1、畢業(yè)設(shè)計（論文）現(xiàn)場總線技術(shù)在自備電廠控制系統(tǒng)的應(yīng)用研究Field Bus-owned power plant control system in the Applied Researce： ： ： ： ： ： ： 學生姓名學歷層次所在系部所學專業(yè)指導教師教師職稱完成時間目 錄1 引 言2 1.1 課題的目的和意義21.2 現(xiàn)場總線簡介21.3 現(xiàn)場總線控制系在國內(nèi)外應(yīng)用情況101.4 本文的主要工作112 現(xiàn)場總線技術(shù)的基本理論122.1 現(xiàn)場總線的本質(zhì)含義122.2 現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)132.3 現(xiàn)場總線的開放系統(tǒng)互連參考模型163 現(xiàn)場總線在自備電廠控制系統(tǒng)的應(yīng)用研究203.1 控制

2、系統(tǒng)設(shè)計的原則203.2 控制系統(tǒng)設(shè)計的方法203.3 控制系統(tǒng)設(shè)計的一般步驟213.4 現(xiàn)場總線技術(shù)在自備電廠控制系統(tǒng)中的應(yīng)用設(shè)計234 現(xiàn)場總線在自備電廠控制系統(tǒng)應(yīng)用舉例294.1 現(xiàn)場總線應(yīng)用在自備電廠控制系統(tǒng)的選擇方案294.2 現(xiàn)場總線在自備電廠輔助控制系統(tǒng)補給水系統(tǒng)的應(yīng)用294.3 設(shè)計通信控制器SPC3中斷處理子程序385 總 結(jié)426 參考文獻參考文獻43致謝.441 引 言 1.1 課題的目的和意義信息技術(shù)的飛速發(fā)展，導致了自動化領(lǐng)域的深度變革，并逐漸形成了自動化領(lǐng)域的開放系統(tǒng)互連通信網(wǎng)絡(luò)，形成了全分布式網(wǎng)絡(luò)集成化自控系統(tǒng)。而現(xiàn)場總線正是場深刻變革中的重要技術(shù)。 現(xiàn)場總線控制

3、系統(tǒng)FCS（Fieldbus Control System ）是繼基地式氣動儀表控制系統(tǒng)、電動單元組合式模擬儀表控制系統(tǒng)、集中式數(shù)字控制系統(tǒng)、集散控制系統(tǒng)DCS(Distributed Control System )后的新一代控制系統(tǒng)。11.2 現(xiàn)場總線簡介1.2.1 主要現(xiàn)場總線簡介(l) 基金會現(xiàn)場總線FF(Foundation Field bus) 基金會現(xiàn)場總線是國際上幾家現(xiàn)場總線經(jīng)過激烈競爭后形成的的一種現(xiàn)場總 線，由現(xiàn)場總線基金會推出。與私有的網(wǎng)絡(luò)總線協(xié)議不同，F(xiàn)F總線不附屬于任何一個企業(yè)或國家。其總線體系結(jié)構(gòu)是參照ISO/OSI模型中物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層，并增加了用戶層而

4、建立起來的通信模型。FF得到了世界上幾乎所有的著名儀表制造商的支持，同時遵守IEC的協(xié)議規(guī)劃，與IEC的現(xiàn)場總線國際標準和草案基本一致，加上它在技術(shù)上的優(yōu)勢，極有希望成為將來的主要國際標準。FF總線提供了Hl和HZ兩種物理層標準。Hl是用于過程控制的低速總線，傳輸速率為31.25Kbps，傳輸距離為200m、450m、1200m、1900m四種(加中繼器后可以延長)，總線供電，支持本質(zhì)安全設(shè)備和非本質(zhì)安全總線設(shè)備。HZ為高速總線，其傳輸速率為1Mbps(傳輸距離為750m)或2.5bps(此時傳輸距離為為500m)。HI和HZ每段節(jié)點數(shù)可達32個，使用中繼器后可達240個，HI和HZ可通過網(wǎng)橋

5、互連。FF的突出特點在于設(shè)備的互操作性高、過程數(shù)據(jù)得以改善、預測維護更早及更加安全可靠2。(2) 過程現(xiàn)場總線Profibus Profibus由Siemens公司提出并極力倡導，己先后成為德國國家標準DIN19245和歐洲標準EN50170，是一種開放而獨立的總線標準，在機械制造、工業(yè)過程控制、智能建筑中充當通信網(wǎng)絡(luò)。Profibus由Profibus-PA、Profibus-DP和Profibus-FMS三上海海運學院碩士畢業(yè)論文現(xiàn)場總線技術(shù)及共應(yīng)用個系列組成。Profibus一隊(ProcessAutomation)用于過程自動化的低速數(shù)據(jù)傳輸，其基本特性同F(xiàn)F的HI總線，可以提供總線供

6、電和本質(zhì)安全，并得到了專用集成電路(ASIC)和軟件的支持。Profibus-DP與Profibus-PA兼容，基本特性同F(xiàn)F的HZ總線，可實現(xiàn)高速傳輸，適用于分散的外部設(shè)備和自控設(shè)備之間的高速數(shù)據(jù)傳輸，用于連接Profibus隊和加工自動化。Profibus-FMS適用于一般自動化的中速數(shù)據(jù)傳輸，主要用于傳感器、執(zhí)行器、電氣傳動、PLC、紡織和樓宇自動化等。后兩個系列采用Rsrss通信標準，傳輸速率從9.6kbps到12Mbps，傳輸距離從100米-1200米(與傳輸速率有關(guān))。介質(zhì)存取控制的基本方式為主站之間的令牌方式和主站與從站之間的主從方式，以及綜合這兩種方式的混合方式。Profibu

7、S是一種比較成熟的總線，在工程上的應(yīng)用十分廣泛2。(3) Lonworks總線 Lonworks是又一具有強勁實力的現(xiàn)場總線，它是由美國Echelon公司推出并由它與摩托羅拉、東芝公司共同倡導，于1990年正式公布而形成的。它采用了ISO/OSI模型的全部7層通信協(xié)議，采用了面向?qū)ο蟮脑O(shè)計方法，通過網(wǎng)絡(luò)變量把網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計簡化為參數(shù)設(shè)置，其通信速率從300hi瓏-1.SMbi口S不等，直接通信距離可達2700m(78kbi此，雙絞線);支持雙絞線、同軸電纜、光纖、射頻、紅外線、電源線等多種通信介質(zhì)，并開發(fā)了相應(yīng)的安全防爆產(chǎn)品，被譽為通用控制網(wǎng)絡(luò)。Lonworks技術(shù)所采用的LonTalk協(xié)議被封

8、裝在稱之為Neuron的芯片中并得以實現(xiàn)。集成芯片中有3個8位CPU，1個用于完成開放互連模型中第1和第2層的功能，稱為媒體訪問控制處理器，實現(xiàn)介質(zhì)訪問的控制與處理;第2個用于完成第3-6層的功能，稱為網(wǎng)絡(luò)處理器，進行網(wǎng)絡(luò)變量處理的尋址、處理、背景診斷、函數(shù)路徑選擇、軟件計時、網(wǎng)絡(luò)管理，并負責網(wǎng)絡(luò)通信控制，收發(fā)數(shù)據(jù)包等。第3個是應(yīng)用處理器，執(zhí)行操作系統(tǒng)服務(wù)與用戶代碼。芯片中還具有存儲信息緩沖區(qū)，以實現(xiàn)CPU之間的信息傳遞，并作為網(wǎng)絡(luò)緩沖區(qū)和應(yīng)用緩沖區(qū)。如摩托羅拉公司生產(chǎn)的神經(jīng)元集成芯片MC14312E2就包含了ZKRAM和ZKEPROM3。(4) CAN現(xiàn)場總線(Controller Area

9、 Network) 在九十年代初期由德國BOSCH公司為解決現(xiàn)代汽車內(nèi)部大量的控制測試儀器與傳感器、執(zhí)行機構(gòu)之間的數(shù)據(jù)交換而開發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議。PHILIPS、TEL、MOTOROLA等公司推出了相應(yīng)的CAN控制器，內(nèi)嵌CAN控制器的PsxC592FFA51系列兼容單片機等。其總線規(guī)范現(xiàn)已被150國際標準組織制訂為國際標準，得到了Otorola、Intel、philips、NEE等公司的支持，己廣泛應(yīng)用在離散控制領(lǐng)域。CAN總線應(yīng)用研究還在不斷深入，就連推出BITBUS的州TEL公司對CAN總線的重視程度己超過了BITBUS4。(5) HART現(xiàn)場總線(Highway Addressa

10、ble Remote Transdueer) 由美國Rosemount公司開發(fā)并得到80多家代表公司的支持，于1993年成立了HART通信基金會。這種被稱為可尋址遠程傳感器高速通道的開放通信協(xié)議，其特點是在現(xiàn)有模擬信號傳輸線上實現(xiàn)數(shù)字信號通信，屬于模擬系統(tǒng)向數(shù)字系統(tǒng)轉(zhuǎn)變過程中的過渡性產(chǎn)品，因而，在當前的過渡時期具有較好的市場，得到了快速的發(fā)展4。(6) Interbus-S總線 Interbus作為IEC61158標準之一，廣泛地應(yīng)用于制造業(yè)和機器加工行業(yè)中，連接傳感器/執(zhí)行器到計算機控制站，是一種開放的串行總線系統(tǒng)。Interbus總線于1984年推出，其主要技術(shù)開發(fā)者為德國的Phoenix

11、Coniact公司，是推出較早的一種開放式總線系統(tǒng)。Intethus Club是Iniethus設(shè)備生產(chǎn)廠家和用戶的全球性組織，目前在17個國家和地區(qū)設(shè)立了獨立的Club組織，共有500多個成員。Inierbus先后成為德國國家標準D取19258和歐洲標準EN50254。在成為IEC6ll58一員后，Inter bus將得到更大的發(fā)展。Intrbus-S網(wǎng)絡(luò)可以簡單的安裝與配置。網(wǎng)上的節(jié)點類似簡單的移位寄存器，位流經(jīng)過節(jié)點則發(fā)生翻轉(zhuǎn)。Inierbus-S啟動網(wǎng)絡(luò)并自動配置，不需要節(jié)點地址。使用一根電纜，符合IEEE802.5的規(guī)定。一個網(wǎng)絡(luò)上最多可有64個裝置，速度可達500K/s，最長距離為

12、25600m，移動節(jié)點間距離為400m5。(7) AS-i總線最簡單的總線 AS-i代表著執(zhí)行器、傳感器接口。輸入傳送數(shù)據(jù)使用兩線。線圈輸出等需使用附加的兩芯電纜供電。AS-i區(qū)別于其它工業(yè)總線，使用扁平電纜通訊，將連接齒嵌入電纜。也可使用傳統(tǒng)的IP67/、NEMA6eurofast連接件。AS-i系統(tǒng)包括一個主站接口，供電電源，最多31個子站。整個系統(tǒng)長度不能超過100米，但可以自由分布，沒有分支規(guī)則和終端。AS-i適合于不需要昂貴總線的小型網(wǎng)絡(luò)。當需要簡單的主-從總線連接分散的信息和I/O裝置，并且數(shù)據(jù)不是很重要時，AS-i是最經(jīng)濟的方案5。(8) Devie Net通用型、低價位的總線D

13、evice Net(設(shè)備網(wǎng))是一種低價位的總線，它可連接自動化生產(chǎn)系統(tǒng)中廣泛的工業(yè)設(shè)備。在制造業(yè)領(lǐng)域，設(shè)備網(wǎng)遍及全球，尤其是北美和日本。最初是由AB公司設(shè)計，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展成為一種開放式的現(xiàn)場總線的協(xié)議，其管理組織ODVA由全球多家公司組成，提供設(shè)備網(wǎng)的產(chǎn)品，支持設(shè)備網(wǎng)規(guī)范的進一步開發(fā)。Device Net能夠降低設(shè)備的安裝費用和時間。控制系統(tǒng)中的接近開關(guān)、光電開關(guān)和閥門等可通過電纜、插件、站等產(chǎn)品進行長距離通訊。并且能夠提高設(shè)備級的診斷能力。相對于PROFIBUS一DP，Device Net具有更強大的通訊功能，支持除了主一從方式之外的，這種通訊方式，可以更靈活地應(yīng)用于控制系統(tǒng)中6。1.2.2

14、 現(xiàn)場總線的優(yōu)點和特點1.2.2.1 現(xiàn)場總線的優(yōu)點7a 節(jié)省硬件數(shù)量與投資 由于現(xiàn)場總線系統(tǒng)中分散在設(shè)備前端的智能設(shè)備能直接執(zhí)行多種傳感、控制、警報和計算功能，因而可減少變壓器的數(shù)量，不再需要的單獨的控制器、計算單元等，也不再需要DCS系統(tǒng)的信號調(diào)理、調(diào)換、隔離技術(shù)等功能單元及其復雜接線，還可以用工控PC機作為操作站，從而節(jié)省一大筆硬件投資。b 節(jié)省安裝費用 現(xiàn)場總線系統(tǒng)的接線十分簡單，由于一對雙絞線或一條電纜上通常可以掛接多個設(shè)備，因而電纜、端子、槽盒、橋架的用量大大減少，連線設(shè)計與接頭校對的工作量的大大的減少。當需要增加現(xiàn)場現(xiàn)場控制設(shè)備時，無需增設(shè)新的電纜，可就近連接在原有的電纜上，即節(jié)

15、省了投資，也減少了設(shè)計、安裝的工作量。c 節(jié)約維護開銷 由于現(xiàn)場控制設(shè)備具有自診斷與簡單故障處理的能力，并通過數(shù)字通信將有關(guān)的診斷維護信息送往控制室，用戶可以查詢所有設(shè)備的運行和診斷維護信息，以便即時分析故障原因并快速排除，縮短了維護停工的時間，同時由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡化、連線簡單而減少了維護工作量。d 提高了系統(tǒng)的準確性與可靠性 由于現(xiàn)場總線設(shè)備的智能化、數(shù)字化，與模擬信號相比，他從根本上提高了測量與控制的準確度，減少了傳送誤差。同時，由于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡化，設(shè)備與連線減少，現(xiàn)場儀表內(nèi)部功能加強；減少了信號的往返傳輸，提高了系統(tǒng)的工作可靠性。 (2) 現(xiàn)場總線的特點8a 系統(tǒng)的開放性。 開放系統(tǒng)是指通

16、信協(xié)議公開，各不同廠家的設(shè)備之間可進行互連并實現(xiàn)信息交換。現(xiàn)場總線開發(fā)者就是要致力于建立統(tǒng)一的工廠底層網(wǎng)絡(luò)的開放系統(tǒng)，這里的開放是指對相關(guān)標準的一致、公開性，強調(diào)對標準的共識與遵從。一個開放系統(tǒng)，它可以與任何遵守相同標準的其它設(shè)備或系統(tǒng)相連。一個具有總線功能的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)必須是開放的，開放系統(tǒng)把系統(tǒng)集成的權(quán)利交給了用戶，用戶可按自己的需要和對象把來自不同供應(yīng)商的產(chǎn)品組成大小隨意的系統(tǒng)。b 互可操作性與互用性。 這里的互可操作性，是指實現(xiàn)互連設(shè)備間、系統(tǒng)間的信息傳送與溝通，可實行點對點，一點對多點的數(shù)字通信。而互用性則意味著不同生產(chǎn)廠家的性能類似的設(shè)備可進行互換而實現(xiàn)互用。c 現(xiàn)場設(shè)備的智能

17、化與功能自治性。 它將傳感測量、補償計算、工程量處理和控制等功能分散到現(xiàn)場設(shè)備中完成，僅靠現(xiàn)場設(shè)備即可完成自動控制的基本功能，并可隨時診斷設(shè)備的運行狀態(tài)。 d 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性。 由于現(xiàn)場設(shè)備本身已可完成自動控制的基本功能，得現(xiàn)場總線已構(gòu)成一種新的全分布式控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。從根本上改變了現(xiàn)有CS集中與分散相結(jié)合的集散控制系統(tǒng)體系，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了可靠性。e 對現(xiàn)場環(huán)境的適應(yīng)性。工作在現(xiàn)場設(shè)備前端，作為工廠網(wǎng)絡(luò)底層的現(xiàn)場總線，專為在現(xiàn)場環(huán)境工作而設(shè)計的，它可支持雙絞線、同軸電纜、光纜、射頻、紅外、電力線等，具有較強的抗干擾能力，能采用兩線制實現(xiàn)送電與通信，并可滿足質(zhì)安全防爆要求等。1

18、.2.3 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)與DCS系統(tǒng)的比較79在我國化工、冶金、供水等行業(yè)，都有 FCS 應(yīng)用的實例。如安慶安菱化學工業(yè)有限公司中巨腈回收/精制系統(tǒng)控制、吉林甲醇廠化工/甲醇生產(chǎn)過程控制、濱州化工廠自備電廠鍋爐控制、揚子石化硫磺回收控制、安慶煉油廠硫磺回收/富液再生控制、浙江巨化合成氨/空分控制、燕山石化加氫控制、濱州化工廠環(huán)氧丙烷生產(chǎn)過程控制等4。但就應(yīng)用的整體情況而言，系統(tǒng)的規(guī)模都比較小(控制回路小于100路、監(jiān)測點數(shù)小于400點)，控制回路的結(jié)構(gòu)也比較簡單。在電力系統(tǒng)中，DCS仍占有絕對優(yōu)勢，徹底摒棄DCS而發(fā)展FCS也是不符合實際情況的，但也不能坐失良機。1.2.3.1 現(xiàn)場總線控制

19、系統(tǒng)與DCS控制系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上的比較由圖 1-1便知DCS、FCS在結(jié)構(gòu)上的不同: 圖 1-1 DCS FCS結(jié)構(gòu)比較2分散控制系統(tǒng)(DCS)，現(xiàn)場信號通過輸入輸出設(shè)備點對點地輸入DCS系統(tǒng)的處理卡件上進行運算處理，控制信號通過專門的輸出卡輸出，到現(xiàn)場設(shè)備進行控制。而計算機(操作站)作為人機接口，而不直接參與控制，系統(tǒng)的大小取決于處理卡件的多少，其控制是分散的，而信息通過網(wǎng)絡(luò)集中到操作站，其系統(tǒng)可大可小，危險分散，安全增強。FCS系統(tǒng)是通過內(nèi)置于現(xiàn)場儀表內(nèi)的控制器及微處理器，對過程參數(shù)進行運算，然后通過總線去控制現(xiàn)場的另一臺儀表執(zhí)行器，來達到控制設(shè)備的目的，從圖1-3-1可以看出其控制全部是數(shù)字

20、信號，且更加分散，而系統(tǒng)的大小可隨分支總線的大小而定7。現(xiàn)場總線的發(fā)展始于80年代中期，當時作為420mA的替代物，它脫胎于DCS，保留了 DCS 設(shè)計思想中的精華部分，因此現(xiàn)場總線與 DCS并沒有本質(zhì)的區(qū)別。DCS 在控制領(lǐng)域口碑不錯，得到很多用戶的肯定，正因為如此，F(xiàn)CS 沒有完全另起爐灶，而是繼承了DCS很多成功之處，諸如數(shù)字技術(shù)和分散控制，并將它們進一步發(fā)展以實現(xiàn)更多功能。無論是FCS還是DCS甚至 DDC，它們的基本點是相同的，通過中央控制室內(nèi)的操作站和現(xiàn)場設(shè)備來完成工廠的運行控制10。1.1.3.2 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)與DCS控制系統(tǒng)相比的優(yōu)勢FCS控制系統(tǒng)除了如上所述可以節(jié)省投資外

21、還具有如下優(yōu)勢9：(1) 可操作性主流現(xiàn)場總線現(xiàn)已成為國際標準，來自世界各地不同廠家的產(chǎn)品可以連接在一起協(xié)同工作。不久的將來，陸續(xù)面市的各式各樣的現(xiàn)場總線設(shè)備將涵蓋所有可能的測量控制需求，滿足所有可能的應(yīng)用，無縫的現(xiàn)場總線系統(tǒng)可以輕松的集成，而不必使用特殊的驅(qū)動程序或象在專有系統(tǒng)中那樣采用模擬信號來彌合，用戶可以選用來自不同的廠商的最好的設(shè)備，而不必擔心兼容性。這樣，由于選擇范圍很大，用戶可以得到性能價格比最好的產(chǎn)品，而不必束縛于某一個廠商。(2) 更好的數(shù)據(jù)有效性和完整性現(xiàn)場總線采用數(shù)字信號，或“0”或“1”，相對于容易發(fā)生衰減和失真的模擬信號，具有更好的魯棒性。數(shù)字信號傳輸使用誤碼糾正機制

22、，以確保準確無誤。參考與測量、操縱參數(shù)相對應(yīng)的狀態(tài)信息，操作員可以更好更自信的做出決定。數(shù)字通訊使多參數(shù)傳輸?shù)靡詫崿F(xiàn)，從操作站可以得到更多現(xiàn)場設(shè)備的信息，包括設(shè)備工位號、設(shè)備識別、量程、結(jié)構(gòu)材質(zhì)、校準信息等。見圖 1-2。 圖1-2 DCS與FCS現(xiàn)場設(shè)備信息比較(3) 提高產(chǎn)品質(zhì)量由于FCS沒有了A/D、D/A轉(zhuǎn)換，信號的完整性、精度得以提高，相應(yīng)提高了整個系統(tǒng)的精度，也使產(chǎn)品質(zhì)量更少發(fā)生變化，設(shè)備的校準信息，包括誰、何時、何地、如何對設(shè)備校準等，都按照ISO9000 標準存儲在設(shè)備中8。通過追蹤這些信息有助于保持設(shè)備運行的最佳狀態(tài)。遠程診斷和運行評估可以發(fā)現(xiàn)設(shè)備是否運行在要求條件下。通過這

23、些方法，可以明確質(zhì)量變化的原因，使設(shè)備運行良好。(4) 降低擴展和變動費用現(xiàn)場總線規(guī)模靈活，可以包括一個回路，也可以包括上千，甚至更多的回路，在原有現(xiàn)場總線系統(tǒng)基礎(chǔ)上，不需要或僅需要很少硬件就可以增加新的回路或?qū)υ谢芈愤M行修改。(5) 增加安全性現(xiàn)場總線診斷信息不僅僅報告給操作員，而且設(shè)備本身利用這些信息在設(shè)備發(fā)生故障時，采取安全措施，確保系統(tǒng)安全。因故障提示更為及時和精確，操作員可以更加迅捷的定位故障，并制定對應(yīng)措施。(6) 現(xiàn)場總線的容錯能力 現(xiàn)場總線至少同DCS具有相同的容錯能力，不過兩者采用不同的容錯能力。DCS使用總線冗余，而現(xiàn)場總線使用故障隔離。同DCS一樣，F(xiàn)CS采用冗余的操作

24、站(包括相應(yīng)的接口 ) ，DCS 的控制器網(wǎng)絡(luò)冗余(數(shù)據(jù)高速路)，同樣，擁有控制器層網(wǎng)絡(luò)的FCS也冗余(有些FCS系統(tǒng)不存在控制層網(wǎng)絡(luò))。同DCS一樣，F(xiàn)CS 電源系統(tǒng)也冗余，DCS 需要控制器冗余，而在FCS中，控制由現(xiàn)場設(shè)備完成，不存在控制器，因而不存在冗余問題.1.3 現(xiàn)場總線控制系在國內(nèi)外應(yīng)用情況 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)在國外電廠應(yīng)用情況10早在九十年代末，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)就已經(jīng)在國外的各種電廠中得到應(yīng)用。這些現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)除了完成一般的數(shù)據(jù)采集功能之外，還實現(xiàn)了燃燒控制、給水控制、過熱汽溫控制、再熱汽溫控制、除氧器控制、以及電機的啟停控制、聯(lián)鎖保護和報警等功能。比如墨西哥的Mazatla

25、n電廠，該廠首臺應(yīng)用現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的1號單元機組(158MW)在1997年3月17日投入運行，曾連續(xù)運行十二個月無故障、無維護。改善了鍋爐相應(yīng)的動態(tài)特性，與DCS 和 PLC 相比投資節(jié)省了45%，安裝調(diào)試時間縮短到三周。由于1號單元機組的改造獲得成功，該廠緊接著進行了2號單元機組(158MW)的改造。2號機組于1998年2月14日投入運行。同1號機組一樣，這次改造十分成功不但投資進一步節(jié)省，達到了50%，而且安裝調(diào)試時間縮短到一周。從以上實例可以看出，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)完全可以適應(yīng)電廠控制系統(tǒng)和高可靠性系統(tǒng)的要求，并且可以大量地節(jié)省系統(tǒng)投資，縮短安裝間，提高現(xiàn)場設(shè)備管理水平4。 1.3.2

26、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)在國內(nèi)電廠應(yīng)用情況11我們國家在改革開放以后，國內(nèi)儀器儀表行業(yè)和其它行業(yè)一樣陷入“滅頂之災(zāi)”。由于傳統(tǒng)的機械式測量儀表逐步被電子式、數(shù)字式以及帶有電腦的儀表所替代，國內(nèi)儀器儀表行業(yè)眼睜睜地看著國外產(chǎn)品一點一點地蠶食著本屬于自己的國內(nèi)市場。到“七五”時，有關(guān)部門在國家科技攻關(guān)中開始列入“儀器儀表”項目。想通過引進國外先進產(chǎn)品技術(shù)，逐步消化、吸收，然后拿出國產(chǎn)化的先進儀器儀表來。五年后，攻關(guān)沒有得到令用戶滿意的結(jié)果。“八五”期間，國家再次將儀器儀表項目列入攻關(guān)計劃。總體思路和上次基本一致。由于有了上次的教訓，這次攻關(guān)搞得特別周密。 五年的時間又過去了，在國家計委、原機械部的絕對支持

27、下，攻關(guān)目標基本達到，課題組研制和開發(fā)出一批質(zhì)量不錯的DCS系統(tǒng)，但是搞出來的DCS基本上找不到用戶。 更令人失望的是，想與攻關(guān)組競爭的儀器儀表“合資”企業(yè)也是一事無成。，兩個結(jié)果導致了，“八五”末期的1995年初，王淦昌、王大珩等二十位院士向國務(wù)院領(lǐng)導提出了“關(guān)于振興我國儀器儀表工業(yè)的建議”。這實際表明了，中國儀器儀表行業(yè)已經(jīng)面臨生死攸關(guān)的大問題。 1996年，國家“九五”科技攻關(guān)中再次將儀器儀表項目列入其中。起初，專家組在討論技術(shù)方向時，多數(shù)人還一心想進一步優(yōu)化“八五”的成果DCS系統(tǒng)。張廣川因偶然的機會與籌備“九五”規(guī)劃的儀器儀表專家們交談了各自的看法，居然達到了共識，認為“現(xiàn)

28、場總線技術(shù)”是下一代儀器儀表的方向。原機械部和機械裝備司儀表處在聽取專家意見后，果斷決定組織考察團，到美國去參觀國際展覽會，并破格吸收民營企業(yè)的張廣川為專家組成員。參觀之后，人們頓開茅塞，更堅定地把攻關(guān)目標定為“基金會現(xiàn)場總線”。在以后組織課題組的過程中，專家們越來越明確地認識到，他們將盡量利用國內(nèi)外成熟的技術(shù)與元器件，將自主開發(fā)與引進技術(shù)國產(chǎn)化結(jié)合起來，用現(xiàn)場總線和智能化技術(shù)來牽引國內(nèi)儀器儀表行業(yè)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的調(diào)整和產(chǎn)業(yè)升級。 專家組成員在深刻檢討前兩次的基礎(chǔ)上，決定采用新的組織形式進行攻關(guān)，新的組織由六個單位組成，國家攻關(guān)項目有民營企業(yè)參加，這在機械行業(yè)還是第一次；由六個單位派出得力人員組成的

29、課題組放在華控，利用華控的管理機制管理課題組；攻關(guān)成果由成員單位共享。 同年，上述六個單位共同承擔的國家“九五”科技攻關(guān)項目“現(xiàn)場總線智能儀表開發(fā)研究”啟動，他們共同對FF現(xiàn)場總線和HART協(xié)議軟、硬件產(chǎn)品進行了研究和開發(fā)，1997年，中國儀表行業(yè)協(xié)會成立現(xiàn)場總線專業(yè)委員會，并加入國際現(xiàn)場總線基金會。 到2000年底，“現(xiàn)場總線項目”已開發(fā)出數(shù)十種現(xiàn)場總線通用接口軟硬件和現(xiàn)場總線儀表型等產(chǎn)品，并且分別通過了FF基金會和HART基金會的一致性測試認證，基本完成了攻關(guān)的各項要求，并通過了專家的鑒定。 1.4 本文的主要工作本文主要對現(xiàn)場總線在自備電廠控制系統(tǒng)的應(yīng)用進行設(shè)計。在自備電廠DCS系統(tǒng)中的

30、通訊設(shè)備硬件結(jié)構(gòu)和相關(guān)技術(shù)及協(xié)議基礎(chǔ)上，在輔助車間系統(tǒng)設(shè)計了通訊軟件體系結(jié)構(gòu)，從而在DCS的基礎(chǔ)上把現(xiàn)場總線技術(shù)引進了自備電廠控制系統(tǒng)。對輔助控制系統(tǒng)中的補給水系統(tǒng)進行設(shè)計，通過各種方案比較，得出優(yōu)異方案，采用profibus現(xiàn)場總線，與DCS系統(tǒng)相結(jié)合，設(shè)計了補給水控制系統(tǒng)。并且對補給水系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)場總線的環(huán)節(jié)做出了詳細的設(shè)計和解釋。本次設(shè)計包括對補給水系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)場總線的硬件設(shè)計和軟件設(shè)計。本次設(shè)計，主要是為了熟悉現(xiàn)場總線在自備電廠控制系統(tǒng)的應(yīng)用原理，能夠進一步掌握其中的科學知識，讓現(xiàn)場總線能夠更好的為電廠控制系統(tǒng)服務(wù)，為企業(yè)帶來更大效益。2 現(xiàn)場總線技術(shù)的基本理論 現(xiàn)場總線是用于過程自動化和

31、制造自動化的最低層現(xiàn)場設(shè)備互聯(lián)的通信網(wǎng)絡(luò)是現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)和控制系統(tǒng)的集成。 現(xiàn)場總線的節(jié)點是現(xiàn)場設(shè)備或現(xiàn)場儀表如傳感器變送器執(zhí)行器和編程器等但不是傳統(tǒng)的單一功能的儀表而是具有綜合功能的智能儀表例如溫度變送器不僅具有溫度信號的變換和補償功能而且具有PID控制和運算功能;調(diào)節(jié)閥的基本功能是信號驅(qū)動和執(zhí)行另外還具有輸出特性補償自校驗自診斷功能等。2.1 現(xiàn)場總線的本質(zhì)含義12根據(jù)國際電工委員會 IEC (International Eletrotechnical Commission)標準的定義：現(xiàn)場總線是連接智能現(xiàn)場設(shè)備和自動化系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)。現(xiàn)場總線的本質(zhì)含義表現(xiàn)在下

32、面六個方面：(1) 現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)場總線把通信線一直延伸到生產(chǎn)現(xiàn)場或生產(chǎn)設(shè)備，是用于過程自動化和制造自動化的現(xiàn)場設(shè)備或現(xiàn)場儀表互聯(lián)的現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)。傳統(tǒng)的DCS的通信網(wǎng)絡(luò)截止于控制站或輸入輸出單元，現(xiàn)場儀表與控制室輸入輸出端口仍然是一對一的模擬信號傳輸。工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的環(huán)境十分惡劣，既有各種電磁場的干擾噪聲，又有各種酸、堿、鹽等腐蝕性有害物質(zhì),還有高溫、低溫高、濕度和各種粉塵，現(xiàn)場總線能適應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的惡劣環(huán)境，從而實現(xiàn)了全數(shù)字通信5。(2) 現(xiàn)場設(shè)備互連現(xiàn)場設(shè)備或現(xiàn)場儀表是指傳感器、變送器和執(zhí)行器等，這些設(shè)備能通過一對傳輸線互連。傳輸線可以是雙絞線、同軸電纜、光纜和電源線等。并可根據(jù)需要因地制

33、宜的選擇不同類的傳輸介質(zhì)。(3) 互換性和互操作性現(xiàn)場設(shè)備或現(xiàn)場儀表種類繁多，沒有任何一家制造商可以提供一個工廠所需的全部現(xiàn)場設(shè)備,所以，互相連接不同制造商的產(chǎn)品是不可避免的5。用戶不希望為所選用的產(chǎn)品不同而在硬件或軟件上花很大力氣。希望選用各制造商性能價格比最優(yōu)的產(chǎn)品集成在一起，實現(xiàn)即接即用；用戶希望對不同品牌的現(xiàn)場設(shè)備統(tǒng)一組態(tài)。構(gòu)成所需要的控制回路；這些就是現(xiàn)場設(shè)備互換性和互操作性的含義。(4) 分散功能塊FCS 廢止了 DCS(Distributed Control System ) 的輸入/輸出單元和控制站，把 DCS 控制站的功能分散的分配給現(xiàn)場儀表，從而構(gòu)成虛擬控制站。例如流量變送

34、器不僅具有流量信號變換、補償輸入模塊，而且有PID 控制和運算功能塊；調(diào)節(jié)閥的基本功能是信號驅(qū)動和執(zhí)行，還內(nèi)含輸出特性補償模塊也可以有 PID 控制和運算模塊，還可以有閥門特性自校驗和自診斷功能6。功能塊分散在多臺現(xiàn)場儀表中，并可統(tǒng)一組態(tài)，用戶可以靈活選擇各種功能模塊，構(gòu)成所需要的控制系統(tǒng)，實現(xiàn)徹底的分散控制。(5) 通信線供電通信線供電方式允許現(xiàn)場儀表直接從通信線上攝取能量，這種方式提供于本質(zhì)安全環(huán)境的低功耗現(xiàn)場儀表，與其配套的還有安全柵。眾所周知，化工、煉油等企業(yè)的生產(chǎn)現(xiàn)場有可燃性物質(zhì)，所用現(xiàn)場設(shè)備必須嚴格遵循安全防爆標準，現(xiàn)場總線也不能例外6。(6) 開放式互連網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)場總線為開放互連網(wǎng)絡(luò)

35、，既可與同層網(wǎng)絡(luò)互連，也可與不同層網(wǎng)絡(luò)互連，不同制造商的網(wǎng)絡(luò)互連十分簡單，用戶不必在硬件或軟件上花多大力氣。開放式互連網(wǎng)絡(luò)還體現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫共享，通過網(wǎng)絡(luò)對現(xiàn)場設(shè)備和功能塊的統(tǒng)一組態(tài)，天衣無縫的把不同制造商的網(wǎng)絡(luò)及設(shè)備融為一體，構(gòu)成統(tǒng)一的FCS。2.2 現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)13由于計算機的廣泛應(yīng)用，為用戶提供可分散而有效的數(shù)據(jù)處理與計算能力。計算機和以計算機為基礎(chǔ)的智能設(shè)備一般除了處理本身業(yè)務(wù)之外，還要求與其它計算機溝通信息、共享資源、協(xié)同工作，于是出現(xiàn)了通信線路將各計算機連接起來的計算機群。以實現(xiàn)資源共享和作業(yè)分布處理，這就是計算機網(wǎng)絡(luò)。Internet 是世界上最大的非集中式的計算機網(wǎng)絡(luò)

36、的集合，是全球范圍成千上萬個網(wǎng)連接起來的互連網(wǎng)，以成為當代信息社會的重要基礎(chǔ)設(shè)施信息高速公路。企業(yè)網(wǎng)是當今信息高速公路的重要組成部分，現(xiàn)場總線把企業(yè)網(wǎng)深入到生產(chǎn)現(xiàn)場。現(xiàn)場總線本質(zhì)上是一種控制網(wǎng)絡(luò)，因此網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是現(xiàn)場總線的重要基礎(chǔ)。為保證網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間實時、可靠的數(shù)據(jù)傳輸，現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)必須采用合理的拓撲結(jié)構(gòu)。常見的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)有以下幾種形式：(1) 星形拓撲星形拓撲結(jié)構(gòu)如圖 2-1(a)所示。在星形拓撲中，每個站通過點-點連接到中心節(jié)點上，任何兩站的通信都通過中心節(jié)點進行，一個站要傳送數(shù)據(jù)，首先向中心節(jié)點發(fā)出請求，要求與目的站建立連接。連接建立后，該站才向目的站發(fā)送數(shù)據(jù)。這種拓撲結(jié)構(gòu)所有通信由中心

37、節(jié)點控制，中心節(jié)點必須建立和維持許多并行數(shù)據(jù)通路，因此中心節(jié)點結(jié)構(gòu)復雜，而每個站的通信處理負擔小，結(jié)構(gòu)簡單。星形拓撲采用電路交換，能實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信量的綜合，適用于低數(shù)據(jù)率設(shè)備。它的網(wǎng)絡(luò)終端承擔的通信處理負擔少，因而適合于要求終端密集的地方1。 圖2-1 網(wǎng)路拓撲結(jié)構(gòu)(2) 樹形拓撲樹形拓撲結(jié)構(gòu)如圖 2-1(b)所示，樹形拓撲的適應(yīng)性強，可適用很廣的范圍。數(shù)據(jù)率和數(shù)據(jù)類型沒有太多限制，可達到很高的帶寬。 樹形結(jié)構(gòu)在單個局域網(wǎng)系統(tǒng)中采用不多，如果把多個總線形網(wǎng)絡(luò)連接在一起，或聯(lián)到另一個大型機或一個環(huán)形網(wǎng)上，就形成了樹形拓撲結(jié)構(gòu)。樹形拓撲非常適用于分主次、分等級的層次型管理系統(tǒng)1。樹形拓撲的特點是擴展

38、性好，頻帶較寬，但節(jié)點間通信不便。(3) 環(huán)形拓撲環(huán)形拓撲結(jié)構(gòu)如圖 2-1(c)所示，在環(huán)形拓撲中，網(wǎng)絡(luò)中有許多中繼器進行點-點鏈路連接，構(gòu)成一個封閉的環(huán)。中繼器接受前驅(qū)站發(fā)來的數(shù)據(jù)，然后按原來的速度一位一位的從另一鏈路發(fā)出去。鏈路是單向的，數(shù)據(jù)沿著一個方向(順時針或反時針)在網(wǎng)絡(luò)環(huán)行。每個工作站通過中繼器連接到網(wǎng)絡(luò)上，一個站發(fā)送信息，數(shù)據(jù)拆分成組加上控制信息插入環(huán)中，通過其他中繼器達到目的站。由于多個工作站要共享環(huán)路，需要某種訪問控方式，確定每個站何時能向環(huán)上插入分組。它們一般采用分布控制，每個站有存取邏輯和收發(fā)控制。環(huán)形拓撲的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備只需要很簡單的中繼器，而工作站則需要提供拆包和存取控制邏

39、輯等較復雜的功能。環(huán)行拓撲的中繼器之間可使用高速鏈路 (如光纖)，因此環(huán)形網(wǎng)絡(luò)與其它拓撲相比，可提供更大的吞吐量，適用于工業(yè)環(huán)境。環(huán)形拓撲的特點是時延確定性，重載時網(wǎng)絡(luò)效率高，但輕載時等待令牌產(chǎn)生不必要的時延，傳輸效率下降。(4) 總線拓撲總線拓撲結(jié)構(gòu)如圖2-1(d)所示，在總線拓撲中，傳輸介質(zhì)是一條總線，工作站通過相應(yīng)的硬件接口連接至總線上。一個站發(fā)送數(shù)據(jù)，所有其它站都能接收。樹形拓撲是總線拓撲的擴展形式，傳輸介質(zhì)是不封閉的分支電纜。它和總線拓撲一樣，一個站發(fā)送數(shù)據(jù)，其它站都能接收。因此，總線和樹形拓撲的傳輸介質(zhì)被稱為多點式或廣播式。因為所有節(jié)點共享一條傳輸鏈路，一次只允許一個站發(fā)送信息，需

40、有某種存取控制方式，確定下一個可以發(fā)送的站。信息是按分組發(fā)送，達到目的站后，經(jīng)過地址識別將信息復制下來2。總線拓撲的特點是節(jié)點輸入方便、成本低，輕載時時延小， 但網(wǎng)絡(luò)通信負荷較重時時延加大，網(wǎng)絡(luò)效率下降，總線拓撲傳輸時延不定。(5) 令牌總線拓撲令牌總線拓撲結(jié)合了環(huán)行拓撲和總線拓撲的優(yōu)點，即物理上是總線網(wǎng)，邏輯上是令牌網(wǎng)。網(wǎng)絡(luò)傳輸時延確定， 同時節(jié)點接入方便，可靠性好。采用令牌方式的局域網(wǎng)，網(wǎng)上每一個站點都知道信息的來去動向，保證較高的信啟、傳輸確定性。能夠估算出信息傳輸?shù)倪t延時間，比較適合在實時系統(tǒng)中使用，所以現(xiàn)場總線的網(wǎng)段多采用令牌總線拓撲和環(huán)行拓撲。樹形拓撲由于可擴張性好，所以在現(xiàn)場總線

41、各網(wǎng)段構(gòu)成大的控制系統(tǒng)時經(jīng)常采用。而在有較密集輸出。2.3 現(xiàn)場總線的開放系統(tǒng)互連參考模型七十年代以后，計算機工業(yè)有了迅速的發(fā)展。各主要的計算機生產(chǎn)廠家紛紛開發(fā)出自己的計算機系列產(chǎn)品，他們各自擁有自己的操作系統(tǒng)和其它系統(tǒng)軟件，以保證同一系列內(nèi)各種計算機的兼容性。隨著互連通信需求的提出，一些主要的計算機廠商又研究開發(fā)出各自的通信系統(tǒng)。由于這些特定廠家的通信系統(tǒng)所用的信息格式和控制機制不一致，彼此之間不能兼容，難以實現(xiàn)不同廠家生產(chǎn)的計算機之間的互連操作，這種自成體系的計算機通信系統(tǒng)稱為封閉系統(tǒng)。隨著計算機的種類日益增多，應(yīng)用日益普及，計算機用戶已不能滿足僅使用一個廠商的計算機設(shè)備。用戶同時安裝多個

42、計算機廠商的產(chǎn)品并需要聯(lián)網(wǎng)的情況越來越多，由于缺乏一個通用的通信體系結(jié)構(gòu)，使得各種計算機互連成為一個難題。所以，人們迫切希望建立一系列的國際標準和國內(nèi)標準1。可以認為，人們盼望的這種開放系統(tǒng)應(yīng)該是一種廠家中立的理想系統(tǒng)，即它的應(yīng)用發(fā)展不應(yīng)受任何廠家的控制與限制。要實現(xiàn)這樣一個開放系統(tǒng)的有效配置、操作和部件替換，就必須滿足一系列的對接口、服務(wù)、協(xié)議的規(guī)范要求。要實現(xiàn)開放系統(tǒng)首先就要有公開而統(tǒng)一的規(guī)范描述及其實現(xiàn)方法。在開放系統(tǒng)的環(huán)境下，可以不同廠家的產(chǎn)品作為部件組成系統(tǒng)，也可以在不同廠家的相同功能的產(chǎn)品之間實現(xiàn)互換。這樣就為用戶采用多家產(chǎn)品集成系統(tǒng)并為系統(tǒng)的維護帶來很大的方便，同時有利于打破市場

43、壟斷，促進技術(shù)與產(chǎn)品的發(fā)展。正是由于以上需求動力的驅(qū)動，促成了 OSI (Open System Inter connection)參考模型的出現(xiàn)。1978 年，國際標準化組織(ISO)建立了一個“開放系統(tǒng)互連”分技術(shù)委員會，起草了“開放系統(tǒng)互連基本參考模型”。1983 年成為正式國際標準(ISO7498)。傳統(tǒng)的儀表和控制技術(shù)也受早期計算機系統(tǒng)不兼容的限制，不同廠家的儀表和控制設(shè)備不能互換，不同的控制系統(tǒng)之間也難以實現(xiàn)信息交換，控制網(wǎng)絡(luò)與其它網(wǎng)絡(luò)也難以數(shù)據(jù)交換。現(xiàn)場總線技術(shù)針對這個難題，采用了開放系統(tǒng)互連模型。2.3.1 OSI參考模型及結(jié)構(gòu)為開放系統(tǒng)互連所建立的分層模型簡稱OSI參考模型。

44、其目的是為各種計算機互連提供一個共同的基礎(chǔ)和標準框架，并為保持相關(guān)標準的一致性和兼容性提供共同的參考。所謂開放是強調(diào)ISO標準的遵從，開放并不是指特定的系統(tǒng)具體的互連手段，而是對使用標準的共同認識。一個系統(tǒng)是開放的，是指它可以與世界上任何地方的遵守相同的標準的其它任何系統(tǒng)通信。0SI 參考模型是在博采眾長的基礎(chǔ)上形成的系統(tǒng)互連技術(shù)。它不僅促進了數(shù)據(jù)通信的發(fā)展，而且還導致了整個計算機網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。OSI 參考模型提供了概念性和功能性結(jié)構(gòu)。該模型將開放系統(tǒng)的通信功能劃分為七個層次。在導入新技術(shù)或提出新的技術(shù)要求時，就可以把由通信功能擴展、更新所帶來的影響限制在直接有關(guān)的層次內(nèi)，而不必改動全部協(xié)議。O

45、SI 參考模型分層原則是將相似的功能集中在同一層內(nèi)，功能差別較大時則分層處理，每層只對相鄰的上下層定義接口。OSI 參考模型是計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)發(fā)展的產(chǎn)物，它的基本內(nèi)容是開發(fā)系統(tǒng)通信功能的分層結(jié)構(gòu)。這個模型把開放系統(tǒng)的通信功能分為七個層次分別賦予 1, 27 層的順序編號，相應(yīng)的稱之為物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、會話層、表示層和應(yīng)用層。OSI 參考模型如圖 2-2所示1。 圖2-2 OSI參考模型2.3.2 OSI參考模型的功能劃分OSI 參考模型每一層的功能是獨方的，它利用其下一層提供的服務(wù)并為其上一層提供服務(wù)，而與其它層的具體情況無關(guān)。這里的“服務(wù)”就是下一層向上一層提供的通信功能

46、和層之間的會話規(guī)定，一般用通信服務(wù)原語實現(xiàn)。兩個開放系統(tǒng)中的同層之間的通信規(guī)則和約定稱之為協(xié)議。通常，第1-3 層功能稱為底層功能，即通信傳輸功能，這是網(wǎng)絡(luò)與終端均需要具備的功能。第 4-7 層功能稱為高層功能，即通信處理功能，通常需要有終端來提供1。(1) 物理層(第 1 層)物理層并不是物理媒體本身，它只是開放系統(tǒng)中利用物理媒體實現(xiàn)物理連接的功能描述和執(zhí)行連接的規(guī)程。物理層提供用于建立和斷開物理連接的機械的、電氣的、功能的和過程的條件1。簡而言之，物理層提供有關(guān)同步和比特率在物理媒體上的傳輸手段。(2) 數(shù)據(jù)鏈路層(第 2 層)數(shù)據(jù)鏈路層用于建立、維護、拆除鏈路連接，實現(xiàn)無差錯傳輸功能。在

47、點到點或點到多點的鏈路上，保證信息的可靠傳遞。該層對連接相鄰的通路進行差錯控制、數(shù)據(jù)成幀、同步控制等。檢測差錯一般采用循環(huán)冗與校驗(CRC)，糾正差錯采用計時器恢復和自動請求重發(fā)(ARQ)的技術(shù)1。(3) 網(wǎng)絡(luò)層(第 3 層)網(wǎng)絡(luò)層規(guī)定了網(wǎng)絡(luò)連接的建立、維護和拆除的協(xié)議。它的主要功能是利用數(shù)據(jù)鏈路層所提供的相鄰節(jié)點間的無差錯數(shù)據(jù)傳輸功能，通過路由選擇和中繼功能，實現(xiàn)兩個系統(tǒng)之間的連接。計算機網(wǎng)絡(luò)中網(wǎng)絡(luò)層還具有多路復用的功能。(4) 傳輸層(第 4 層)傳輸層完成開放系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳送控制。主要功能是開放系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)的收發(fā)確認。同時，還用于彌補各種網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量差異，對經(jīng)過下三層之后仍然存在的傳輸

48、差錯進行恢復，進一步提高可靠性。另外，還通過復用、分段和組合、連接和分離、分流和合流等技術(shù)措施，提高吞吐節(jié)和服務(wù)質(zhì)量。(5) 會話層(第 5 層)會話層依靠傳輸層的通信功能使數(shù)據(jù)傳送功能在開放系統(tǒng)間有效的進行。其主要功能是按照在應(yīng)用進程之間的約定，按照正確的順序收發(fā)數(shù)據(jù)，進行各種形式的對話。控制方式可以歸納為以下兩類：一是為了在會話應(yīng)用層易于實現(xiàn)接收處理和發(fā)送處理的逐次交替變換，設(shè)置某一時刻只有一端發(fā)送數(shù)據(jù)。因此需要有交替改變發(fā)信端的傳輸控制。二是在類似文件傳送等單方向傳送大量數(shù)據(jù)的情況下，為了防備應(yīng)用處理中出現(xiàn)意外，在傳送數(shù)據(jù)的過程中而要給數(shù)據(jù)打上記號。當出現(xiàn)意外時可以由打標記處重發(fā)。例如可

49、以將長文件分頁發(fā)送，當收到上頁的接收確認后，再發(fā)下頁內(nèi)容1。(6) 表示層(第 6 層)表示層的主要功能是把應(yīng)用層提供的信息變?yōu)槟軌蚬餐斫獾男问健Ｌ峁┳址a、數(shù)據(jù)格式、控制信息格式、加密等地統(tǒng)一表示。表示層僅對應(yīng)用層信息內(nèi)容的形式進行變換，而不改變內(nèi)容本身。(7) 應(yīng)用層(第 7 層)應(yīng)用層是 OSI 參考模型的最高層。其功能是實現(xiàn)應(yīng)用進程(如用戶程序)之間的信息交換。同時，還具有一系列業(yè)務(wù)所需的服務(wù)功能。2.3.3 現(xiàn)場總線的OSI 參考模型工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場存在大量的傳感器、控制器、執(zhí)行器等，它們通常相當零散的分布在一個較大的范圍內(nèi)。對由它們組成的工業(yè)控制底層網(wǎng)絡(luò)來說單個節(jié)點的信息量不大，信

50、息傳輸?shù)娜蝿?wù)相對比較簡單，但實時性、快速性的要求較高。如果按照七層模式的參考模型，由于層間操作和轉(zhuǎn)換的復雜性，網(wǎng)絡(luò)接口的造價與時間開銷過高。為滿足實時性要求，也為了實現(xiàn)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的低成本，現(xiàn)場總線采用的通信模型大都在 OSI 模型的基礎(chǔ)上進行了不同程度的簡化。典型的現(xiàn)場總線協(xié)議模型如圖 2-3 第二列所示。它采用 OSI 模型的三個典型層：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層、在省去了 3-6 層后，考慮到現(xiàn)場通信的特點，設(shè)置一個現(xiàn)場總線訪問子層。它具有結(jié)構(gòu)簡單，執(zhí)行協(xié)議直觀，價格低廉等優(yōu)點，也滿足工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用的性能要求。它是 OSI 的簡化形式，其流量與差錯控制在數(shù)據(jù)鏈路層進行。因此與 OSI 模型不完

51、全保持一致。總之，開放系統(tǒng)互連模型是現(xiàn)場總線技術(shù)的基礎(chǔ)，現(xiàn)場總線參考模型既要遵循開放系統(tǒng)集成的原則，又要充分兼顧測控應(yīng)用的特點和特殊要求1。 圖2-3 OSI與部分現(xiàn)場總線模型關(guān)系3 現(xiàn)場總線在自備電廠控制系統(tǒng)的應(yīng)用研究3.1 控制系統(tǒng)設(shè)計的原則11 設(shè)計原則應(yīng)該是在安全可靠的基礎(chǔ)下，充分發(fā)揮FCS（Field bus Control System ）的功能優(yōu)勢，以達到提高控制水平的目的。3.1.1 滿足生產(chǎn)過程監(jiān)控的要求 根據(jù)生產(chǎn)過程的監(jiān)視和控制的要求，確定FCS控制方案。這種要求主要體現(xiàn)在對實時性的要求，特別是針對火電廠中復雜的調(diào)節(jié)或監(jiān)控方案，更要進行充分的預設(shè)計，進而確定控制方案。3.1

52、.2 選擇符合設(shè)計要求的FCS設(shè)備根據(jù)已確定的控制方案和通信模式，包括通信速率、通信距離及通信協(xié)議，選擇能滿足控制要求和通信模式的FCS設(shè)備;根據(jù)設(shè)計方案中的供電方式，選擇FCS設(shè)備的總線供電方式，或者外供電方式;根據(jù)FCS布置環(huán)境，確定是否采用本安防爆型FCS設(shè)備。此外還需重點強調(diào)的選擇原則是，被選擇的FCS設(shè)備必須是被授予過現(xiàn)場總線標志的產(chǎn)品，確保通信的一致性與開放性。3.1.3 突出FCS的優(yōu)勢 采用FCS的設(shè)計方案應(yīng)能充分體現(xiàn)出FCS的優(yōu)勢，使FCS的應(yīng)用具有實際提高控制水平的意義。3.2 控制系統(tǒng)設(shè)計的方法14 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的工程設(shè)計要在對現(xiàn)場作充分調(diào)研和論證的基礎(chǔ)上進行。根據(jù)裝

53、置到控制室的距離，以及現(xiàn)場設(shè)備的數(shù)量和分布情況，確定電纜型號和網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，并確認總線干線和所有支持電纜長度是否符合基金會總線協(xié)議中的規(guī)定。Hl總線最長為190Om，若距離更遠時，可以采用中繼器，標準規(guī)定兩臺設(shè)備之間最多可用4個中繼器(即最大距離為950Om)。一般來說，完成同一控制回路策略的設(shè)備最好聯(lián)接在同一網(wǎng)絡(luò)段中，現(xiàn)場接線盒的位置應(yīng)符合節(jié)省電纜和便于安裝原供電場合，一條總線電纜可接12一16臺現(xiàn)場設(shè)備。基金會現(xiàn)場總線滿足本質(zhì)安全應(yīng)用，總線供電時，同一電纜上可連接2一6臺現(xiàn)場設(shè)備。如Smar公司的總線安全柵SB3OZ可連4臺現(xiàn)場儀表，而一條HI總線上可連4個總線安全柵。現(xiàn)在有些廠商已提供專

54、為現(xiàn)場總線設(shè)計的端子塊系統(tǒng)，使布線和安裝容易多了。 在FCS系統(tǒng)中，現(xiàn)場總線儀表可以一表多用，具有控制、報警、計算、累加、非線性補償、信號選擇等功能，原來DCS中所需的一些二次儀表或模塊硬件，在FCS中可以省去。在設(shè)計時，應(yīng)充分發(fā)揮現(xiàn)場總線設(shè)備的軟件功能，實現(xiàn)一些在DCS(Distributed Control System )中需要增加硬件設(shè)備，甚至昂貴硬件設(shè)備才能實現(xiàn)的一些功能。在DCS中，系統(tǒng)和現(xiàn)場設(shè)備是相對獨立的兩部分，在設(shè)計時常常單獨考慮。例如，不少投資項目中，系統(tǒng)和現(xiàn)場設(shè)備是兩份標書，分別詢價報價。而這些觀念和習慣已不能適應(yīng)新一代控制系統(tǒng)，因為在FCS中，現(xiàn)場設(shè)備與系統(tǒng)有機地融為一

55、體，現(xiàn)場設(shè)備已不再是獨立的一臺設(shè)備，而是整個工廠網(wǎng)絡(luò)里的一個智能節(jié)點。基金會現(xiàn)場總線的互可操作性，使不同廠商生產(chǎn)的設(shè)備可以協(xié)同運作而不損失性能。設(shè)計時要改變以往一個系統(tǒng)全是一個廠商的設(shè)備的習慣，而是在現(xiàn)場總線基金會認證的產(chǎn)品中選擇性能、價格最合適的產(chǎn)品來集成一個優(yōu)越系統(tǒng)。3.3 控制系統(tǒng)設(shè)計的一般步驟7 一個現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的設(shè)計可分為系統(tǒng)規(guī)劃、設(shè)備選型、安裝施工設(shè)計、組態(tài)編程幾步。系統(tǒng)規(guī)劃 深入研究被控對象和系統(tǒng)工藝流程，繪制出控制和檢測系統(tǒng)圖，分別完成下述設(shè)計。(l) 閉環(huán)控制回路的設(shè)計 閉環(huán)控制回路應(yīng)包括壓力差壓液位控制回路、溫度控制回路、手動遙控回路、控制回路輸出等。(2) 監(jiān)測點統(tǒng)計

56、 監(jiān)測點包括熱電偶、熱電阻溫度信號監(jiān)測數(shù)，壓力壓差液位變送器信號數(shù)以及其它4-2OmA信號監(jiān)測數(shù)，開關(guān)量輸出(DO)數(shù)和開關(guān)量輸入(Dl)數(shù)等。(3) 人機界面操作站統(tǒng)計 人機界面操作員站統(tǒng)計的內(nèi)容為操作站主機臺數(shù)，每臺主機CRT臺數(shù)。(4) 系統(tǒng)特性 系統(tǒng)特性的內(nèi)容為本安系統(tǒng)、防爆系統(tǒng)、普通系統(tǒng)，冗余要求，控制室與現(xiàn)場距離等。(5) 系統(tǒng)控制策略 系統(tǒng)控制策略是這樣分配的，一般基本的實時控制在現(xiàn)場總線現(xiàn)場設(shè)備中實現(xiàn)，實時性較差的特殊算法和高級控制在控制站中實現(xiàn)。3.3.2 設(shè)備選型7 開放和互可操作是FF的主要優(yōu)點，用戶可以從不同公司購買性價比最好的產(chǎn)品構(gòu)筑自己的控制系統(tǒng)，當然在可比條件下，購買同一公司產(chǎn)品將有利于簡化服務(wù)和技術(shù)支持。(l) 確定控制輸出設(shè)備通常有三種總