1.1 現(xiàn)場總線的概述
現(xiàn)場總線是20 世紀80 年代中期在上發(fā)展起來的,是為了實現(xiàn)整個企業(yè)的信息集成,實現(xiàn)綜合自動化,達到在工業(yè)現(xiàn)場運行可靠、廉價、互操作的目的。現(xiàn)場總線控制技術(shù)由于其巨大的技術(shù)優(yōu)勢,被認為是工業(yè)控制發(fā)展的必然趨勢,將逐步取代傳統(tǒng)的PLC 點對點接線的控制方法。現(xiàn)場總線技術(shù)是一種集總線技術(shù)、計算機技術(shù)、通信技術(shù)、集成電路技術(shù)及智能傳感技術(shù)于一身的新型控制技術(shù)。根據(jù)電工委員會的IEC61158 標(biāo)準(zhǔn)的定義,現(xiàn)場總線是一種應(yīng)用于生產(chǎn)現(xiàn)場、現(xiàn)場設(shè)備之間、現(xiàn)場設(shè)備與控制裝置之間實行雙向、串行、多節(jié)點通信的通信網(wǎng)絡(luò)。它是適合于工業(yè)控制要求的通信網(wǎng)絡(luò)。
現(xiàn)場總線把微處理器置入現(xiàn)場自控設(shè)備,使設(shè)備具有數(shù)字計算和數(shù)字通信能力,這一方面提高了信號的測量、控制和傳輸精度,同時為豐富控制信息的內(nèi)容、實現(xiàn)遠程傳送創(chuàng)造了條件。在現(xiàn)場總線的環(huán)境下,借助現(xiàn)場總線網(wǎng)段以及與之有通信連接的其它網(wǎng)段,實現(xiàn)異地遠程自動控制。由于現(xiàn)場總線強調(diào)遵循公開統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),因而有條件實現(xiàn)設(shè)備的互操作性和互換性,用戶可以把不同廠家、不同品牌的產(chǎn)品集成在同一個系統(tǒng)內(nèi),并可在同功能的產(chǎn)品之間進行相互替換,使用戶具有了自控設(shè)備選擇、集成的主動權(quán)。
1.2 現(xiàn)場總線的分類及比較
現(xiàn)場總線種類繁多[1 > ,按照現(xiàn)場總線的應(yīng)用層次將它分成如下幾種: ①傳感器總線 底層的總線,只進行少量數(shù)據(jù)傳輸。如ASI、Interbus - S 等。②設(shè)備總線 較常用的一種總線形式,為智能設(shè)備提供通信服務(wù),在這一層次上,智能設(shè)備能夠執(zhí)行多種功能,提供通信和診斷信息服務(wù)。這類總線包括:CAN、DeviceNet 、Lon Works、Profibus - DP 等。③車間級總線 設(shè)備總線的上一層次,他支持大數(shù)據(jù)量的傳輸,但傳輸速度較慢,要求設(shè)備處理器有較高的性能,有的現(xiàn)場總線技術(shù)已經(jīng)能在現(xiàn)場設(shè)備中直接支持分布式控制功能。這類總線包括: FF、Profibus - PA、WorldFIP、Lon Works 等。④控制級總線 主要定向于PLC、DCS 控制器等高層次控制設(shè)備件的對等通信,諸如Cont rolNet 。⑤企業(yè)級總線 骨干網(wǎng)絡(luò)是為企業(yè)事務(wù)服務(wù)的,主要形式是在Ethernet 基礎(chǔ)上運行TCP/ IP 協(xié)議。幾種流行現(xiàn)場總線的比較如表1 所示。
1.3 LON WORKS
Lon Works 是由美國ECHELON 公司于20 世紀90 年代初推出的一種現(xiàn)場總線技術(shù),Lon (Local Operating Network) 的意思為局部操作網(wǎng)絡(luò),它是用于開發(fā)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的一個完整的技術(shù)平臺,并具有現(xiàn)場總線技術(shù)的一切特點。Lon Words 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由智能節(jié)點組成,每個智能節(jié)點可具有多種型式的I/ O 功能,節(jié)點之間可通過不同的傳輸媒介進行通信,并遵守ISO/ OSI 的7 層模型,被譽為通用控制網(wǎng)絡(luò)。
Lon Works 支持與其他協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)之間的互連與互操作;ECHELON 提供相應(yīng)可以嵌入產(chǎn)品的軟件和硬件,使得Lon Works 應(yīng)用程序可以在非Neu2ron 芯片的主機上運行,任何微控制器、PC 機、工作站或計算機都可以作為Lon Works 網(wǎng)絡(luò)的一個節(jié)點與其他節(jié)點通信。神經(jīng)元芯片處理現(xiàn)場互聯(lián)的全部任務(wù),還能處理現(xiàn)場傳感器、執(zhí)行器的動作以及數(shù)字邏輯運算等現(xiàn)場任務(wù)。Lon Talk 是OSI 參考模型面向現(xiàn)場對象應(yīng)用的一個子集。它比現(xiàn)場總線歷來*的功能覆蓋面更廣,支持多介質(zhì)、大網(wǎng)絡(luò)。這為工廠制造自動化的測、控、管一體化提供了全局性的解決方案,而且都可通過固化有Lon Talk 協(xié)議的神經(jīng)元芯片實現(xiàn)同生產(chǎn)管理級互聯(lián)。另外, Lon Works總線開發(fā)系統(tǒng)支持各種拓撲結(jié)構(gòu),選擇不同的收發(fā)器可構(gòu)成星形、環(huán)形、樹形或混合形結(jié)構(gòu);而尋址由協(xié)議來解決,這樣現(xiàn)場互聯(lián)更加靈活。
2 干粉配料控制系統(tǒng)
2.1 主要被控對象
1) 料倉控制閥:水泥倉下料口控制閥、石灰粉倉下料口控制閥、石英砂下料口控制閥、粉煤灰下料口控制閥、添加劑下料口控制閥;
2) 料位監(jiān)測儀:水泥倉料位儀、石灰粉倉料位儀、石英砂料位儀、粉煤灰料位儀、添加劑料位儀;
3) 進料閥門:水泥倉進料口控制閥、石灰粉倉進料口控制閥、石英砂進料口控制閥、粉煤灰進口控制閥、添加劑進料口控制閥;
4) 皮帶傳輸機電機轉(zhuǎn)速監(jiān)控:石英砂皮帶傳輸機電機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)控制、粉煤灰皮帶傳輸機電機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)控制;
5) 電子皮帶秤稱料監(jiān)控:石英砂電子皮帶秤稱量調(diào)節(jié)控制、粉煤灰電子皮帶秤稱量調(diào)節(jié)控制;
6) 螺旋輸送機電機轉(zhuǎn)速監(jiān)控:水泥螺旋輸送機電機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)控制、粉煤灰螺旋輸送機電機轉(zhuǎn)速調(diào)
節(jié)控制、石灰粉螺旋輸送機電機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)控制;
7) 混料倉監(jiān)控;
8) 烘干機監(jiān)控。
2.2 配料控制系統(tǒng)組成
配料控制系統(tǒng)組成如圖1 所示。該系統(tǒng)以現(xiàn)有計量控制設(shè)備如電子皮帶秤、螺旋絞刀泵、核子秤等為基礎(chǔ),在這些現(xiàn)有配料控制設(shè)備的輸入端連接相應(yīng)的Lon Works 節(jié)點,將非LonWorks 現(xiàn)場總線設(shè)備集成到現(xiàn)場總線中,構(gòu)成基于現(xiàn)場總線的控制系統(tǒng)。這里所用的節(jié)點主要包括:PCL TA - 10 適配卡與PC 及連接構(gòu)成Lon Works 網(wǎng)絡(luò)管理監(jiān)控節(jié)點;Lon Works/ 4 - 20mA 轉(zhuǎn)換節(jié)點將符合DDZ - Ⅲ型標(biāo)準(zhǔn)模擬信號4 - 20mA 的控制設(shè)備集成到現(xiàn)場總線上;Lon Works/ 485/ 232 轉(zhuǎn)換節(jié)點將數(shù)字接口控制設(shè)備集成到現(xiàn)場總線上;開關(guān)量的監(jiān)測與控制由Lon Works 控制節(jié)點的I/ O 模塊完成。
2.3 配料柔性控制
通過LONWORKS 節(jié)點將不同類型、不同組分的喂料計量設(shè)備集成到現(xiàn)場總線后,單機設(shè)備不再是信息的孤島,可在配料管理軟件控制下協(xié)調(diào)工作,實現(xiàn)不同組分干粉配料的靈活生產(chǎn),快速滿足不同用戶對產(chǎn)品的要求。干粉配料生產(chǎn)監(jiān)控管理軟件功能包括:干粉料品種配比專家數(shù)據(jù)庫、干粉料配比設(shè)置、產(chǎn)量設(shè)置、生產(chǎn)率設(shè)置、各組份流量分配、配料設(shè)備容差設(shè)置、料倉料位上下限設(shè)置、單機控制與聯(lián)機控制選擇、手動與自動切換、調(diào)試與運行切換、各配料設(shè)備實際流量指示、設(shè)備運行狀態(tài)指示、設(shè)備工作異常報警、故障處理與歷史追溯等。
現(xiàn)場總線技術(shù)是電子、儀器儀表、計算機技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展的結(jié)晶,是工業(yè)自動化事業(yè)發(fā)展的需要。它將微處理器置入傳統(tǒng)的測量控制儀表,使它們各自都具有數(shù)字計算和數(shù)字通信能力,采用可簡單連接的雙絞線等作為總線,把多個測量控制儀表連成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),并按公開、規(guī)范的通信協(xié)議,在位于現(xiàn)場的多個微機化測量控制設(shè)備之間以及現(xiàn)場儀表與遠程監(jiān)控計算機之間,實現(xiàn)全數(shù)字化、雙向多變量數(shù)字通信,一改過去長時間運用4-20mA的模擬信號標(biāo)準(zhǔn)。它在電力、冶金、石化、樓宇等方面的自動化系統(tǒng)中具有廣泛的應(yīng)用前景。
2、廈門會展電力監(jiān)控系統(tǒng)介紹
廈門會展中心電力監(jiān)控系統(tǒng)工程是會展中心智能化工程中的重點工程之一,電力監(jiān)控系統(tǒng)負責(zé)對會展中心的高、低壓配電室內(nèi)的各種用電設(shè)備的集中監(jiān)控與計量,通過*的系統(tǒng)和控制方案給會展中心提供高效、*的系統(tǒng)管理。
廈門會展中心電力監(jiān)控系統(tǒng)工程由西安協(xié)同公司承接實施,西安協(xié)同公司針對該系統(tǒng)各種設(shè)備接口復(fù)雜、技術(shù)專業(yè)性強等特點,精心設(shè)計、科學(xué)組織、克服困難、不斷創(chuàng)新,終圓滿完成了工程實施。該系統(tǒng)優(yōu)良率為92%,居28個子系統(tǒng),受到建設(shè)單位的*好評。
2.1 系統(tǒng)組成及功能
系統(tǒng)由一臺*工作站、六臺監(jiān)控分站、一條“DH+”總線組成,采用集散型系統(tǒng)設(shè)計。監(jiān)控分站選用美國AB公司的SLC500控制器,控制器配有DI、DO及BASIC通信模塊。DI模塊完成低壓開關(guān)狀態(tài)的采集與脈沖量的計量,DO模塊實現(xiàn)開關(guān)的分勵脫扣及模擬屏的驅(qū)動。BASIC通信模塊帶有兩個獨立可編程RS-485通信口,可外掛兩條RS-485總線與各種智能設(shè)備構(gòu)成現(xiàn)場總線結(jié)構(gòu)。本系統(tǒng)中BASIC通信模塊主要完成如下監(jiān)控功能;
三相電壓、三相電流、有功功率、無功功率、功率因數(shù)、有功電度、變壓器溫度、浮充電壓、環(huán)境溫度；開關(guān)狀態(tài),故障、報警、跳閘信號;開關(guān)分、合閘控制
本系統(tǒng)雖然是PLC與現(xiàn)場總線并存的系統(tǒng),但可以看出,現(xiàn)場總線是該系統(tǒng)的核心,也是該系統(tǒng)的亮點之一。
本系統(tǒng)使用的智能設(shè)備有瑞士ABB公司的REF-541綜合三相過流保護繼電器,法國SOCOMEC公司的智能電網(wǎng)電量監(jiān)控器,浙江科宏電氣的智能溫控設(shè)備、福州利得電氣的智能溫控設(shè)備,上海華辰電氣的智能高頻開關(guān)直流屏。
2.2 系統(tǒng)特點及優(yōu)點
●節(jié)省硬件投資與施工費用
傳統(tǒng)控制系統(tǒng)對于模擬量的采集一般選用各種變送器,將模擬量轉(zhuǎn)換為4-20mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號,然后經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換單元,終送往*工作站?，F(xiàn)場總線系統(tǒng)中,所有上述功能全都集成于一體化的智能設(shè)備中,因此采用現(xiàn)場總線系統(tǒng),不需購置大量硬件設(shè)備,節(jié)省空間,節(jié)省投資。
現(xiàn)場總線系統(tǒng)接線十分簡單,通過一條電纜便可連接多個設(shè)備,而傳統(tǒng)控制系統(tǒng),每個變送器都需單獨電纜傳送信號。因此,采用現(xiàn)場總線系統(tǒng),電纜、端子、槽盒、橋架的用量大大減少,連線設(shè)計與接頭校核的工作量也大為減少。如需增加現(xiàn)場設(shè)備時,無需增設(shè)新的電纜,可就近連接在原有的電纜上,減少了設(shè)計、安裝的費用。
廈門會展中心電力監(jiān)控系統(tǒng)實際I/O點數(shù)為1000點,模擬量為370點,我公司實施這一系統(tǒng)用了105萬,如果不使用現(xiàn)場總線系統(tǒng),而是用傳統(tǒng)控制系統(tǒng)模式,經(jīng)我們估算,投資至少需要150萬。
●系統(tǒng)維護方便
現(xiàn)場總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,故障環(huán)節(jié)少,施工維護方便。由于現(xiàn)場智能設(shè)備具有自診斷和簡單處理能力,維護人員可以查詢設(shè)備的運行,診斷維護信息,以便早期分析故障原因并快速排除,縮短了維護停工周期。
●控制功能分散
傳統(tǒng)控制系統(tǒng)控制功能主要由控制室設(shè)備承擔(dān),現(xiàn)場總線系統(tǒng)控制功能基本上由智能化的現(xiàn)場儀表承擔(dān),控制功能分散的比較*,真正做到了“分散控制”。比如該系統(tǒng)的智能溫控設(shè)備,通過對變壓器溫度的監(jiān)測,它會發(fā)出命令啟動風(fēng)機降溫或者高壓跳閘,并不依賴上位機的功能。
●系統(tǒng)準(zhǔn)確性和可靠性得到提高
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,它從根本上提高了測量與控制的精確度,減少了傳送誤差。同時,由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡化,設(shè)備連線減少,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。
2.3 技術(shù)難點及經(jīng)驗總結(jié)
一條RS-485總線理論上只允許掛有相同通信協(xié)議的智能設(shè)備,各個設(shè)備以不同地址加以區(qū)分。但會展中心2、4、5號低配室有三種不同協(xié)議的智能表,那么對于只有兩個通信口的BASIC模塊,不可避免要將兩種不同協(xié)議的設(shè)備掛在一條總線上。我們針對這一問題作了分析與論證,認為協(xié)議不同的智能設(shè)備,如果端口配置（包括波特率、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗、停止位、流控制）相同,便可以掛在一條總線上工作。我們對所有設(shè)備的端口進行了統(tǒng)一配置,通信軟件編制作了相應(yīng)調(diào)整,分別對不同設(shè)備進行讀寫控制,終系統(tǒng)運行正常,并沒有發(fā)生沖突的情況。
隨著總線上設(shè)備的增加,數(shù)據(jù)刷新的周期會變長,系統(tǒng)實時性會降低,如果要提高實時性,則要增加硬件投資,如增加通信模塊或提高系統(tǒng)配置。對于具體的控制系統(tǒng),不必一味追求系統(tǒng)實時性,要根據(jù)系統(tǒng)的實際情況和客戶的具體要求,使系統(tǒng)各項指標(biāo)滿足要求即可。例如會展中心高配室,一條RS-485總線同時連接20臺REF-541,要進行讀取數(shù)據(jù)、采集報警、開關(guān)分、合閘控制等多任務(wù),不同任務(wù)對實時性的要求是不同的。我們在通信軟件編制中,對不同任務(wù)也加以區(qū)分,采用“硬實時任務(wù)”優(yōu)先處理的算法,終使系統(tǒng)各項指標(biāo)均達到技術(shù)協(xié)議的要求。
3、現(xiàn)場總線系統(tǒng)模式應(yīng)用于其它系統(tǒng)的設(shè)計構(gòu)思
廈門會展中心電力監(jiān)控系統(tǒng)是現(xiàn)場總線技術(shù)在樓宇自控領(lǐng)域的成功應(yīng)用,那么該控制系統(tǒng)模式能否應(yīng)用于其它系統(tǒng)呢?下面給出樓宇自動化抄表系統(tǒng)的設(shè)計構(gòu)思。
小區(qū)用戶水電氣表選用有脈沖輸出功能的產(chǎn)品,多路采集控制器負責(zé)計量某一區(qū)域或樓層用戶三表的脈沖數(shù),并計算出每戶用電量、用水量、用氣量,通過RS-485總線上傳至管理工作站。目前生產(chǎn)這種采集器的廠家較多,價格也比較便宜。當(dāng)然也可以采用小型PLC來實現(xiàn),這樣系統(tǒng)性能會大幅度提升,但是投資也會相應(yīng)增加。我公司給某大廈抄表系統(tǒng)的建議方案中便采用這種模式。
4、現(xiàn)場總線技術(shù)將朝著開放系統(tǒng)、統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的方向發(fā)展
以微處理器芯片為基礎(chǔ)的各種智能儀表,為現(xiàn)場信號的數(shù)字化以及實現(xiàn)復(fù)雜的應(yīng)用功能提供了條件。但不同廠商所提供的設(shè)備之間的通信標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一,嚴重束縛了工廠底層網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。對于廈門會展電力監(jiān)控系統(tǒng)來講,該系統(tǒng)涉及到國內(nèi)外智能設(shè)備共有5種,我們在工程實施中針對5中不同的通信協(xié)議分別開發(fā)出5種不同的驅(qū)動程序,每種驅(qū)動程序的調(diào)試方法也各不相同,這無疑增加了系統(tǒng)集成的工作量。
化工機械設(shè)備網(wǎng)
化工機械設(shè)備網(wǎng)