1. 引言

隨著電力行業(yè)的技術進步，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，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)的部分信息如電機電流及運行信號等以“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)場總線技術在化工行業(yè)的低壓配電自動化系統(tǒng)中的應用。

2. 現(xiàn)場總線技術的定義、結構及特點

2.1 現(xiàn)場總線技術概念

現(xiàn)場總線技術概念：現(xiàn)場總線是安裝在生產(chǎn)過程區(qū)域的現(xiàn)場設備/儀表與控制室內(nèi)的自動控制裝置/系統(tǒng)之間的一種串行、數(shù)字式、多點通信的數(shù)據(jù)總線。即現(xiàn)場總線是以單個分散的、數(shù)字化、智能化的測量和控制設備作為網(wǎng)絡節(jié)點，用總線相連接，實現(xiàn)相互交換信息，共同完成自動控制功能的網(wǎng)絡系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。

2.2 化工行業(yè)現(xiàn)場總線系統(tǒng)的結構

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)結構大體分為工廠級、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)主要完成底層設備單機控制、連機控制、通信連網(wǎng)、在線設備狀態(tài)監(jiān)測及現(xiàn)場設備運行、生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集、存儲、統(tǒng)計等功能，保證現(xiàn)場設備高質量完成生產(chǎn)任務，并將現(xiàn)場設備生產(chǎn)及運行數(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。

下圖為上海安科瑞電氣為某化工廠設計的自動化監(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，具有以下技術特點和優(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)場設備的測量、控制信息以及其他非控制信息如設備類型和參數(shù)、整定值、設備運行狀態(tài)等都可以通過一對傳輸線送到現(xiàn)場總線網(wǎng)絡上的任何智能設備，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?，F(xiàn)場智能終端設備，既有測量、采集、保護、變換、信號處理等功能，也有邏輯運算和控制功能。通過現(xiàn)場總線，將復雜的控制任務進行分解，分散下放于現(xiàn)場設備中，由現(xiàn)場智能終端設備構成控制回路，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)結構，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)議標準，是開放式的互聯(lián)網(wǎng)絡，對用戶是透明的，不同廠家產(chǎn)品只要使用同一總線標準，就具有互操作性、互換性，因此設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，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)絡產(chǎn)品可以方便地接入同一網(wǎng)絡，集成在同一控制系統(tǒng)中進行操作，簡化了系統(tǒng)集成。而在傳統(tǒng)的DCS中，不同廠家的設備是不能相互訪問的。

2.3.4 多分支結構

傳統(tǒng)控制系統(tǒng)中設備的連接都是一對一的，而現(xiàn)場總線是多分支結構，其網(wǎng)絡拓撲可為總線型、星型、樹型等多種形式。這種多分支結構使得布線簡單、工程安裝周期縮短、運行維護方便，并能節(jié)省投資。這種結構還具有較強的系統(tǒng)擴展性，對于新增的設備，只需直接并行掛接即可，無需架設新的電纜，也無需系統(tǒng)停機。

2.3.5 現(xiàn)場設備狀態(tài)可控

通過現(xiàn)場總線，現(xiàn)場設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行維護和驗證數(shù)據(jù)等。操作人員在控制室里就可以對這些信息進行維護和管理，對現(xiàn)場設備進行參數(shù)整定，并實時地進行性能維護。當設備參數(shù)、狀態(tài)發(fā)生變化時，操作人員能提前對該設備進行預處理，可減少事故發(fā)生。故障發(fā)生后，報警機制會立刻通知操作人員故障發(fā)生的部位和設備，從而提高了系統(tǒng)的可靠性和可維護性。

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模塊及電纜敷設工程費用，降低了系統(tǒng)及工程成本。

3. 基于現(xiàn)場總線技術的低壓配電自動化系統(tǒng)的應用

如今，現(xiàn)場總線技術已經(jīng)開始得到較為廣泛的應用。如某化工廠所用低壓配電自動化系統(tǒng)，采用基于現(xiàn)場總線技術的ACREL-2000監(jiān)控系統(tǒng)，已投入運行，運行狀況良好。下文以該配電自動化系統(tǒng)為例，簡述現(xiàn)場總線技術在行業(yè)內(nèi)低壓配電自動化系統(tǒng)中的應用。

3.1 系統(tǒng)簡介

安科瑞的Acrel-2000型電力監(jiān)控系統(tǒng)軟件借助了計算機、通信設備、計量保護裝置等，為系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)采集、開關狀態(tài)監(jiān)測及遠程控制提供了基礎平臺。該電力監(jiān)控系統(tǒng)可以為企業(yè)提供“監(jiān)控一體化”的整體解決方案，主要包括實時歷史數(shù)據(jù)庫AcrSpace、工業(yè)自動化組態(tài)軟件AcrControl、電力自動化軟件AcrNetPower、“軟”控制策略軟件AcrStrategy、通信網(wǎng)關服務器AcrFieldComm、OPC產(chǎn)品、Web門戶工具等。

3.2 系統(tǒng)結構

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。

站控層設立主控系統(tǒng)Acrel-2000一套。硬件系統(tǒng)采用工作臺式結構，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)交換機與現(xiàn)場中的通信服務器或通信網(wǎng)關進行數(shù)據(jù)交換。

通信層除了有一個工業(yè)以太網(wǎng)交換機外，還在每個設備層總線分支處設立了一個通信服務器或網(wǎng)關，用來將現(xiàn)場的總線協(xié)議轉為以太網(wǎng)協(xié)議。在保護裝置分支中還使用了ACRHMI通信管理機，ACRHMI是用于實現(xiàn)配電系統(tǒng)的通信處理和設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)工程運行軟件，具有良好的人機界面，集成了ProfiBus-DP通訊接口和TCP/IPRJ45接口，能將多種設備通過現(xiàn)場總線技術有機地連接起來。

現(xiàn)場監(jiān)控層采用包括ARD系列智能馬達控制器、ACR系列多功能網(wǎng)絡儀表在內(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備，通過現(xiàn)場總線通信實現(xiàn)與通信網(wǎng)關的數(shù)據(jù)交換。