基于現場總線技術的分布式電氣控制系統應用

[摘要]分布式電氣控制系統相比一般的電氣控制系統更為可靠、靈活、開放、便于維護，適合目前工業生產制造中的應用。本文針對應用有現場總線技術的電氣控制系統的實際應用展開分析，并且總結了這種控制系統的特點和性能。

[關鍵詞]現場總線；以太網通信；DCS；電氣控制系統

一、引言

伴隨計算機信息技術的發展，工業自動化控制系統也逐步走向數字化、網絡化、智能化與現場化。現場總線技術是近年來快速發展起來的一種工業數據總線，它主要解決工業現場的智能化儀器儀表、控制器、執行機構等現場設備間的數字通信以及這些現場控制設備和高級控制系統之間的信息傳遞問題。因為現場總線簡單、可靠、經濟實用，深受許多標準團體和計算機廠商的高度重視，因此也大量應用到了電氣控制系統當中。在自動化控制系統技術領域，分布式控制系統（DCS）一直占主導地位，這種控制系統在國內自控行業又稱之為集散控制系統，它是相對于集中式控制系統而言的一種新型計算機控制系統，是在集中式控制系統的基礎上發展、演變而來的。分布式控制系統是一個由過程控制級與過程監控級組成的以通信網絡為紐帶的多級計算機系統，綜合了計算機、通信、顯示和控制等4C技術方法，其基本思想是分散控制、集中操作、分級管理、配置靈活以及組態方便。

二、分布式電氣控制系統的組成結構與特點

電氣控制系統通常也叫做電氣設備二次控制回路。在電氣控制系統中，不同的設備具有不同的控制回路，而且高壓電氣設備與低壓電氣設備的控制方式也不相同。電氣控制系統由電源供電回路、保護回路、信號回路、自動與手動回路、制動停車回路和自鎖及閉鎖同路等回路部分組成。（1）電源供電回路：電氣控制系統供電回路的供電電源有AC380V、220V等多種。（2）保護回路：電氣控制系統保護（輔助）回路的工作電源有單相220V、36V或直流220V、24V等多個種類，針對電氣設備和線路運行中的短路、過載和失壓等突發狀況提供保護，保護（輔助）回路由熔斷器、熱繼電器、失壓線圈、整流組件和穩壓組件等組件組成。（3）信號回路：它不僅能及時反映或顯示設備和線路正常，還能反映設備非正常工作狀態的信息，主要的反映信號有：不同顏色的信號燈和不同聲響的音響設備等。（4）自動與手動回路：電氣設備為了提高其工作效率，一般都設置有自動回路，但是在電氣系統的安裝、調試和一些緊急事故的處理過程中，控制線路中還需要設置手動回路，并且可以通過組合開關或轉換開關等實現自動與手動方式的轉換。（5）制動停車回路：這個控制回路的主要作用是用來切斷電路的供電電源，并采取某些制動措施，使電動機迅速停車的控制環節，如能耗制動、電源反接制動，倒拉反接制動和再生發電制動等。（6）自鎖與閉鎖回路：當電氣控制系統啟動按鈕松開后，線路保持通電狀態，電氣設備能繼續工作的電氣環節叫自鎖環節，如接觸器的動合觸點串聯在線圈電路中。兩臺或兩臺以上的電氣裝置和組件，為了保證設備運行的安全與可靠，只能一臺通電啟動，另一臺不能通電啟動的保護環節，叫閉鎖環節。如兩個接觸器的動斷觸點分別串聯在對方線圈電路中。

分布式控制系統（DCS）的組成構架是一個完整的系統網絡，這個系統網絡結構是DCS的基礎與核心。系統網絡結構對DCS整個系統的實時性、可靠性和擴充性，起著決定性的作用，它還必須滿足實時性的工作要求，即在確定的時間限度內完成信息的傳送。這個“確定”的時間限度，是指在無論何種情況下，信息傳送都能在這個時間限度內完成，而這個時間限度則是根據被控制過程的實時性要求確定的。因此，衡量系統網絡性能的指標并不是網絡的速率，即通常所說的每秒比特數（bps），而是系統網絡的實時性，即能在多長的時間內確保所需信息的傳輸完成。系統網絡還必須非常可靠，無論在任何情況下，網絡通信都不能中斷，因此多數廠家的DCS均采用雙總線、環形或雙重星形的網絡拓撲結構。為了滿足系統擴充性的要求，系統網絡上可接入的最大節點數量應比實際使用的節點數量大若干倍。這樣，一方面可以隨時增加新的節點，另一方面也可以使系統網絡運行于較輕的通信負荷狀態，以確保系統的實時性和可靠性。在系統實際運行過程中，各個節點的上網和下網是隨時可能發生的，特別是操作員站，這樣，網絡重構會經常進行，而這種操作絕對不能影響系統的正常運行，因此，系統網絡應該具有很強在線網絡重構功能。

分布式控制系統（DCS）具有以下特點：高可靠性和開放性。高可靠性是由于DCS將系統控制功能分散在各臺計算機上實現，系統結構采用容錯設計，因此某一臺計算機出現的故障不會導致系統其他功能的喪失。此外，由于系統中各臺計算機所承擔的任務比較單一，可以針對需要實現的功能采用具有特定結構和軟件的專用計算機，從而使系統中每臺計算機的可靠性也得到提高。開放性是由于分布式控制系統（DCS）采用開放式，標準化、模塊化和系列化設計，系統中各臺計算機采用局域網方式通信，實現信息傳輸，當需要改變或擴充系統功能時，可將新增計算機方便地連入系統通信網絡或從網絡中卸下，幾乎不影響系統其他計算機的工作。

三、分布式電氣控制系統應用

隨著微型計算機與網絡技術的飛速發展，以及各個制造商之間的激烈競爭，推動了分布式控制系統迅速的從上世紀70 年代的第一代發展到90 年代初的第三代。盡管在此之前的集散系統的技術已經具有相當高的水平，但是DCS還存在有一個最主要的缺陷：全球各大公司所推出的幾十種型號的系統，幾乎都是該公司的專利產品，它們各個公司為了保護自身的利益，往往采用的是專利網絡，從而就為全廠、全企業的協同管理帶來障礙。

伴隨計算機技術的發展和互聯網通信技術的開發，使各個電氣控制系統生產廠商更多地采用商業計算機技術，上世紀80年代末許多公司推出新一代的集散系統，其主要特征是新系統的局部網絡采用MAP協議；引用智能變送器與現場總線結構；在控制軟件上引入PLC的順序控制與批量控制，使DCS也具有PLC的功能。

上世紀90年代初期，全球知名的DCS系統產品有：3000，Bailey的IN F I-90， Ro semount的RS-3，West Hoose的WDPF， LeedsNonthrup的MAX-1000， Foxboro的IOuml; AS，日本橫河的CEN TUM等產品。以上所提到電氣控制系統均為大型的分布式電氣控制系統（DCS），為了適應市場的需要各電氣控制系統廠商也開發了不少中小型的DCS系統，如：S-9000， MAX-2， LXL， A2 PACS等成熟的產品。

四、總結

由于目前現場總線的國際標準是由8種不同的協議標準組成的，它們各自所采用的通信協議都不相容，所以也就導致了基于現場總線技術的分布式電氣控制系統的推廣和應用。但是隨著現場總線標準的推廣和廣泛應用，未來制定一個統一的通信協議是能夠實現的，因此也必將推動分布式電氣控制系統的更廣泛的應用。

參考文獻

[1]Christian Diedrich，Rent5 Simon，Matthias Red1．Engineering of Distributed

Control Systems. 2000 IEEE.ISIE'2000，Cholula，Puebla，Mexico

[2]Xie Zhixun，NARIand Han Yuejun，NARI. A Practical redundancy in the Distributed Control of Power Plants，0-7803-7459-2/02 2002 IEEE

[3]卓薇．基于現場總線的分布式電氣控制系統改造[J]．華電技術．2010，32（8）：45～46

[4]陳玉，溫陽東．分布式配電自動化系統的研究[J]．安徽電氣工程職業技術學院學報刊．2005，10（3）：10～13

[5]張玉春，楊成峰，曹海英等．現場總線集成技術在自動化控制系統中的應用[J]．熱電技術．2007，96（4）：52～55