成如圖所示：
　　5、結束語
　　
　　現(xiàn)場總線技術正逐漸被電廠應用，如浙江的半山電廠，用了部分的現(xiàn)場總線技術已獲得成功，希望以后在火電廠中應用更加廣泛。
　　
　　各廠商已開發(fā)出的現(xiàn)場總線設備如：3051變送器、伯納德的執(zhí)行器已具備了此種功能。
　　
　　作為電廠歡迎更多的具有現(xiàn)場總線功能的設備應用到現(xiàn)場，對于減少設備的故障率，降低工人的勞動強度，特別是對于實現(xiàn)輔助車間的集中控制，提高火力發(fā)電廠的自動化水平大有益處。