基于現(xiàn)場總線技術(shù)的分布式電氣控制系統(tǒng)應(yīng)用

[摘要]分布式電氣控制系統(tǒng)相比一般的電氣控制系統(tǒng)更為可靠、靈活、開放、便于維護(hù)，適合目前工業(yè)生產(chǎn)制造中的應(yīng)用。本文針對應(yīng)用有現(xiàn)場總線技術(shù)的電氣控制系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用展開分析，并且總結(jié)了這種控制系統(tǒng)的特點(diǎn)和性能。

[關(guān)鍵詞]現(xiàn)場總線；以太網(wǎng)通信；DCS；電氣控制系統(tǒng)

一、引言

伴隨計算機(jī)信息技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)自動化控制系統(tǒng)也逐步走向數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化與現(xiàn)場化?，F(xiàn)場總線技術(shù)是近年來快速發(fā)展起來的一種工業(yè)數(shù)據(jù)總線，它主要解決工業(yè)現(xiàn)場的智能化儀器儀表、控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等現(xiàn)場設(shè)備間的數(shù)字通信以及這些現(xiàn)場控制設(shè)備和高級控制系統(tǒng)之間的信息傳遞問題。因?yàn)楝F(xiàn)場總線簡單、可靠、經(jīng)濟(jì)實(shí)用，深受許多標(biāo)準(zhǔn)團(tuán)體和計算機(jī)廠商的高度重視，因此也大量應(yīng)用到了電氣控制系統(tǒng)當(dāng)中。在自動化控制系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，分布式控制系統(tǒng)（DCS）一直占主導(dǎo)地位，這種控制系統(tǒng)在國內(nèi)自控行業(yè)又稱之為集散控制系統(tǒng)，它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)，是在集中式控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展、演變而來的。分布式控制系統(tǒng)是一個由過程控制級與過程監(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)方法，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。

二、分布式電氣控制系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)

電氣控制系統(tǒng)通常也叫做電氣設(shè)備二次控制回路。在電氣控制系統(tǒng)中，不同的設(shè)備具有不同的控制回路，而且高壓電氣設(shè)備與低壓電氣設(shè)備的控制方式也不相同。電氣控制系統(tǒng)由電源供電回路、保護(hù)回路、信號回路、自動與手動回路、制動停車回路和自鎖及閉鎖同路等回路部分組成。（1）電源供電回路：電氣控制系統(tǒng)供電回路的供電電源有AC380V、220V等多種。（2）保護(hù)回路：電氣控制系統(tǒng)保護(hù)（輔助）回路的工作電源有單相220V、36V或直流220V、24V等多個種類，針對電氣設(shè)備和線路運(yùn)行中的短路、過載和失壓等突發(fā)狀況提供保護(hù)，保護(hù)（輔助）回路由熔斷器、熱繼電器、失壓線圈、整流組件和穩(wěn)壓組件等組件組成。（3）信號回路：它不僅能及時反映或顯示設(shè)備和線路正常，還能反映設(shè)備非正常工作狀態(tài)的信息，主要的反映信號有：不同顏色的信號燈和不同聲響的音響設(shè)備等。（4）自動與手動回路：電氣設(shè)備為了提高其工作效率，一般都設(shè)置有自動回路，但是在電氣系統(tǒng)的安裝、調(diào)試和一些緊急事故的處理過程中，控制線路中還需要設(shè)置手動回路，并且可以通過組合開關(guān)或轉(zhuǎn)換開關(guān)等實(shí)現(xiàn)自動與手動方式的轉(zhuǎn)換。（5）制動停車回路：這個控制回路的主要作用是用來切斷電路的供電電源，并采取某些制動措施，使電動機(jī)迅速停車的控制環(huán)節(jié)，如能耗制動、電源反接制動，倒拉反接制動和再生發(fā)電制動等。（6）自鎖與閉鎖回路：當(dāng)電氣控制系統(tǒng)啟動按鈕松開后，線路保持通電狀態(tài)，電氣設(shè)備能繼續(xù)工作的電氣環(huán)節(jié)叫自鎖環(huán)節(jié)，如接觸器的動合觸點(diǎn)串聯(lián)在線圈電路中。兩臺或兩臺以上的電氣裝置和組件，為了保證設(shè)備運(yùn)行的安全與可靠，只能一臺通電啟動，另一臺不能通電啟動的保護(hù)環(huán)節(jié)，叫閉鎖環(huán)節(jié)。如兩個接觸器的動斷觸點(diǎn)分別串聯(lián)在對方線圈電路中。

分布式控制系統(tǒng)（DCS）的組成構(gòu)架是一個完整的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，這個系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是DCS的基礎(chǔ)與核心。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對DCS整個系統(tǒng)的實(shí)時性、可靠性和擴(kuò)充性，起著決定性的作用，它還必須滿足實(shí)時性的工作要求，即在確定的時間限度內(nèi)完成信息的傳送。這個“確定”的時間限度，是指在無論何種情況下，信息傳送都能在這個時間限度內(nèi)完成，而這個時間限度則是根據(jù)被控制過程的實(shí)時性要求確定的。因此，衡量系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)性能的指標(biāo)并不是網(wǎng)絡(luò)的速率，即通常所說的每秒比特數(shù)（bps），而是系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時性，即能在多長的時間內(nèi)確保所需信息的傳輸完成。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)還必須非?？煽?，無論在任何情況下，網(wǎng)絡(luò)通信都不能中斷，因此多數(shù)廠家的DCS均采用雙總線、環(huán)形或雙重星形的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。為了滿足系統(tǒng)擴(kuò)充性的要求，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)上可接入的最大節(jié)點(diǎn)數(shù)量應(yīng)比實(shí)際使用的節(jié)點(diǎn)數(shù)量大若干倍。這樣，一方面可以隨時增加新的節(jié)點(diǎn)，另一方面也可以使系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行于較輕的通信負(fù)荷狀態(tài)，以確保系統(tǒng)的實(shí)時性和可靠性。在系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行過程中，各個節(jié)點(diǎn)的上網(wǎng)和下網(wǎng)是隨時可能發(fā)生的，特別是操作員站，這樣，網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)會經(jīng)常進(jìn)行，而這種操作絕對不能影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行，因此，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該具有很強(qiáng)在線網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)功能。

分布式控制系統(tǒng)（DCS）具有以下特點(diǎn)：高可靠性和開放性。高可靠性是由于DCS將系統(tǒng)控制功能分散在各臺計算機(jī)上實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用容錯設(shè)計，因此某一臺計算機(jī)出現(xiàn)的故障不會導(dǎo)致系統(tǒng)其他功能的喪失。此外，由于系統(tǒng)中各臺計算機(jī)所承擔(dān)的任務(wù)比較單一，可以針對需要實(shí)現(xiàn)的功能采用具有特定結(jié)構(gòu)和軟件的專用計算機(jī)，從而使系統(tǒng)中每臺計算機(jī)的可靠性也得到提高。開放性是由于分布式控制系統(tǒng)（DCS）采用開放式，標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化和系列化設(shè)計，系統(tǒng)中各臺計算機(jī)采用局域網(wǎng)方式通信，實(shí)現(xiàn)信息傳輸，當(dāng)需要改變或擴(kuò)充系統(tǒng)功能時，可將新增計算機(jī)方便地連入系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)或從網(wǎng)絡(luò)中卸下，幾乎不影響系統(tǒng)其他計算機(jī)的工作。

三、分布式電氣控制系統(tǒng)應(yīng)用

隨著微型計算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，以及各個制造商之間的激烈競爭，推動了分布式控制系統(tǒng)迅速的從上世紀(jì)70 年代的第一代發(fā)展到90 年代初的第三代。盡管在此之前的集散系統(tǒng)的技術(shù)已經(jīng)具有相當(dāng)高的水平，但是DCS還存在有一個最主要的缺陷：全球各大公司所推出的幾十種型號的系統(tǒng)，幾乎都是該公司的專利產(chǎn)品，它們各個公司為了保護(hù)自身的利益，往往采用的是專利網(wǎng)絡(luò)，從而就為全廠、全企業(yè)的協(xié)同管理帶來障礙。

伴隨計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)的開發(fā)，使各個電氣控制系統(tǒng)生產(chǎn)廠商更多地采用商業(yè)計算機(jī)技術(shù)，上世紀(jì)80年代末許多公司推出新一代的集散系統(tǒng)，其主要特征是新系統(tǒng)的局部網(wǎng)絡(luò)采用MAP協(xié)議；引用智能變送器與現(xiàn)場總線結(jié)構(gòu)；在控制軟件上引入PLC的順序控制與批量控制，使DCS也具有PLC的功能。

上世紀(jì)90年代初期，全球知名的DCS系統(tǒng)產(chǎn)品有：3000，Bailey的IN F I-90， Ro semount的RS-3，West Hoose的WDPF， LeedsNonthrup的MAX-1000， Foxboro的IOuml; AS，日本橫河的CEN TUM等產(chǎn)品。以上所提到電氣控制系統(tǒng)均為大型的分布式電氣控制系統(tǒng)（DCS），為了適應(yīng)市場的需要各電氣控制系統(tǒng)廠商也開發(fā)了不少中小型的DCS系統(tǒng)，如：S-9000， MAX-2， LXL， A2 PACS等成熟的產(chǎn)品。

四、總結(jié)

由于目前現(xiàn)場總線的國際標(biāo)準(zhǔn)是由8種不同的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)組成的，它們各自所采用的通信協(xié)議都不相容，所以也就導(dǎo)致了基于現(xiàn)場總線技術(shù)的分布式電氣控制系統(tǒng)的推廣和應(yīng)用。但是隨著現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)的推廣和廣泛應(yīng)用，未來制定一個統(tǒng)一的通信協(xié)議是能夠?qū)崿F(xiàn)的，因此也必將推動分布式電氣控制系統(tǒng)的更廣泛的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1]Christian Diedrich，Rent5 Simon，Matthias Red1．Engineering of Distributed

Control Systems. 2000 IEEE.ISIE'2000，Cholula，Puebla，Mexico

[2]Xie Zhixun，NARIand Han Yuejun，NARI. A Practical redundancy in the Distributed Control of Power Plants，0-7803-7459-2/02 2002 IEEE

[3]卓薇．基于現(xiàn)場總線的分布式電氣控制系統(tǒng)改造[J]．華電技術(shù)．2010，32（8）：45～46

[4]陳玉，溫陽東．分布式配電自動化系統(tǒng)的研究[J]．安徽電氣工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報刊．2005，10（3）：10～13

[5]張玉春，楊成峰，曹海英等．現(xiàn)場總線集成技術(shù)在自動化控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]．熱電技術(shù)．2007，96（4）：52～55