現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)實驗教學(xué)平臺的建設(shè)

馮江濤, 楊晉萍, 王 琦

(山西大學(xué) 自動化系， 山西 太原 030013)

現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)實驗教學(xué)平臺的建設(shè)

馮江濤, 楊晉萍, 王 琦

(山西大學(xué) 自動化系， 山西 太原 030013)

本文介紹了我校構(gòu)建的以PROFIBUS DP為主干的多現(xiàn)場總線共存的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)實驗教學(xué)平臺。內(nèi)容包括：平臺的架構(gòu)、總線設(shè)備集成方案及實驗教學(xué)內(nèi)容。該平臺用于本科生和研究生專業(yè)課的實踐教學(xué)、科研訓(xùn)練，以及教師的科研活動，提高了學(xué)生的工程實踐能力，提升了教師的實踐教學(xué)能力。

現(xiàn)場總線控制系統(tǒng); 平臺架構(gòu); 實驗教學(xué)

0 引言

現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS(Fieldbus Control System)作為最新一代的自動控制系統(tǒng)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電站輔機(jī)系統(tǒng)，并逐步滲透到脫硫島，甚至是主控系統(tǒng)[1-4]。

我校自動化專業(yè)具有鮮明的電力行業(yè)背景，主要培養(yǎng)電站自動化方面的專業(yè)人才。為緊跟電站自動化技術(shù)的發(fā)展，使學(xué)生及時掌握FCS在電站應(yīng)用的各種技術(shù)，尤其是FCS的構(gòu)建和控制功能，多現(xiàn)場總線共存而帶來的不同協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)之間的網(wǎng)絡(luò)通信，現(xiàn)場總線設(shè)備的遠(yuǎn)程管理等，我校實時調(diào)整教學(xué)計劃，依托山西省實驗教學(xué)示范中心，調(diào)配實驗室資源，構(gòu)建了FCS的實驗教學(xué)平臺(以下簡稱：實教平臺)，改善實踐環(huán)境 。

1 實教平臺的架構(gòu)

實教平臺建設(shè)以滿足教學(xué)需求，充分考慮行業(yè)背景和未來發(fā)展趨勢，支持工程能力訓(xùn)練為原則，確定了以西門子S7-400H為控制器，以電站過程控制領(lǐng)域廣泛使用的PROFIBUS DP(下文簡稱DP)現(xiàn)場總線為主干網(wǎng)絡(luò)，通過網(wǎng)關(guān)對接PROFIBUS PA(下文簡稱PA)、HART、FF等總線，構(gòu)建的基于多種現(xiàn)場總線的實教平臺的架構(gòu)如圖1所示。

圖1 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

1.1實教平臺設(shè)備

實教平臺設(shè)備主要包括：

(1)支持PA協(xié)議的設(shè)備：安裝在EFAT II過程實驗裝置管道上的SITRANS P DSIII壓力變送器、SITRANS FM電磁流量計和SITART PS2智能電氣閥門定位器以及溫度變送器TH400四臺PA設(shè)備。

(2)支持FF協(xié)議的設(shè)備：安裝在另一套EFAT II管道上的壓力變送器Ceraber S、電磁電磁流量計PROMAG 53和智能電氣閥門定位器TZIDC-120三臺FF設(shè)備。

該套EFAT II還配以熱水鍋爐、高位水箱、液位水槽、循環(huán)水泵等，配置PA或FF或常規(guī)儀表等，實現(xiàn)過程控制。

(3)支持DP協(xié)議的驅(qū)動控制系統(tǒng)：配備了DP接口的MM420變頻器，控制EFAT II的水泵。

(4)支持HART協(xié)議的儀表：帶有HART接口的壓力變送器3051S。

(5)常規(guī)儀表：安裝在EFAT II裝置管道上的液位變送器、電磁流量傳感器、電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)等常規(guī)儀表，對外提供4～20 mA信號。

(6)支持 DP協(xié)議的SMPT-1000設(shè)備：SMPT-1000是半實物仿真對象，它用數(shù)字化手段在小型化實物裝置上模擬實際工業(yè)裝置的各種對象特性，可以模擬電站鍋爐系統(tǒng)，訓(xùn)練學(xué)生掌握電站鍋爐的工藝流程、設(shè)備、動態(tài)特性、控制對象等。

1.2實教平臺的設(shè)備集成

如圖1所示，實教平臺使用一對冗余控制器S7-400H用作PROFIBUS 主站， DP總線由此引出，常規(guī)儀表、HART儀表、PA儀表、FF儀表、變頻器、SMPT-1000等現(xiàn)場總線設(shè)備通過不同的協(xié)議轉(zhuǎn)換設(shè)備與DP總線集成。

(1)常規(guī)儀表的集成：安裝在分布式I/O ET200M中的模擬量輸入模塊SM331-7KF02-0AB0、模擬量輸出模塊SM332-5HF00-0AB0完成與常規(guī)儀表的數(shù)據(jù)傳輸。

(2)PA設(shè)備的集成：4臺PA設(shè)備分為兩組，并通過2只有源現(xiàn)場分配器AFD接入DP/PA LINK，圖中的現(xiàn)場設(shè)備代號10-13就是對應(yīng)設(shè)備的地址。其中，DP/PA LINK由兩個IM153-2接口模件和2個具有診斷功能的DP/PA耦合器FDC157-0組成，后者實現(xiàn)DP到PA的轉(zhuǎn)換。

(3)FF設(shè)備的集成：3臺FF設(shè)備通過有源現(xiàn)場分配器AFD接入FF LINK。FF LINK由兩個IM153-2 FF和2個現(xiàn)場總線耦合器FDC157組成，后者作為DP與FF-H1之間的網(wǎng)關(guān)。

(4)變頻器的集成：MM420通過單DP總線接入Y-LINK。Y-LINK由兩個IM153-2接口模件和Y-Coupler組成，實現(xiàn)冗余DP到非冗余DP之間的網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換。

(5)HART儀表的集成：安裝在ET200M中的模擬輸入模塊SM331-7TF01-0AB0完成HART儀表3051S與S7-400H的通信。

(6)SMPT-1000的集成：該對象通過PM125通訊模塊對外提供單DP接口，通過Y-LINK實現(xiàn)與冗余S7-400H的通訊。在控制器側(cè)對PM-125進(jìn)行軟硬件配置；如安裝GSD文件、硬件組態(tài)PM-125、相應(yīng)的I/O、設(shè)定各自的起始地址、軟件設(shè)置控制器與SMPT-1000之間需要通訊的參數(shù)、定義雙方收發(fā)字節(jié)數(shù)和發(fā)送的命令字等。

2 實教平臺的實踐教學(xué)

2.1實踐教學(xué)內(nèi)容

針對電站自動化的應(yīng)用技術(shù)，在實教平臺上可以開展專業(yè)基礎(chǔ)實驗、專業(yè)綜合性實踐和工程能力訓(xùn)練等多項遞階實踐活動，如圖2所示。

圖2 實驗平臺的遞階實踐活動

1)專業(yè)基礎(chǔ)實驗

專業(yè)基礎(chǔ)實驗主要包括“控制網(wǎng)絡(luò)”課程的HART、FF、DP、PA、PROFINET等總線技術(shù)實驗，“分散控制系統(tǒng)”課程的系統(tǒng)認(rèn)識、分散控制系統(tǒng)DCS(Distributed Control System)硬件和網(wǎng)絡(luò)組態(tài)、I/O接線與測試等實驗以及“低壓電器與執(zhí)行器”課程的MM420變頻器的設(shè)置與使用實驗，這些實驗以理解、掌握專業(yè)理論知識為目標(biāo)。

2)專業(yè)綜合性實踐

綜合性實踐主要包括“分散控制系統(tǒng)”課程的故障診斷及排除、DCS綜合能力訓(xùn)練等綜合性實驗，以及儀表實習(xí)、過程控制系統(tǒng)課程設(shè)計、順序控制系統(tǒng)課程設(shè)計等實踐環(huán)節(jié)，它們以培養(yǎng)學(xué)生的綜合性實踐能力、拓寬知識面為目標(biāo)。

3)工程能力訓(xùn)練

工程能力訓(xùn)練主要包括畢業(yè)設(shè)計、本科生科研訓(xùn)練和學(xué)科競賽等環(huán)節(jié)，它們以實際工程項目的綜合控制系統(tǒng)設(shè)計、開發(fā)為內(nèi)容，以提高知識綜合運用能力、培養(yǎng)工程設(shè)計開發(fā)能力和創(chuàng)新精神為目標(biāo)。目前在實教平臺上開展了“燃煤鍋爐燃燒控制系統(tǒng)的研究與工程化應(yīng)用”、“基于PCS7的自然循環(huán)鍋爐控制系統(tǒng)的設(shè)計”和“DCS與現(xiàn)場總線儀表通信”等項目的本科生科研訓(xùn)練；此外，從2013年開始，通過在實教平臺上的訓(xùn)練，我校學(xué)生連續(xù)5年參加了“西門子”杯全國大學(xué)生工業(yè)自動化挑戰(zhàn)賽的過程控制賽項，均取得了良好的成績。

2.2應(yīng)用實例

這里以科研訓(xùn)練項目“燃煤鍋爐燃燒控制系統(tǒng)的研究與工程化應(yīng)用”為例說明。該項目首先要了解鍋爐燃燒系統(tǒng)的工藝過程、控制任務(wù)和動態(tài)特性，并確定被控量、控制量和控制方案，然后進(jìn)行工程實施。

根據(jù)生產(chǎn)過程自動化的相關(guān)流程，項目實施的主要內(nèi)容包括：①確定I/O信號，檢測儀表、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選型；②硬件選型及FCS構(gòu)建。通過對實教平臺的重組和模塊化組合，確定系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)如圖3所示；③系統(tǒng)組態(tài)；④控制策略組態(tài)和監(jiān)控畫面組態(tài)；⑤系統(tǒng)調(diào)試及投運。

該項目覆蓋了自動化工程的各個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，學(xué)生通過綜合應(yīng)用所學(xué)知識經(jīng)過發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的訓(xùn)練，啟發(fā)了科學(xué)思維方法，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新意識，提高了學(xué)生的工程技術(shù)能力。

圖3 FCS的體系結(jié)構(gòu)

3 實教平臺的功能及特色

實踐證明，該平臺為實驗教學(xué)改革提供了良好的支撐條件。

(1)實教平臺的構(gòu)建是以電站生產(chǎn)過程的信號檢測、信號處理和控制為主線，以先進(jìn)的FCS構(gòu)建為基礎(chǔ)，加強(qiáng)了電站背景自動化專業(yè)核心課程(“自動檢測技術(shù)”、“低壓電器與執(zhí)行器”、“控制網(wǎng)絡(luò)”、“DCS”、“過程控制系統(tǒng)”、“順序控制系統(tǒng)”)之間的聯(lián)系，提高了學(xué)生培養(yǎng)質(zhì)量。

(2)實教平臺結(jié)構(gòu)開放，且采用模塊化設(shè)計，常規(guī)儀表、現(xiàn)場總線設(shè)備、被控對象相互獨立，可根據(jù)需要靈活選擇模塊，模擬FCS在電站的各種應(yīng)用。

(3)分層次研發(fā)了基礎(chǔ)型、綜合型、設(shè)計型，以及創(chuàng)新型和探索型實驗。其中以綜合性、設(shè)計性和創(chuàng)新性實驗為主，適合于本科生和研究生的實驗研究、課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計、科研訓(xùn)練和學(xué)科競賽等，重在鍛煉學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力，而探索型實驗則側(cè)重于教師從事多種現(xiàn)場總線互聯(lián)通訊領(lǐng)域先進(jìn)控制算法在FCS中的應(yīng)用研究等課題的科學(xué)研究。

4 結(jié)語

憑借FCS實驗教學(xué)平臺提供的課內(nèi)實驗、課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計等綜合性進(jìn)階實踐項目，學(xué)生獲得了綜合實踐的機(jī)會，達(dá)到了工程實踐的目的，逐步掌握了電站自動化的先進(jìn)技術(shù)；實教平臺還用于校級科研條件的訓(xùn)練、大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目的訓(xùn)練、賽事訓(xùn)練，鍛煉學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力；教師也可進(jìn)一步發(fā)掘平臺的功能，開發(fā)出更多具有創(chuàng)新性和探索性的實驗，推動教學(xué)改革，也可針對現(xiàn)場存在的問題進(jìn)行相應(yīng)的科學(xué)研究，提高科研能力并將其應(yīng)用到教學(xué)活動中。

(馮江濤等文)

本實教平臺下一步要解決的問題是深層次地進(jìn)行現(xiàn)場總線設(shè)備信息的開發(fā)與利用，提升現(xiàn)場級設(shè)備的信息化水平，為電站運行和維護(hù)提供支持。

[1] 顏渝坪,崔逸群,王春利等.火電廠現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的成功應(yīng)用[J].北京:中國電力,2007,40(3):56-60.

[2] 楊新民,肖勇,陳豐.現(xiàn)場總線技術(shù)在火電廠的應(yīng)用[J].西安:熱力發(fā)電,2014,43(9):76-81,82.

[3] 王凱，袁立宏，李林章.SCR煙氣脫硝現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)設(shè)計[J].上海:自動化儀表,2014,35(4):67-71.

[4] 宋美艷，田爽，趙江明等.現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)在超臨界火電機(jī)組輔助車間的應(yīng)用[J].西安:熱力發(fā)電,2013,42(3):98-99,105.

ConstructionofExperimentalPlatformofFieldbusControlSystem

FENGJiang-tao,YANGJin-ping,WANGQi

(AutomationDepartment,ShanxiUniversity,Taiyuan030013,China)

The experimental teaching platform of fieldbus control system based on multi-fieldbus is constructed. This article introduces the architecture of platform ,integrated technology and experimental projects. Platform is used for undergraduate and graduate students′ practice teaching of specialized course, scientific research training, and the scientific research of teacher, both students′ engineering ability and teachers′ practical teaching ability are improved.

fieldbus control system; platform structure; experiment teaching

2016-10-19;

2017-02-11

山西省教育廳教學(xué)研究項目(晉教財[2015]41號)；山西省科技廳基金項目(2015091005-0101)

馮江濤(1969-)，女，碩士，副教授，主要從事電站計算機(jī)控制的教學(xué)與研究, E-mail：fengjiangtao@sxu.edu.cn

G642.0

A

1008-0686(2017)05-0120-04