基于現場總線的電氣自動化設備資源管理系統設計方法研究

唐廣瑜，金鑫琨

（國網四川省電力公司成都供電公司，四川 成都 610000）

0 引言

基于現場總線的電氣自動化設備資源管理系統其本質上是一種以繼電器、PLC設施為核心的電氣控制系統，是在原有DCS集散控制系統基礎上發展而來的一種更加高效的電氣系統管理技術。現場總線控制具有高效、精準、快捷的特點，因此在現代工廠自動化生產和管理中應用越來越廣泛[1]。

本文以基于現場總線的電氣自動化設備資源管理系統結構層次為依據，在總線控制系統簇級結構中找到各結構的運行機制以及優化設置方法，期待為總線控制系統構建提供經驗參考。

1 基于現場總線的電氣自動化設備資源管理系統的特征

基于總線的電氣自動化設備資源管理系統是在傳統工廠DSC集散控制系統基礎上發展而來的一種電氣系統控制技術，其是現代信息技術、傳感器技術、單片機技術與傳統電氣控制技術結合后的產物。利用基于現場總線的電氣自動化設備資源管理系統能夠實現現場設備層到車間級監控的分散式數字控制和現場通信，從而有利于實現工廠基層生產單元到控制層的智能化管理與控制[2]。

本文參考Profibus-DP標準，對現階段生產中較常見的總線控制系統的運行機制和構建方法進行分析，為我國電氣自動化和工廠設備管理優化提供經驗參考和技術支持。

2 設備控制與管理

圖1 現場總線的電氣自動化設備結構圖

設備控制與管理需要根據設備的類型和功能性特征作出相應調整，從電氣控制角度來看，工廠生產設備可分為三大類。第一類是僅需要簡單控制的設備，這些設備只需要啟動和停止控制即可，如皮帶運輸機、除塵器等，這些設備不需要過于復雜的控制程序，無變頻設計只需要啟停控制。第二類是需要速度調控的設備，如風機、傳送帶等，這些設備需要根據生產需求進行實時控制，具有復雜的變頻設定，以便隨時調整設備參數以保證生產秩序。第三類是自成系統的設備，這類設備自身就搭載控制程序，現場控制的主要目的是監測設備運行參數而非控制設備運行，即使不加入總線控制，這些設備在接通電源后也可穩定運行[3]。現場總線的設備資源管理系統主要針對的是前兩類工作設備，第三類通常無需納入總線控制系統，即使納入總線控制系統大多數情況下僅是針對設備的啟動和停止進行控制，本文就前兩類設備的現場總線控制與管理系統進行分析和設計。

從工廠作業實況來看，想要建立一個能夠控制現場生產的電氣控制系統，這個控制系統應當滿足以下個功能性需求：（1）能夠有效傳遞啟停指令。（2）能夠對設備運行參數作出調整和控制。（3）能夠及時將設備運行參數上傳至控制中心。因此現場總線設備資源管理系統的工作結構應當如下上位機（中央控制設備）—PLC—控制器—（獨立控制器）—現場設備。這是基于現場總線的電氣自動化設備資源管理系統的基本管理與控制結構，這套電氣自動化設備資源管理系統的構建也需要在這基層結構上做設計和調整[4]。

3 控制器-現場設備

從結構設計上來看，現場設備由控制器直接控制，控制器由PLC控制，現場總線控制系統終端設備則為上位機，控制所有下層PLC單元，這是各結構的定位和分工。在生產作業中，控制器控制現場設備有兩種接線類型，一種為就地控制另一種就是總線控制，其中總線控制是本文研究的主要內容。

總線控制又叫遠程控制，具體來說就是總線控制的控制和現場設備不在同一空間，中央控制器（上位機）通過DP線路向控制器發送指令，控制器通過比對運行參數找到變動指令，然后作出相應動作，從而實現現場設備動作的調整，達到總線控制的目的。

通常控制器和現場設備在同一物理空間，控制器的功能通過變頻輸出實現，在進行調整時可能出現波動或受到干擾引起控制指令異常，導致設備故障。因此在總線電氣自動化控制系統中控制器-現場設備這一環節的關鍵是處理好控制器變頻輸出時能夠不受外部干擾穩定切換、實現精準控制，即無擾切換。在建立總線設備資源管理器之前，總線控制可通過就地切換繼電器與主回路接觸器的通斷時間差來避免切換瞬間的運行回路斷電，在總線設備資源管理器中我們需要考慮的核心問題就是切換時的順暢程度。這里就不得不提到幾個關鍵參數，一個是頻率給定值SV，另一個就是頻率反饋值SV。在總線控制中SV提示的是MV通過操作器輸出的自變值，如果保證總線設置的變頻器頻率和輸出自變值保持一致，那么在切換的瞬間輸出信號和反饋信號能夠實現互動，可快速通過PLC的識別并作出動作調整，反之亦然，因此調控SV和MV值的一致性就是總線控制線路中確保控制器能夠精準控制現場設備的關鍵所在[5]。

4 PLC-控制器

PLC通過控制控制器來實現對現場設備的控制，通常工廠控制器是由軟啟動器、變頻器、保護裝置等單元組成的設備，能否穩定作業并精準控制現場設備與控制器的電壓、頻率、電流、功率因數等有關，而控制器的工作參數主要受到PLC的限制與調整，因此在總線控制系統中可通過調整PLC來穩定控制器工作參數，從而達到精準控制的目的。我們需要根據控制器的組成單元進行分別設定，如啟停裝置需要設置啟停模式、慣性、斜坡、加減速時間、信號源、頻率源、反饋信息等，保護裝置則可以設定警報閾值來確定保護裝置的生效模式、生效效果、生效動作等，從而實現現場設備的監控與保護。這些設定都可通過邏輯編程寫入PLC然后再將PLC與現場設備串聯在同一電路后發揮效用。

對于PLC的選擇需要根據功能性需求、控制精度要求、線路工作參數等進行選擇，選擇合適型號的PLC是實現總線控制目的的第一步；然后再對PLC進行寫入，根據實際生產需求對PLC進行統一寫入和統一管理，為了便于管理可以選擇統一的語言類型、編寫邏輯和設定頻率；此外，合理設定PLC也是避免總線管理與控制系統故障蔓延弊端的有效思路，在進行PLC編寫時我們可以在PLC中盡可能全面地編寫故障代碼，以加強PLC對故障參數的監控與識別能力，同時配合專用的故障反饋路線，可實現整個總線控制系統下線路中或現場設備故障的快速識別與鎖定，以避免故障對整個電氣系統穩定性的影響，同時也有利于故障檢修效率的提高[7]。

5 上位機-PLC

總線終端就是整個總線電氣自動化設備資源管理系統的上位機，也是整個控制系統的中央控制系統，終端機通過控制PLC形成簇狀控制結構，實現垂直的控制與管理。上位機和PLC的通訊可采用DAServer接口，通過設定數據交換時間來達到定時、定量、定向的數據交互與指令傳遞。對于僅需要啟停控制的簡單設備來說，上位機-PLC的通訊設定可以適當削減通訊協議，以減少資源占用；對于具備獨立控制系統的現場設備來說，上位機-PLC的通訊設定可以一切從簡，這些設備大多不需要上位機發出控制指令，可以通過接入現場控制線路來減少資源消耗，對于此類設備只需要建立必要的監控與緊急通訊協議即可，具體來說就是上位機可以實時獲取此類設備的運行參數以及在緊急時刻能夠叫停設備的控制權限即可；上位機-PLC通訊協議中最主要的應當是那些需要變頻控制的現場設備，這些設備具備占用大量資源的必要，對于此類設備除了常規的啟停控制外，還應當建立持續動態監控和實時控制，當然為了提高控制效率以及指令傳達的效率，可以通過設定非等效的雙向通訊協議來實現，比如上游設備向下傳遞通訊的時間設定為10ms，而下游設備向上反饋信息的通訊時間設定為1000ms，以此來優化資源的利用效率[7]。

6 結語

一般來說，在電氣自動化管理與控制中存在著服務器，雖然服務器并非必要單元，但在服務器可有效提高電氣自動化管理的效率。首先，上位機為總線控制的終端設備，每日輸出和接收的數據與通訊較多，這些數據信息在短時間內就可完全占用上位機的計算容量和存儲空間，當計算容量降低后上位機的響應速度將會顯著降低，為了避免這一問題發生，我們科在控制系統基礎上外接服務器來避免這一問題，其直接與上位機連接但不參與到電氣控制與管理中，只負責收集并存儲上位機每日匯總的數據與通訊，以便工廠的管理者與技術人員對工廠經營狀態進行數據分析和調用。因此服務器對于上位機來說就是外接的存儲空間，用于釋放上位機每日積累的信息容量，減少上位機的數據冗余，從而有利于上位機功能的發揮。此外，在技術條件允許的情況下，也可建立服務器-上位機的雙向通訊協議，讓上位機能夠借助服務器的計算能力進行數據的匯總、計算與分析，以此來提高上位機的計算能力，這對總線電氣自動化設備資源管理系統運行效率的提高具有積極意義，但在應用該項技術前要注意做好來自服務器的入侵防控，通過建立防火墻來預防外部侵入盜取生產經營信息。