现场总线技术在自备电厂控制系统的应用研究

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1、毕业设计（论文）现场总线技术在自备电厂控制系统的应用研究Field Bus-owned power plant control system in the Applied Researce： ： ： ： ： ： ： 学生姓名学历层次所在系部所学专业指导教师教师职称完成时间目 录1 引 言2 1.1 课题的目的和意义21.2 现场总线简介21.3 现场总线控制系在国内外应用情况101.4 本文的主要工作112 现场总线技术的基本理论122.1 现场总线的本质含义122.2 现场总线网络的拓扑结构132.3 现场总线的开放系统互连参考模型163 现场总线在自备电厂控制系统的应用研究203.1 控制

2、系统设计的原则203.2 控制系统设计的方法203.3 控制系统设计的一般步骤213.4 现场总线技术在自备电厂控制系统中的应用设计234 现场总线在自备电厂控制系统应用举例294.1 现场总线应用在自备电厂控制系统的选择方案294.2 现场总线在自备电厂辅助控制系统补给水系统的应用294.3 设计通信控制器SPC3中断处理子程序385 总 结426 参考文献参考文献43致谢.441 引 言 课题的目的和意义信息技术的飞速发展，导致了自动化领域的深度变革，并逐渐形成了自动化领域的开放系统互连通信网络，形成了全分布式网络集成化自控系统。而现场总线正是场深刻变革中的重要技术。 现场总线控制系统FC

3、S（Fieldbus Control System ）是继基地式气动仪表控制系统、电动单元组合式模拟仪表控制系统、集中式数字控制系统、集散控制系统DCS(Distributed Control System )后的新一代控制系统。现场总线的优势是显而易见的，它将与DCS相结合或逐步取代DCS。但目前现场总线控制系统在国内，尤其是在电力行业的应用还不够广泛，原因之一是目前的DCS在电力生产部门的应用还是占绝大多数，短期内无法实现与FCS的切换;二则目前高校、科研院所对现场总线及FCS技术从研究开发到应用均处于起步阶段，FCS在电力生产部门应用不多，应用与开发的技术很不成熟，在认识和经验方面有较大

4、的欠缺，需要在研究和实验中不断探索、不断总结经验，将FCS的技术和应用逐步完善起来1。 尽管目前现场总线已经在国内电力系统开始应用，但纯粹采用现场总线技术的还不多，基本上是在原有控制基础上，增加部分现场总线的控制理念，和其它先进控制策略(人工智能、神经网络、专家系统等)结合应用更不多见。 本文旨在对FCS在自备电厂生产过程控制中的应用与开发进行积极的尝试和有益的探索，在系统解释、阐述并论证现场总线技术及FCS的概念与原理的基础上，结合自备电厂自动化技术的发展趋势，充分发挥现场总线的优势，提出将现场总线技术、专家系统和总线设备管理应用于电厂辅助控制系统中的设计思路和设计方案，从而使自备电厂生产运

5、行更方便、安全、经济、可靠。并在此基础上结合具体工程项目，将其实际应用于生产过程控制中，这对今后现场总线及先进控制策略在自备电厂的推广和应用具有重要的理论和现实意义。1.2 现场总线简介1.2.1 主要现场总线简介(l) 基金会现场总线FF(Foundation Field bus) 基金会现场总线是国际上几家现场总线经过激烈竞争后形成的的一种现场总 线，由现场总线基金会推出。与私有的网络总线协议不同，FF总线不附属于任何一个企业或国家。其总线体系结构是参照ISO/OSI模型中物理层、数据链路层和应用层，并增加了用户层而建立起来的通信模型。FF得到了世界上几乎所有的著名仪表制造商的支持，同时遵

6、守IEC的协议规划，与IEC的现场总线国际标准和草案基本一致，加上它在技术上的优势，极有希望成为将来的主要国际标准。FF总线提供了Hl和HZ两种物理层标准。Hl是用于过程控制的低速总线，传输速率为31.25Kbps，传输距离为200m、450m、1200m、1900m四种(加中继器后可以延长)，总线供电，支持本质安全设备和非本质安全总线设备。HZ为高速总线，其传输速率为1Mbps(传输距离为750m)或2.5bps(此时传输距离为为500m)。HI和HZ每段节点数可达32个，使用中继器后可达240个，HI和HZ可通过网桥互连。FF的突出特点在于设备的互操作性高、过程数据得以改善、预测维护更早及

7、更加安全可靠2。(2) 过程现场总线Profibus Profibus由Siemens公司提出并极力倡导，己先后成为德国国家标准DIN19245和欧洲标准EN50170，是一种开放而独立的总线标准，在机械制造、工业过程控制、智能建筑中充当通信网络。Profibus由Profibus-PA、Profibus-DP和Profibus-FMS三上海海运学院硕士毕业论文现场总线技术及共应用个系列组成。Profibus一队(ProcessAutomation)用于过程自动化的低速数据传输，其基本特性同FF的HI总线，可以提供总线供电和本质安全，并得到了专用集成电路(ASIC)和软件的支持。Profibu

8、s-DP与Profibus-PA兼容，基本特性同FF的HZ总线，可实现高速传输，适用于分散的外部设备和自控设备之间的高速数据传输，用于连接Profibus队和加工自动化。Profibus-FMS适用于一般自动化的中速数据传输，主要用于传感器、执行器、电气传动、PLC、纺织和楼宇自动化等。后两个系列采用Rsrss通信标准，传输速率从9.6kbps到12Mbps，传输距离从100米-1200米(与传输速率有关)。介质存取控制的基本方式为主站之间的令牌方式和主站与从站之间的主从方式，以及综合这两种方式的混合方式。ProfibuS是一种比较成熟的总线，在工程上的应用十分广泛2。(3) Lonworks

9、总线 Lonworks是又一具有强劲实力的现场总线，它是由美国Echelon公司推出并由它与摩托罗拉、东芝公司共同倡导，于1990年正式公布而形成的。它采用了ISO/OSI模型的全部7层通信协议，采用了面向对象的设计方法，通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置，其通信速率从300hi珑-1.SMbi口S不等，直接通信距离可达2700m(78kbi此，双绞线);支持双绞线、同轴电缆、光纤、射频、红外线、电源线等多种通信介质，并开发了相应的安全防爆产品，被誉为通用控制网络。Lonworks技术所采用的LonTalk协议被封装在称之为Neuron的芯片中并得以实现。集成芯片中有3个8位CPU，1个

10、用于完成开放互连模型中第1和第2层的功能，称为媒体访问控制处理器，实现介质访问的控制与处理;第2个用于完成第3-6层的功能，称为网络处理器，进行网络变量处理的寻址、处理、背景诊断、函数路径选择、软件计时、网络管理，并负责网络通信控制，收发数据包等。第3个是应用处理器，执行操作系统服务与用户代码。芯片中还具有存储信息缓冲区，以实现CPU之间的信息传递，并作为网络缓冲区和应用缓冲区。如摩托罗拉公司生产的神经元集成芯片MC14312E2就包含了ZKRAM和ZKEPROM3。(4) CAN现场总线(Controller Area Network) 在九十年代初期由德国BOSCH公司为解决现代汽车内部大

11、量的控制测试仪器与传感器、执行机构之间的数据交换而开发的一种串行数据通信协议。PHILIPS、TEL、MOTOROLA等公司推出了相应的CAN控制器，内嵌CAN控制器的PsxC592FFA51系列兼容单片机等。其总线规范现已被150国际标准组织制订为国际标准，得到了Otorola、Intel、philips、NEE等公司的支持，己广泛应用在离散控制领域。CAN总线应用研究还在不断深入，就连推出BITBUS的州TEL公司对CAN总线的重视程度己超过了BITBUS4。(5) HART现场总线(Highway Addressable Remote Transdueer) 由美国Rosemount公司

12、开发并得到80多家代表公司的支持，于1993年成立了HART通信基金会。这种被称为可寻址远程传感器高速通道的开放通信协议，其特点是在现有模拟信号传输线上实现数字信号通信，属于模拟系统向数字系统转变过程中的过渡性产品，因而，在当前的过渡时期具有较好的市场，得到了快速的发展4。(6) Interbus-S总线 Interbus作为IEC61158标准之一，广泛地应用于制造业和机器加工行业中，连接传感器/执行器到计算机控制站，是一种开放的串行总线系统。Interbus总线于1984年推出，其主要技术开发者为德国的PhoenixConiact公司，是推出较早的一种开放式总线系统。Intethus Cl

13、ub是Iniethus设备生产厂家和用户的全球性组织，目前在17个国家和地区设立了独立的Club组织，共有500多个成员。Inierbus先后成为德国国家标准D取19258和欧洲标准EN50254。在成为IEC6ll58一员后，Inter bus将得到更大的发展。Intrbus-S网络可以简单的安装与配置。网上的节点类似简单的移位寄存器，位流经过节点则发生翻转。Inierbus-S启动网络并自动配置，不需要节点地址。使用一根电缆，符合IEEE802.5的规定。一个网络上最多可有64个装置，速度可达500K/s，最长距离为25600m，移动节点间距离为400m5。(7) AS-i总线最简单的总线

14、 AS-i代表着执行器、传感器接口。输入传送数据使用两线。线圈输出等需使用附加的两芯电缆供电。AS-i区别于其它工业总线，使用扁平电缆通讯，将连接齿嵌入电缆。也可使用传统的IP67/、NEMA6eurofast连接件。AS-i系统包括一个主站接口，供电电源，最多31个子站。整个系统长度不能超过100米，但可以自由分布，没有分支规则和终端。AS-i适合于不需要昂贵总线的小型网络。当需要简单的主-从总线连接分散的信息和I/O装置，并且数据不是很重要时，AS-i是最经济的方案5。(8) Devie Net通用型、低价位的总线Device Net(设备网)是一种低价位的总线，它可连接自动化生产系统中广

15、泛的工业设备。在制造业领域，设备网遍及全球，尤其是北美和日本。最初是由AB公司设计，现在已经发展成为一种开放式的现场总线的协议，其管理组织ODVA由全球多家公司组成，提供设备网的产品，支持设备网规范的进一步开发。Device Net能够降低设备的安装费用和时间。控制系统中的接近开关、光电开关和阀门等可通过电缆、插件、站等产品进行长距离通讯。并且能够提高设备级的诊断能力。相对于PROFIBUS一DP，Device Net具有更强大的通讯功能，支持除了主一从方式之外的，这种通讯方式，可以更灵活地应用于控制系统中6。1.2.2 现场总线的优点和特点1.2.2.1 现场总线的优点7a 节省硬件数量与投

16、资 由于现场总线系统中分散在设备前端的智能设备能直接执行多种传感、控制、警报和计算功能，因而可减少变压器的数量，不再需要的单独的控制器、计算单元等，也不再需要DCS系统的信号调理、调换、隔离技术等功能单元及其复杂接线，还可以用工控PC机作为操作站，从而节省一大笔硬件投资。b 节省安装费用 现场总线系统的接线十分简单，由于一对双绞线或一条电缆上通常可以挂接多个设备，因而电缆、端子、槽盒、桥架的用量大大减少，连线设计与接头校对的工作量的大大的减少。当需要增加现场现场控制设备时，无需增设新的电缆，可就近连接在原有的电缆上，即节省了投资，也减少了设计、安装的工作量。c 节约维护开销 由于现场控制设备具

17、有自诊断与简单故障处理的能力，并通过数字通信将有关的诊断维护信息送往控制室，用户可以查询所有设备的运行和诊断维护信息，以便即时分析故障原因并快速排除，缩短了维护停工的时间，同时由于系统结构简化、连线简单而减少了维护工作量。d 提高了系统的准确性与可靠性 由于现场总线设备的智能化、数字化，与模拟信号相比，他从根本上提高了测量与控制的准确度，减少了传送误差。同时，由于系统的结构简化，设备与连线减少，现场仪表内部功能加强；减少了信号的往返传输，提高了系统的工作可靠性。 (2) 现场总线的特点8a 系统的开放性。 开放系统是指通信协议公开，各不同厂家的设备之间可进行互连并实现信息交换。现场总线开发者就

18、是要致力于建立统一的工厂底层网络的开放系统，这里的开放是指对相关标准的一致、公开性，强调对标准的共识与遵从。一个开放系统，它可以与任何遵守相同标准的其它设备或系统相连。一个具有总线功能的现场总线网络系统必须是开放的，开放系统把系统集成的权利交给了用户，用户可按自己的需要和对象把来自不同供应商的产品组成大小随意的系统。b 互可操作性与互用性。 这里的互可操作性，是指实现互连设备间、系统间的信息传送与沟通，可实行点对点，一点对多点的数字通信。而互用性则意味着不同生产厂家的性能类似的设备可进行互换而实现互用。c 现场设备的智能化与功能自治性。 它将传感测量、补偿计算、工程量处理和控制等功能分散到现场

19、设备中完成，仅靠现场设备即可完成自动控制的基本功能，并可随时诊断设备的运行状态。 d 系统结构的高度分散性。 由于现场设备本身已可完成自动控制的基本功能，得现场总线已构成一种新的全分布式控制系统的体系结构。从根本上改变了现有CS集中与分散相结合的集散控制系统体系，简化了系统结构，提高了可靠性。e 对现场环境的适应性。工作在现场设备前端，作为工厂网络底层的现场总线，专为在现场环境工作而设计的，它可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外、电力线等，具有较强的抗干扰能力，能采用两线制实现送电与通信，并可满足质安全防爆要求等。1.2.3 现场总线控制系统与DCS系统的比较79在我国化工、冶金、供水等行

20、业，都有 FCS 应用的实例。如安庆安菱化学工业中巨腈回收/精制系统控制、吉林甲醇厂化工/甲醇生产过程控制、滨州化工厂自备电厂锅炉控制、扬子石化硫磺回收控制、安庆炼油厂硫磺回收/富液再生控制、浙江巨化合成氨/空分控制、燕山石化加氢控制、滨州化工厂环氧丙烷生产过程控制等4。但就应用的整体情况而言，系统的规模都比较小(控制回路小于100路、监测点数小于400点)，控制回路的结构也比较简单。在电力系统中，DCS仍占有绝对优势，彻底摒弃DCS而发展FCS也是不符合实际情况的，但也不能坐失良机。1.2.3.1 现场总线控制系统与DCS控制系统在结构上的比较由图 1-1便知DCS、FCS在结构上的不同:

21、图 1-1 DCS FCS结构比较2分散控制系统(DCS)，现场信号通过输入输出设备点对点地输入DCS系统的处理卡件上进行运算处理，控制信号通过专门的输出卡输出，到现场设备进行控制。而计算机(操作站)作为人机接口，而不直接参与控制，系统的大小取决于处理卡件的多少，其控制是分散的，而信息通过网络集中到操作站，其系统可大可小，危险分散，安全增强。FCS系统是通过内置于现场仪表内的控制器及微处理器，对过程参数进行运算，然后通过总线去控制现场的另一台仪表执行器，来达到控制设备的目的，从图1-3-1可以看出其控制全部是数字信号，且更加分散，而系统的大小可随分支总线的大小而定7。现场总线的发展始于80年代

22、中期，当时作为420mA的替代物，它脱胎于DCS，保留了 DCS 设计思想中的精华部分，因此现场总线与 DCS并没有本质的区别。DCS 在控制领域口碑不错，得到很多用户的肯定，正因为如此，FCS 没有完全另起炉灶，而是继承了DCS很多成功之处，诸如数字技术和分散控制，并将它们进一步发展以实现更多功能。无论是FCS还是DCS甚至 DDC，它们的基本点是相同的，通过中央控制室内的操作站和现场设备来完成工厂的运行控制10。1.1.3.2 现场总线控制系统与DCS控制系统相比的优势FCS控制系统除了如上所述可以节省投资外还具有如下优势9：(1) 可操作性主流现场总线现已成为国际标准，来自世界各地不同厂

23、家的产品可以连接在一起协同工作。不久的将来，陆续面市的各式各样的现场总线设备将涵盖所有可能的测量控制需求，满足所有可能的应用，无缝的现场总线系统可以轻松的集成，而不必使用特殊的驱动程序或象在专有系统中那样采用模拟信号来弥合，用户可以选用来自不同的厂商的最好的设备，而不必担心兼容性。这样，由于选择范围很大，用户可以得到性能价格比最好的产品，而不必束缚于某一个厂商。(2) 更好的数据有效性和完整性现场总线采用数字信号，或“0”或“1”，相对于容易发生衰减和失真的模拟信号，具有更好的鲁棒性。数字信号传输使用误码纠正机制，以确保准确无误。参考与测量、操纵参数相对应的状态信息，操作员可以更好更自信的做出

24、决定。数字通讯使多参数传输得以实现，从操作站可以得到更多现场设备的信息，包括设备工位号、设备识别、量程、结构材质、校准信息等。见图 1-2。 图1-2 DCS与FCS现场设备信息比较(3) 提高产品质量由于FCS没有了A/D、D/A转换，信号的完整性、精度得以提高，相应提高了整个系统的精度，也使产品质量更少发生变化，设备的校准信息，包括谁、何时、何地、如何对设备校准等，都按照ISO9000 标准存储在设备中8。通过追踪这些信息有助于保持设备运行的最佳状态。远程诊断和运行评估可以发现设备是否运行在要求条件下。通过这些方法，可以明确质量变化的原因，使设备运行良好。(4) 降低扩展和变动费用现场总线

25、规模灵活，可以包括一个回路，也可以包括上千，甚至更多的回路，在原有现场总线系统基础上，不需要或仅需要很少硬件就可以增加新的回路或对原有回路进行修改。(5) 增加安全性现场总线诊断信息不仅仅报告给操作员，而且设备本身利用这些信息在设备发生故障时，采取安全措施，确保系统安全。因故障提示更为及时和精确，操作员可以更加迅捷的定位故障，并制定对应措施。(6) 现场总线的容错能力 现场总线至少同DCS具有相同的容错能力，不过两者采用不同的容错能力。DCS使用总线冗余，而现场总线使用故障隔离。同DCS一样，FCS采用冗余的操作站(包括相应的接口 ) ，DCS 的控制器网络冗余(数据高速路)，同样，拥有控制器

26、层网络的FCS也冗余(有些FCS系统不存在控制层网络)。同DCS一样，FCS 电源系统也冗余，DCS 需要控制器冗余，而在FCS中，控制由现场设备完成，不存在控制器，因而不存在冗余问题.1.3 现场总线控制系在国内外应用情况 现场总线控制系统在国外电厂应用情况10早在九十年代末，现场总线控制系统就已经在国外的各种电厂中得到应用。这些现场总线控制系统除了完成一般的数据采集功能之外，还实现了燃烧控制、给水控制、过热汽温控制、再热汽温控制、除氧器控制、以及电机的启停控制、联锁保护和报警等功能。比如墨西哥的Mazatlan电厂，该厂首台应用现场总线控制系统的1号单元机组(158MW)在1997年3月1

27、7日投入运行，曾连续运行十二个月无故障、无维护。改善了锅炉相应的动态特性，与DCS 和 PLC 相比投资节省了45%，安装调试时间缩短到三周。由于1号单元机组的改造获得成功，该厂紧接着进行了2号单元机组(158MW)的改造。2号机组于1998年2月14日投入运行。同1号机组一样，这次改造十分成功不但投资进一步节省，达到了50%，而且安装调试时间缩短到一周。从以上实例可以看出，现场总线控制系统完全可以适应电厂控制系统和高可靠性系统的要求，并且可以大量地节省系统投资，缩短安装间，提高现场设备管理水平4。 1.3.2 现场总线控制系统在国内电厂应用情况11我们国家在改革开放以后，国内仪器仪表行业和其

28、它行业一样陷入“灭顶之灾”。由于传统的机械式测量仪表逐步被电子式、数字式以及带有电脑的仪表所替代，国内仪器仪表行业眼睁睁地看着国外产品一点一点地蚕食着本属于自己的国内市场。到“七五”时，有关部门在国家科技攻关中开始列入“仪器仪表”项目。想通过引进国外先进产品技术，逐步消化、吸收，然后拿出国产化的先进仪器仪表来。五年后，攻关没有得到令用户满意的结果。“八五”期间，国家再次将仪器仪表项目列入攻关计划。总体思路和上次基本一致。由于有了上次的教训，这次攻关搞得特别周密。 五年的时间又过去了，在国家计委、原机械部的绝对支持下，攻关目标基本达到，课题组研制和开发出一批质量不错的DCS系统，但是搞出来的DC

29、S基本上找不到用户。更令人失望的是，想与攻关组竞争的仪器仪表“合资”企业也是一事无成。，两个结果导致了，“八五”末期的1995年初，王淦昌、王大珩等二十位院士向国务院领导提出了“关于振兴我国仪器仪表工业的建议”。这实际表明了，中国仪器仪表行业已经面临生死攸关的大问题。 1996年，国家“九五”科技攻关中再次将仪器仪表项目列入其中。起初，专家组在讨论技术方向时，多数人还一心想进一步优化“八五”的成果DCS系统。张广川因偶然的机会与筹备“九五”规划的仪器仪表专家们交谈了各自的看法，居然达到了共识，认为“现场总线技术”是下一代仪器仪表的方向。原机械部和机械装备司仪表处在听取专家意见后，果断决定组织考

30、察团，到美国去参观国际展览会，并破格吸收民营企业的张广川为专家组成员。参观之后，人们顿开茅塞，更坚定地把攻关目标定为“基金会现场总线”。在以后组织课题组的过程中，专家们越来越明确地认识到，他们将尽量利用国内外成熟的技术与元器件，将自主开发与引进技术国产化结合起来，用现场总线和智能化技术来牵引国内仪器仪表行业产品结构的调整和产业升级。 专家组成员在深刻检讨前两次的基础上，决定采用新的组织形式进行攻关，新的组织由六个单位组成，国家攻关项目有民营企业参加，这在机械行业还是第一次；由六个单位派出得力人员组成的课题组放在华控，利用华控的管理机制管理课题组；攻关成果由成员单位共享。 同年，上述六个单位共同

31、承担的国家“九五”科技攻关项目“现场总线智能仪表开发研究”启动，他们共同对FF现场总线和HART协议软、硬件产品进行了研究和开发，1997年，中国仪表行业协会成立现场总线专业委员会，并加入国际现场总线基金会。 到2000年底，“现场总线项目”已开发出数十种现场总线通用接口软硬件和现场总线仪表型等产品，并且分别通过了FF基金会和HART基金会的一致性测试认证，基本完成了攻关的各项要求，并通过了专家的鉴定。 1.4 本文的主要工作本文主要对现场总线在自备电厂控制系统的应用进行设计。在自备电厂DCS系统中的通讯设备硬件结构和相关技术及协议基础上，在辅助车间系统设计了通讯软件体系结构，从而在DCS的基

32、础上把现场总线技术引进了自备电厂控制系统。对辅助控制系统中的补给水系统进行设计，通过各种方案比较，得出优异方案，采用profibus现场总线，与DCS系统相结合，设计了补给水控制系统。并且对补给水系统应用现场总线的环节做出了详细的设计和解释。本次设计包括对补给水系统应用现场总线的硬件设计和软件设计。本次设计，主要是为了熟悉现场总线在自备电厂控制系统的应用原理，能够进一步掌握其中的科学知识，让现场总线能够更好的为电厂控制系统服务，为企业带来更大效益。2 现场总线技术的基本理论 现场总线是用于过程自动化和制造自动化的最低层现场设备互联的通信网络是现场通信网络和控制系统的集成。 现场总线的节点是现场

33、设备或现场仪表如传感器变送器执行器和编程器等但不是传统的单一功能的仪表而是具有综合功能的智能仪表例如温度变送器不仅具有温度信号的变换和补偿功能而且具有PID控制和运算功能;调节阀的基本功能是信号驱动和执行另外还具有输出特性补偿自校验自诊断功能等。 现场总线的本质含义12根据国际电工委员会 IEC (International Eletrotechnical Commission)标准的定义：现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。现场总线的本质含义表现在下面六个方面：(1) 现场通信网络现场总线把通信线一直延伸到生产现场或生产设备，是用于过程自动化和制造

34、自动化的现场设备或现场仪表互联的现场通信网络。传统的DCS的通信网络截止于控制站或输入输出单元，现场仪表与控制室输入输出端口仍然是一对一的模拟信号传输。工业生产现场的环境十分恶劣，既有各种电磁场的干扰噪声，又有各种酸、碱、盐等腐蚀性有害物质,还有高温、低温高、湿度和各种粉尘，现场总线能适应工业生产现场的恶劣环境，从而实现了全数字通信5。(2) 现场设备互连现场设备或现场仪表是指传感器、变送器和执行器等，这些设备能通过一对传输线互连。传输线可以是双绞线、同轴电缆、光缆和电源线等。并可根据需要因地制宜的选择不同类的传输介质。(3) 互换性和互操作性现场设备或现场仪表种类繁多，没有任何一家制造商可以

35、提供一个工厂所需的全部现场设备,所以，互相连接不同制造商的产品是不可避免的5。用户不希望为所选用的产品不同而在硬件或软件上花很大力气。希望选用各制造商性能价格比最优的产品集成在一起，实现即接即用；用户希望对不同品牌的现场设备统一组态。构成所需要的控制回路；这些就是现场设备互换性和互操作性的含义。(4) 分散功能块FCS 废止了 DCS(Distributed Control System ) 的输入/输出单元和控制站，把 DCS 控制站的功能分散的分配给现场仪表，从而构成虚拟控制站。例如流量变送器不仅具有流量信号变换、补偿输入模块，而且有PID 控制和运算功能块；调节阀的基本功能是信号驱动和执

36、行，还内含输出特性补偿模块也可以有 PID 控制和运算模块，还可以有阀门特性自校验和自诊断功能6。功能块分散在多台现场仪表中，并可统一组态，用户可以灵活选择各种功能模块，构成所需要的控制系统，实现彻底的分散控制。(5) 通信线供电通信线供电方式允许现场仪表直接从通信线上摄取能量，这种方式提供于本质安全环境的低功耗现场仪表，与其配套的还有安全栅。众所周知，化工、炼油等企业的生产现场有可燃性物质，所用现场设备必须严格遵循安全防爆标准，现场总线也不能例外6。(6) 开放式互连网络现场总线为开放互连网络，既可与同层网络互连，也可与不同层网络互连，不同制造商的网络互连十分简单，用户不必在硬件或软件上花多

37、大力气。开放式互连网络还体现在网络数据库共享，通过网络对现场设备和功能块的统一组态，天衣无缝的把不同制造商的网络及设备融为一体，构成统一的FCS。2.2 现场总线网络的拓扑结构13由于计算机的广泛应用，为用户提供可分散而有效的数据处理与计算能力。计算机和以计算机为基础的智能设备一般除了处理本身业务之外，还要求与其它计算机沟通信息、共享资源、协同工作，于是出现了通信线路将各计算机连接起来的计算机群。以实现资源共享和作业分布处理，这就是计算机网络。Internet 是世界上最大的非集中式的计算机网络的集合，是全球范围成千上万个网连接起来的互连网，以成为当代信息社会的重要基础设施信息高速公路。企业网

38、是当今信息高速公路的重要组成部分，现场总线把企业网深入到生产现场。现场总线本质上是一种控制网络，因此网络技术是现场总线的重要基础。为保证网络节点之间实时、可靠的数据传输，现场总线网络必须采用合理的拓扑结构。常见的网络拓扑结构有以下几种形式：(1) 星形拓扑星形拓扑结构如图 2-1(a)所示。在星形拓扑中，每个站通过点-点连接到中心节点上，任何两站的通信都通过中心节点进行，一个站要传送数据，首先向中心节点发出请求，要求与目的站建立连接。连接建立后，该站才向目的站发送数据。这种拓扑结构所有通信由中心节点控制，中心节点必须建立和维持许多并行数据通路，因此中心节点结构复杂，而每个站的通信处理负担小，结

39、构简单。星形拓扑采用电路交换，能实现数据通信量的综合，适用于低数据率设备。它的网络终端承担的通信处理负担少，因而适合于要求终端密集的地方1。 图2-1 网路拓扑结构(2) 树形拓扑树形拓扑结构如图 2-1(b)所示，树形拓扑的适应性强，可适用很广的范围。数据率和数据类型没有太多限制，可达到很高的带宽。 树形结构在单个局域网系统中采用不多，如果把多个总线形网络连接在一起，或联到另一个大型机或一个环形网上，就形成了树形拓扑结构。树形拓扑非常适用于分主次、分等级的层次型管理系统1。树形拓扑的特点是扩展性好，频带较宽，但节点间通信不便。(3) 环形拓扑环形拓扑结构如图 2-1(c)所示，在环形拓扑中，

40、网络中有许多中继器进行点-点链路连接，构成一个封闭的环。中继器接受前驱站发来的数据，然后按原来的速度一位一位的从另一链路发出去。链路是单向的，数据沿着一个方向(顺时针或反时针)在网络环行。每个工作站通过中继器连接到网络上，一个站发送信息，数据拆分成组加上控制信息插入环中，通过其他中继器达到目的站。由于多个工作站要共享环路，需要某种访问控方式，确定每个站何时能向环上插入分组。它们一般采用分布控制，每个站有存取逻辑和收发控制。环形拓扑的网络设备只需要很简单的中继器，而工作站则需要提供拆包和存取控制逻辑等较复杂的功能。环行拓扑的中继器之间可使用高速链路 (如光纤)，因此环形网络与其它拓扑相比，可提供

41、更大的吞吐量，适用于工业环境。环形拓扑的特点是时延确定性，重载时网络效率高，但轻载时等待令牌产生不必要的时延，传输效率下降。(4) 总线拓扑总线拓扑结构如图2-1(d)所示，在总线拓扑中，传输介质是一条总线，工作站通过相应的硬件接口连接至总线上。一个站发送数据，所有其它站都能接收。树形拓扑是总线拓扑的扩展形式，传输介质是不封闭的分支电缆。它和总线拓扑一样，一个站发送数据，其它站都能接收。因此，总线和树形拓扑的传输介质被称为多点式或广播式。因为所有节点共享一条传输链路，一次只允许一个站发送信息，需有某种存取控制方式，确定下一个可以发送的站。信息是按分组发送，达到目的站后，经过地址识别将信息复制下

42、来2。总线拓扑的特点是节点输入方便、成本低，轻载时时延小， 但网络通信负荷较重时时延加大，网络效率下降，总线拓扑传输时延不定。(5) 令牌总线拓扑令牌总线拓扑结合了环行拓扑和总线拓扑的优点，即物理上是总线网，逻辑上是令牌网。网络传输时延确定， 同时节点接入方便，可靠性好。采用令牌方式的局域网，网上每一个站点都知道信息的来去动向，保证较高的信启、传输确定性。能够估算出信息传输的迟延时间，比较适合在实时系统中使用，所以现场总线的网段多采用令牌总线拓扑和环行拓扑。树形拓扑由于可扩张性好，所以在现场总线各网段构成大的控制系统时经常采用。而在有较密集输出。 现场总线的开放系统互连参考模型七十年代以后，计

43、算机工业有了迅速的发展。各主要的计算机生产厂家纷纷开发出自己的计算机系列产品，他们各自拥有自己的操作系统和其它系统软件，以保证同一系列内各种计算机的兼容性。随着互连通信需求的提出，一些主要的计算机厂商又研究开发出各自的通信系统。由于这些特定厂家的通信系统所用的信息格式和控制机制不一致，彼此之间不能兼容，难以实现不同厂家生产的计算机之间的互连操作，这种自成体系的计算机通信系统称为封闭系统。随着计算机的种类日益增多，应用日益普及，计算机用户已不能满足仅使用一个厂商的计算机设备。用户同时安装多个计算机厂商的产品并需要联网的情况越来越多，由于缺乏一个通用的通信体系结构，使得各种计算机互连成为一个难题。

44、所以，人们迫切希望建立一系列的国际标准和国内标准1。可以认为，人们盼望的这种开放系统应该是一种厂家中立的理想系统，即它的应用发展不应受任何厂家的控制与限制。要实现这样一个开放系统的有效配置、操作和部件替换，就必须满足一系列的对接口、服务、协议的规范要求。要实现开放系统首先就要有公开而统一的规范描述及其实现方法。在开放系统的环境下，可以不同厂家的产品作为部件组成系统，也可以在不同厂家的相同功能的产品之间实现互换。这样就为用户采用多家产品集成系统并为系统的维护带来很大的方便，同时有利于打破市场垄断，促进技术与产品的发展。正是由于以上需求动力的驱动，促成了 OSI (Open System Inte

45、r connection)参考模型的出现。1978 年，国际标准化组织(ISO)建立了一个“开放系统互连”分技术委员会，起草了“开放系统互连基本参考模型”。1983 年成为正式国际标准(ISO7498)。传统的仪表和控制技术也受早期计算机系统不兼容的限制，不同厂家的仪表和控制设备不能互换，不同的控制系统之间也难以实现信息交换，控制网络与其它网络也难以数据交换。现场总线技术针对这个难题，采用了开放系统互连模型。2.3.1 OSI参考模型及结构为开放系统互连所建立的分层模型简称OSI参考模型。其目的是为各种计算机互连提供一个共同的基础和标准框架，并为保持相关标准的一致性和兼容性提供共同的参考。所谓

46、开放是强调ISO标准的遵从，开放并不是指特定的系统具体的互连手段，而是对使用标准的共同认识。一个系统是开放的，是指它可以与世界上任何地方的遵守相同的标准的其它任何系统通信。0SI 参考模型是在博采众长的基础上形成的系统互连技术。它不仅促进了数据通信的发展，而且还导致了整个计算机网络的发展。OSI 参考模型提供了概念性和功能性结构。该模型将开放系统的通信功能划分为七个层次。在导入新技术或提出新的技术要求时，就可以把由通信功能扩展、更新所带来的影响限制在直接有关的层次内，而不必改动全部协议。OSI 参考模型分层原则是将相似的功能集中在同一层内，功能差别较大时则分层处理，每层只对相邻的上下层定义接口

47、。OSI 参考模型是计算机网络体系结构发展的产物，它的基本内容是开发系统通信功能的分层结构。这个模型把开放系统的通信功能分为七个层次分别赋予 1, 27 层的顺序编号，相应的称之为物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。OSI 参考模型如图 2-2所示1。 图2-2 OSI参考模型2.3.2 OSI参考模型的功能划分OSI 参考模型每一层的功能是独方的，它利用其下一层提供的服务并为其上一层提供服务，而与其它层的具体情况无关。这里的“服务”就是下一层向上一层提供的通信功能和层之间的会话规定，一般用通信服务原语实现。两个开放系统中的同层之间的通信规则和约定称之为协议。通常，第1

48、-3 层功能称为底层功能，即通信传输功能，这是网络与终端均需要具备的功能。第 4-7 层功能称为高层功能，即通信处理功能，通常需要有终端来提供1。(1) 物理层(第 1 层)物理层并不是物理媒体本身，它只是开放系统中利用物理媒体实现物理连接的功能描述和执行连接的规程。物理层提供用于建立和断开物理连接的机械的、电气的、功能的和过程的条件1。简而言之，物理层提供有关同步和比特率在物理媒体上的传输手段。(2) 数据链路层(第 2 层)数据链路层用于建立、维护、拆除链路连接，实现无差错传输功能。在点到点或点到多点的链路上，保证信息的可靠传递。该层对连接相邻的通路进行差错控制、数据成帧、同步控制等。检测

49、差错一般采用循环冗与校验(CRC)，纠正差错采用计时器恢复和自动请求重发(ARQ)的技术1。(3) 网络层(第 3 层)网络层规定了网络连接的建立、维护和拆除的协议。它的主要功能是利用数据链路层所提供的相邻节点间的无差错数据传输功能，通过路由选择和中继功能，实现两个系统之间的连接。计算机网络中网络层还具有多路复用的功能。(4) 传输层(第 4 层)传输层完成开放系统之间的数据传送控制。主要功能是开放系统之间数据的收发确认。同时，还用于弥补各种网络通信质量差异，对经过下三层之后仍然存在的传输差错进行恢复，进一步提高可靠性。另外，还通过复用、分段和组合、连接和分离、分流和合流等技术措施，提高吞吐节

50、和服务质量。(5) 会话层(第 5 层)会话层依靠传输层的通信功能使数据传送功能在开放系统间有效的进行。其主要功能是按照在应用进程之间的约定，按照正确的顺序收发数据，进行各种形式的对话。控制方式可以归纳为以下两类：一是为了在会话应用层易于实现接收处理和发送处理的逐次交替变换，设置某一时刻只有一端发送数据。因此需要有交替改变发信端的传输控制。二是在类似文件传送等单方向传送大量数据的情况下，为了防备应用处理中出现意外，在传送数据的过程中而要给数据打上记号。当出现意外时可以由打标记处重发。例如可以将长文件分页发送，当收到上页的接收确认后，再发下页内容1。(6) 表示层(第 6 层)表示层的主要功能是

51、把应用层提供的信息变为能够共同理解的形式。提供字符代码、数据格式、控制信息格式、加密等地统一表示。表示层仅对应用层信息内容的形式进行变换，而不改变内容本身。(7) 应用层(第 7 层)应用层是 OSI 参考模型的最高层。其功能是实现应用进程(如用户程序)之间的信息交换。同时，还具有一系列业务所需的服务功能。2.3.3 现场总线的OSI 参考模型工业生产现场存在大量的传感器、控制器、执行器等，它们通常相当零散的分布在一个较大的范围内。对由它们组成的工业控制底层网络来说单个节点的信息量不大，信息传输的任务相对比较简单，但实时性、快速性的要求较高。如果按照七层模式的参考模型，由于层间操作和转换的复杂

52、性，网络接口的造价与时间开销过高。为满足实时性要求，也为了实现工业网络的低成本，现场总线采用的通信模型大都在 OSI 模型的基础上进行了不同程度的简化。典型的现场总线协议模型如图 2-3 第二列所示。它采用 OSI 模型的三个典型层：物理层、数据链路层、应用层、在省去了 3-6 层后，考虑到现场通信的特点，设置一个现场总线访问子层。它具有结构简单，执行协议直观，价格低廉等优点，也满足工业现场应用的性能要求。它是 OSI 的简化形式，其流量与差错控制在数据链路层进行。因此与 OSI 模型不完全保持一致。总之，开放系统互连模型是现场总线技术的基础，现场总线参考模型既要遵循开放系统集成的原则，又要充

53、分兼顾测控应用的特点和特殊要求1。 图2-3 OSI与部分现场总线模型关系3 现场总线在自备电厂控制系统的应用研究 控制系统设计的原则11 设计原则应该是在安全可靠的基础下，充分发挥FCS（Field bus Control System ）的功能优势，以达到提高控制水平的目的。3.1.1 满足生产过程监控的要求 根据生产过程的监视和控制的要求，确定FCS控制方案。这种要求主要体现在对实时性的要求，特别是针对火电厂中复杂的调节或监控方案，更要进行充分的预设计，进而确定控制方案。3.1.2 选择符合设计要求的FCS设备根据已确定的控制方案和通信模式，包括通信速率、通信距离及通信协议，选择能满足控

54、制要求和通信模式的FCS设备;根据设计方案中的供电方式，选择FCS设备的总线供电方式，或者外供电方式;根据FCS布置环境，确定是否采用本安防爆型FCS设备。此外还需重点强调的选择原则是，被选择的FCS设备必须是被授予过现场总线标志的产品，确保通信的一致性与开放性。3.1.3 突出FCS的优势 采用FCS的设计方案应能充分体现出FCS的优势，使FCS的应用具有实际提高控制水平的意义。 控制系统设计的方法14 现场总线控制系统的工程设计要在对现场作充分调研和论证的基础上进行。根据装置到控制室的距离，以及现场设备的数量和分布情况，确定电缆型号和网络拓扑结构，并确认总线干线和所有支持电缆长度是否符合基

55、金会总线协议中的规定。Hl总线最长为190Om，若距离更远时，可以采用中继器，标准规定两台设备之间最多可用4个中继器(即最大距离为950Om)。一般来说，完成同一控制回路策略的设备最好联接在同一网络段中，现场接线盒的位置应符合节省电缆和便于安装原供电场合，一条总线电缆可接12一16台现场设备。基金会现场总线满足本质安全应用，总线供电时，同一电缆上可连接2一6台现场设备。如Smar公司的总线安全栅SB3OZ可连4台现场仪表，而一条HI总线上可连4个总线安全栅。现在有些厂商已提供专为现场总线设计的端子块系统，使布线和安装容易多了。 在FCS系统中，现场总线仪表可以一表多用，具有控制、报警、计算、累

56、加、非线性补偿、信号选择等功能，原来DCS中所需的一些二次仪表或模块硬件，在FCS中可以省去。在设计时，应充分发挥现场总线设备的软件功能，实现一些在DCS(Distributed Control System )中需要增加硬件设备，甚至昂贵硬件设备才能实现的一些功能。在DCS中，系统和现场设备是相对独立的两部分，在设计时常常单独考虑。例如，不少投资项目中，系统和现场设备是两份标书，分别询价报价。而这些观念和习惯已不能适应新一代控制系统，因为在FCS中，现场设备与系统有机地融为一体，现场设备已不再是独立的一台设备，而是整个工厂网络里的一个智能节点。基金会现场总线的互可操作性，使不同厂商生产的设备

57、可以协同运作而不损失性能。设计时要改变以往一个系统全是一个厂商的设备的习惯，而是在现场总线基金会认证的产品中选择性能、价格最合适的产品来集成一个优越系统。3.3 控制系统设计的一般步骤7 一个现场总线控制系统的设计可分为系统规划、设备选型、安装施工设计、组态编程几步。系统规划 深入研究被控对象和系统工艺流程，绘制出控制和检测系统图，分别完成下述设计。(l) 闭环控制回路的设计 闭环控制回路应包括压力差压液位控制回路、温度控制回路、手动遥控回路、控制回路输出等。(2) 监测点统计 监测点包括热电偶、热电阻温度信号监测数，压力压差液位变送器信号数以及其它4-2OmA信号监测数，开关量输出(DO)数

58、和开关量输入(Dl)数等。(3) 人机界面操作站统计 人机界面操作员站统计的内容为操作站主机台数，每台主机CRT台数。(4) 系统特性 系统特性的内容为本安系统、防爆系统、普通系统，冗余要求，控制室与现场距离等。(5) 系统控制策略 系统控制策略是这样分配的，一般基本的实时控制在现场总线现场设备中实现，实时性较差的特殊算法和高级控制在控制站中实现。3.3.2 设备选型7 开放和互可操作是FF的主要优点，用户可以从不同公司购买性价比最好的产品构筑自己的控制系统，当然在可比条件下，购买同一公司产品将有利于简化服务和技术支持。(l) 确定控制输出设备通常有三种总线控制输出设备，一种是现场总线到4一2

59、0mA电流输出接口，它可以和传统的电气转换器、电气阀门定位器、伺服放大器相连;第二种是现场总线到0.020.IMPa气动信号转换控制器，但它对于大阀门还需另配气动阀门定位器;第三种是现场总线阀门定位器。后两者连线简单，不需要向现场拉电源，更适合于本安系统要求。(2) 确定控制检测设备 根据系统控制回路、测点的类型和数量来确定控制检测设备，例如压力差压液位变送控制器、温度变送控制器，对于回路中还没有现场总线标准的仪表设备，如质量流量计、涡街流量计等可选用一种4-20mA到现场总线接口将其引入系统。(3) 确定现场总线条数 根据所确定的现场设备总数和每条总线上所能挂的设备数计算出共要几条总线。每条

60、总线上所能挂的设备数除受标准限制外还受通信负载、电缆压降和本安参数的限制。(4) 确定现场总线接口设备数这里可选的接口设备有现场总线接口卡或现场总线通用网桥。两者均可以接4Hl现场总线。根据总线条数和接口设备的总线接口数可以算出所需接口设备的。3.3.3 安装施工设计 FCS在安装施工设计上和DCS的主要区别在于现场设备布线，DCS系统中所有现场设备电缆都顺走线桥架到控制室端子柜。而FCS则要将同一总线的设备连在一起再送控制室。其拓扑结构有总线型、树型、菊花链型、点到点型和混合型，这在前面己经介绍过。3.3.4 组态编程 控制系统软件分为两个层次，一个是控制设备的控制策略组态软件，如现场总线组

61、态软件。经FF认证的组态软件应能对不同公司的产品进行组态，组态是用FF标准功能块进行，对于厂商特殊性能，FF将提供DD(设备描述)软件，组态是Windows文件形式，其间要选定设备、功能块、参数，并对功能块参数进行连接和设置以完成控制策略，该文件即可下装到设备中，也可打印成文本保存。 当控制完成后，有关信息进入PC机数据库，人机界面软件(HMI)将这些数据进行处理，制作动态流程图、棒形图、历史趋势、报警等。这属于另一层次的控制系统软件。用户可以选择不同品牌HMI软件产品，OPC技术实现了对控制设备的彻底开放。 现场总线设备信息极为丰富，其分为动态信息(数据随时改变)，半动态信息(数据在事件和报

62、警时改变)和静态信息(只有在组态时改变)。其中用于过程控制的只占极少数，而大部分将用于管理。 从上述设计步骤来看，现场总线控制系统主要在布线施工设计方面与DCS有一定差别，而其他方面差别不是很大。 3.4 现场总线技术在自备电厂控制系统中的应用设计7 目前，在国内自备电厂发电机组上应用的控制系统大部分都是分散控制系统(DCS )，但是这种传统意义上的DCS具有一定的局限性，分散化程度和开放性程度均不够高，DCS 电子设备柜集中放置在控制楼内，电缆敷设量大等确点6。随着计算机技术、通讯技术和电子技术等领域的高速发展，原有概念上的PLC，中、小规模的控制系统吸纳新技术，形成一种分散度更高的分散控制系统，并通过先进的、开放的计算机网络技术、分散的现场总线、可靠的硬件系统和良好的人机界面，实现对自备电厂发电机组及辅助车间及设施的监控，为自备电厂的全厂监控系统的实现积累经验。 自备电厂DCS控制系统结构自备电厂主要的控制系统包括以下几个方面：(1) 燃煤锅炉控制系统采用法国CEGELEC公司提供