基于現(xiàn)場總線的電動執(zhí)行機構在火電廠的應用

摘要:電動執(zhí)行機構是自動控制系統(tǒng)中重要的終端控制元件，它對火電廠自動控制系統(tǒng)的正常運行、調(diào)節(jié)品質(zhì)的優(yōu)劣具有重要影響。傳統(tǒng)的電動執(zhí)行機構存在控制精度低、死區(qū)大、無網(wǎng)絡通訊功能等缺點，無法適應現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)要求。首先介紹了現(xiàn)場總線技術的概況，闡述了電動執(zhí)行機構使用現(xiàn)場總線技術的優(yōu)勢，介紹了現(xiàn)場總線執(zhí)行機構在實際應用中的一些注意事項，最后闡明了現(xiàn)場總線電動執(zhí)行機構將成為該領域技術的必然發(fā)展趨勢。

關鍵詞:現(xiàn)場總線;通信協(xié)議;電動執(zhí)行機構

中圖分類號:C93文獻標志碼:A文章編號:1673-291X(2010)12-0203-02

前言

近年來，隨著信息技術和自動化技術的發(fā)展，控制系統(tǒng)發(fā)生了新的變革，現(xiàn)場總線就是順應這一形勢發(fā)展起來的新技術 [1]。現(xiàn)場總線(Fieldbus)是近年來迅速發(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)行機構等現(xiàn)場設備間的數(shù)字通信以及這些現(xiàn)場控制設備和高級控制系統(tǒng)之間的信息傳遞問題 [2～3]。由于現(xiàn)場總線簡單、可靠、經(jīng)濟實用等一系列突出的優(yōu)點，它已成為當前自動化技術的熱點之一，而現(xiàn)場總線電動執(zhí)行機構則為現(xiàn)場總線的出現(xiàn)和應用奠定了基礎。

目前，基于現(xiàn)場總線的電動執(zhí)行機構種類很多，現(xiàn)場總線類型中適合過程自動化的主要有三種即FF(基金會現(xiàn)場總線)、PROFIBUS和WORLDFIP。PROFIBUS由三個兼容部分組成，PROFIBUS-DP、PROFIBUS-PA、PROFIBUS-FMS。其中PROFIBUS-DP是一種高速低成本通信系統(tǒng)，用于設備級控制系統(tǒng)與分散式I/0的通信;PROFIBUS-PA專為過程自動化設計，可使變送器與執(zhí)行機構、驅(qū)動裝置連接在一根總線上并提供本質(zhì)安全和總線供電特性。PROFIBUS作為一種國際性的開放式現(xiàn)場總線，既可用于自動化系統(tǒng)與現(xiàn)場信號單元的通訊，也可用于連接帶有智能卡件的執(zhí)行機構等現(xiàn)場設備;WorldFIP為世界工廠儀表協(xié)議(World Factory lnstrument Protoc01)，在儀表行業(yè)得到了廣泛的應用?；饡F(xiàn)場總線FF總線是以FISHER-ROSEMOUNT公司為首聯(lián)合80家公司制定的ISP協(xié)議和以HONEYWELL公司為首聯(lián)合歐洲150家公司制定的WORLDFIP協(xié)議。

總線系統(tǒng)必須采用專用的軟件功能模塊來完成人—機對話。SIEMENS公司在執(zhí)行機構上采用的是SIMATIC S7-400系統(tǒng)中的SIPPOS5軟件。SDA公司的AS執(zhí)行機構上采用的是SMARTMANAGER軟件。

一、現(xiàn)場總線執(zhí)行機構的特點

當智能電動執(zhí)行機構與現(xiàn)場總線連接時，它就成了現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS)中的一塊現(xiàn)場儀表，現(xiàn)場總線執(zhí)行機構具有如下特點:(1)智能通信、智能控制。智能電動執(zhí)行機構利用微機技術和現(xiàn)場通信技術，實現(xiàn)雙向通信、PID調(diào)節(jié)、在線自動標定、自校正與自診斷等多種控制技術要求的功能，有效提高控制水平。(2)機電一體化新型智能化電動執(zhí)行機構將伺服放大器與執(zhí)行機構合為一體，驅(qū)動電路應用功能強大的集成模塊，結構簡單，控制性能好。(3)增設了行程保護、過力矩保護、電動機過熱保護、斷電信號保護、輸出現(xiàn)場閥位指示和故障報警等功能。對開關次數(shù)、力矩關斷次數(shù)、電動機運行時間、控制單元工作時間等重要的運行數(shù)據(jù)進行監(jiān)控、儲存和累計處理?？刂撇呗愿鼮橄冗M，先進的控制方法有利于解決電機的慣性問題，實現(xiàn)準確定位，提高控制精度。(4)具有現(xiàn)場總線接口。

二、基于現(xiàn)場總線的電動執(zhí)行機構在應用中的優(yōu)勢

由于電動執(zhí)行機構直接控制著機組的運行過程，影響著火電廠的安全與經(jīng)濟運行，因此研究、分析現(xiàn)場總線電動執(zhí)行機構有十分重要的意義[4～6]，現(xiàn)場總線電動執(zhí)行機構與普通電動執(zhí)行機構相比，在火電廠具有以下的優(yōu)勢:(1)現(xiàn)場使用的輔助設備少，系統(tǒng)成本低，便于現(xiàn)場檢修和調(diào)試。傳統(tǒng)的執(zhí)行機構至少7～14根控制線才能將執(zhí)行機構的參數(shù)傳遞到控制系統(tǒng)的控制模板上，還需要在控制裝置附近安裝轉(zhuǎn)換控制柜，用于中途或現(xiàn)場的控制。而采用總線通訊方式，一個環(huán)路中的所有執(zhí)行機構被一根屏蔽雙絞線串聯(lián)起來，完全取代傳統(tǒng)的十四線制。當需要增加執(zhí)行機構時，只需一根雙絞線和上級控制裝置的一個串口，并不需要對每個執(zhí)行機構都單獨使用一根多芯電纜，即使是在冗余的情況下，也僅需要兩根電纜4根線，且無須任何隔離和轉(zhuǎn)換以及輸入輸出模塊，同時減少了大量的信號電纜、配電柜等硬件，也減少了大量的人為錯誤和系統(tǒng)故障。(2)由于采用全數(shù)字式，可靠性高。執(zhí)行機構采用現(xiàn)場總線，其輸出為數(shù)字信號，不僅減少了信號轉(zhuǎn)換過程中的損失，增加了抗干擾能力，而且所傳遞信號的質(zhì)量也是非常穩(wěn)定可靠。 (3)具有雙向通訊功能、自校正、自診斷等功能，操作維護十分方便。當采用了現(xiàn)場總線的執(zhí)行機構或它所控制的設備出現(xiàn)問題時，系統(tǒng)能夠及時地給予識別，將該節(jié)點從整個系統(tǒng)中脫開，以維持整個系統(tǒng)的穩(wěn)定。操作人員在控制室即可對現(xiàn)場執(zhí)行機構進行參數(shù)設置、功能組態(tài)，進行故障診斷和事故預測、實施狀態(tài)維修。(4)可實現(xiàn)遠程編程、操作和診斷。當執(zhí)行機構在現(xiàn)場出現(xiàn)一些無法解決的難題時，設備廠家就可以通過總線接口來進行遠程通信、實施遠程會診，廠家不必到現(xiàn)場，就可以提供遠程技術支持。

三、現(xiàn)場總線執(zhí)行機構在火電廠應用中的注意事項

對于采用現(xiàn)場總線的電動執(zhí)行機構，應充分考慮火電廠自動控制系統(tǒng)的特點和現(xiàn)場總線電動執(zhí)行機構的優(yōu)勢，在火電廠應用中的注意事項如下:(1)現(xiàn)場總線電動執(zhí)行機構的通信協(xié)議必須與控制系統(tǒng)的通信協(xié)議相匹配，這是實現(xiàn)局部現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的基本條件(如選用PROFIBUS現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，則電動執(zhí)行機構中也必須選用相應的PROFIBUS現(xiàn)場總線)。(2)現(xiàn)場總線電動執(zhí)行機構物理地址的設定必須與控制器中的地址相對應，以防止產(chǎn)生作為被控對象的不同電動執(zhí)行機構的誤動和拒動，給安全生產(chǎn)帶來嚴重后果。(3)在電動執(zhí)行機構應用較多的火電廠輔助系統(tǒng)，比如水系統(tǒng)中的工業(yè)水、消防水、廢水和單元機組中的開、閉式水系統(tǒng)，物理位置相對分散，且多為順序控制、聯(lián)鎖或單參數(shù)調(diào)節(jié)。(4)提高運行維護人員的專業(yè)知識，做好數(shù)據(jù)管理以防偶發(fā)故障。

四、產(chǎn)品與發(fā)展趨勢

德國西博思電動執(zhí)行機構有限公司推出的變頻智能型電動執(zhí)行機構—SIPOS 5 Flash系列，它采用簡單的模塊化結構，通過增加少量必要的模塊，可使其適用于各種控制模式——從簡單的開關控制到PROFIBUS通訊，它具有開放的控制接口，可以各種控制系統(tǒng)兼容。德國AUMA公司推出的AUMA MATIC的電動執(zhí)行機構，它將電機一體化控制單元于電動執(zhí)行器組合到一起，對其配置的修改變得非常容易。ROTORK(羅托克)生產(chǎn)的IQ系列智能化電動執(zhí)行機構，獨有的雙密封系統(tǒng)和紅外線非侵入式設定使它可用在任何環(huán)境中，防水防爆。德國HartmannBraum公司新一代產(chǎn)品智能電動執(zhí)行機構MOE700實現(xiàn)了智能式電子一體化，變頻變速定位，監(jiān)控等功能。

隨著微處理技術、通信技術、自動化儀表技術的迅猛發(fā)展，電動執(zhí)行機構將進一步發(fā)展，其趨勢可歸納為:機電一體化結構逐步取代組合式結構;智能化控制技術逐步取代純電子控制技術;帶通信技術的逐步取代不帶通信技術;數(shù)字控制方式逐步取代傳統(tǒng)的模擬控制方式;用控制技術逐步取代純電子控制技術;運用紅外遙控的非接觸調(diào)試技術，逐步取代接觸式手動調(diào)試技術等。

結束語

基于現(xiàn)場總線的電動執(zhí)行機構不僅具有執(zhí)行機構功能，還具有控制、運算和通信等功能。通過現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)能實現(xiàn)大量現(xiàn)場設備的診斷和維護等管理信息的采集和對現(xiàn)場設備的實時在線的狀態(tài)檢測和故障預診斷，發(fā)揮現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的設備管理優(yōu)勢，有利于提高現(xiàn)場設備健康水平，保證機組長周期運行，基于現(xiàn)場總線的電動執(zhí)行機構是火電廠發(fā)展的必然趨勢，它在火電廠自動控制系統(tǒng)中具有廣泛的應用前景。

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The Application of Electric Actuator Based on Field Bus in Thermal Power Plant

DUAN Jun-jie1， DUAN Jun-qing2 ， ZHANG Hai-tao3

(1.Equipment Management，DaTang Luoyang Thermal Power Plant，Luoyang 471039，China;

2.Zhengzhou Xinli Light and Power Company Limited， Zhengzhou 450007， China;

3. YTO(Luoyang)Fuel Pump Corporation Limited，Luoyang 471004，China)

Abstract: Electric actuator is important end element in automation control system， which affect deeply in the operation and performance in thermal power plant’s control system. The shortage of traditional electric actuator is low control precision， large deadband， non net communication and etc， which can not easy be applicable in modern industry. The article introduces the status of field bus; descript the technical advantage of electric actuator based on field bus and some attentions when introduce this technology into practical application. The technology of electric actuator based on field bus will be the future in thermal power plant control system.

Key words: field bus; communication;electric actuator [責任編輯 王薇]