現場總線電動執行機構在火電廠的應用

　　摘要：現場總線技術日新月異，它的應用范圍也正在擴大，本文對現場總線電動執行機構的情況進行了簡要概述，介紹了PROFIBUS現場總線電動執行機構的現場應用情況，并總結了應用過程中的一些優點、經驗和方法。
　　
　　一、概述
　　
　　電動執行機構是過程控制系統中一個重要的現場驅動裝置，具有行程控制、轉矩保護、手電動切換和手動操作、遠方及就地控制等功能，可以將上位控制設備和系統（調節器、PLC或DCS）給出的電量指令信號轉化為相應的位移，驅動zui終控制部分（如閥門、擋板等）至系統所要求的位置，以調節和控制流量、溫度、壓力等過程參數，實現系統的過程控制。目前國內火電廠的控制系統中，電動執行機構通常采用模擬量或脈沖量控制方式，系統與電動執行機構之間采用點對點連接形式。
　　
　　二、現場總線的基本情況
　　
　　現場總線是應用于生產現場，在微機化測量控制設備之間實現雙向串行多節點數字通信的系統，也被稱為開放式、數字化多點通信的底層控制網絡，它把單個分散的測量控制設備變成網絡節點，以現場總線為紐帶，把它們連接成可以相互溝通信息、共同完成自控任務的網絡與控制系統，是當今自動化領域技術發展的熱點之一。
　　
　　由于電子技術的發展和計算機技術的廣泛應用，集散控制系統（DCS）、可編程控制器（PLC）及各類儀表的功能越來越強，性能及可靠性得到了很大提高，現場總線技術在過程控制工業中的應用越來越多，并先在各類變送器上得到應用，隨著電動執行機構智能化程度的不斷提高，現場總線技術在電動執行機構中也得到應用，即通過現場總線實現對電動執行機構的遠方控制，并將電動執行機構的狀態數字信號上傳至上位設備，參與系統運行及在CRT上顯示，甚至可以在遠方對電動執行機構進行部分參數的組態以及故障診斷。當今上不少電動執行機構制造公司已開始銷售具有總線通道的電動執行機構產品，如ROTORK、AUMA、LIMITORQUE、SIEMENS等，其中應用較多的有PROFIBUS、INTERBUS、FF、MODEBUS、HART等協議的現場總線。
　　
　　三、現場總線電動執行機構在火電廠的應用實例
　　
　　1．現場總線電動執行機構簡介
　　
　　揚州電力設備修造廠于1993年引進西門子電動執行機構專有技術，其中的2SA3智能型電動執行機構產品含有PROFIBUS現場總線的通信接口，能夠實現現場總線控制功能，其外形見圖1，該產品的主要功能如下：
　　
　　（1）能夠進行遠方／就地控制；
　　
　　（2）可輸入模擬量和開關量進行控制；
　　
　　（3）現場查詢、組態及診斷；
　　
　　（4）死區（響應閾值）自適應；
　　
　　（5）可調節的電機電子制動；
　　
　　（6）具有PROFIBUS—DP現場總線接口。

　　
　　電動執行機構的本體與智能控制部分可以拆分，必要時可分體安裝。智能控制部分采用CPU，現場總線通信部分采用的通信板，整機的工作原理見圖2。

　　
　　2．應用工況
　　
　　為了能夠掌握電動執行機構在PROFIBUS-DP現場總線中的應用技術，并提供能滿足現場總線技術要求的國產電動執行機構產品，推動這項技術在國內的進一步發展，1999年我們與清華大學自動化系合作，在消化吸收引進技術及完成現場總線通信接口板的制作和實驗室應用的基礎上，對帶有PROHBUS-DP總線接口的2SB35智能型電動執行機構產品進行了現場應用工作。在江蘇新海發電廠的大力支持下，揚州電力設備修造廠生產的智能型電動執行機構于2001年12月已投入新海發電廠的化學水處理車間的控制系統，參與系統的正式運行，目前運行情況良好，其安裝位置見圖3。

　　
　　安裝位置在廠房內，周圍環境較好。該電動調節閥的作用是調節主廠房來蒸汽進入加熱器的流量，使其出口溫度保持在25℃左右，讓反滲透水處理部分中的反滲透膜處于一個合適的工作溫度下。
　　
　　3．系統及硬件組成
　　
　　該電動執行機構的PROFIBUS-DP現場總線，其物理接口為RS485串口，通信介質為雙絞線或光纜，由于從現場至控制室的距離不超過100m，距離較短，故用雙絞線。根據現場的情況，系統配置采用圖4的方式，也可以采用電動執行機構與變送器共掛一條雙絞線的配置方式。

　　
　　整個控制系統中，采用西門子的S7-300PLC工作為主站，操作站采用工控機，操作站與主站間通過MPI相連接，可以對PLC進行編程及程序的修改；帶總線接口的2SA35智能型電動執行機構作為從站，通過RS485串口與S7-300PLC相聯；為提高系統的可靠性，操作站及主站均為冗余方式。
　　
　　電動執行機構現場總線采用冗余方式，其接線方式見圖5。

　　
　　4．軟件情況
　　
　　操作站所用操作界面（包括整個控制系統界面和電動執行機構操作、參數設置界面）在WINDOWSNT下的FIX3．2控制程序中編寫并運行。電動執行機構的控制功能塊在FIX3.2下的西門子SIMATICSTEP7中編寫，同時在控制系統的操作程序中嵌入了電動執行機構的數據轉換程序。所采用的PROFIBUS-DP總線，其數據鏈路層的服務形式為SRD（發送和請求回答的數據）和SDN（發送數據不需應答），在工作時電動執行機構將含有閥位信號、狀態信號、組態參數的數據幀通過總線傳至S7-300PLC主站，并傳至操作站，供運行人員查詢用，在操作站界面上可檢查電動執行機構的工作狀態，是否有故障，必要時輸入密碼進入修改和設置界面，含有指令信號及修改后參數的數據幀由S7-300PLC主站通過總線傳至電動執行機構。整個系統的通信速率設定范圍為19.5K~12Mbps，經幾次調整，設定在187.5Kbps，系統運行正常。
　　
　　5．電動執行機構組態
　　
　　2SA3智能型電動執行機構的詳細組態按說明書中的要求進行，相關的參數設置包括電動執行機構地址、運行方式、傳輸速率設置等，正確的組態設置將保證總線通信的順利運行，需要注意的組態參數有：8C=1（"8C"表示電動執行機構采用何種方式進行遠方控制，"1"代表電動執行機構通過PROFIBUS-DP遠方控制），8A=8C（"8A"代表從站為什么地址，"8C"為該從站在該系統的實際地址），76=0，77=0（"76"、"77"值的不同組合表示不同的通信速率，"0"、"0"表示總線通信傳輸速率為187.5Kbps）。
　　
　　四、現場總線的優點
　　
　　對電動執行機構而言，采用了PROFIBUS現場總線技術以后有以下優點：
　　
　　1．節省硬件費用，便于安裝調試
　　
　　在保證基本控制功能的前提下，每臺電動執行機構至少需要有7~8條控制線，若要具備其他功能，并提供狀態及故障信號，則需要更多的控制線，而采用總線通信方式，則在冗余情況下，僅需4根通信線，且無需轉換和隔離模塊，不僅減少了硬件和電纜數量、降低了費用，而且大大便利了現場的安裝接線。
　　
　　2．降低日常維護工作量
　　
　　由于電動執行機構的組態、診斷功能等能夠上移，與上位控制設備是雙向數字通信方式，在操作站即可對運行中的電動執行機構進行檢查，不必每次均至現場檢查，提高了工作效率，降低了日常維護的工作量。
　　
　　3．提高準確性及可靠性
　　
　　由于現場總線電動執行機構智能化、數字化，與模擬信號相比，從根本上提高了測量與控制精度，減少了傳輸誤差；此外連線簡化，減少了信號的往返傳輸，提高了可靠性。
　　
　　五、應用現場總線應注意的事項
　　
　　盡管現場總線有著上述優點，但根據我們所掌握的情況及現場應用經驗，現場總線電動執行機構在應用中還存在著以下一些需要注意的事項：
　　
　　1．通信速率選擇
　　
　　在我們進行程序及設備調試時，出現過PLC死機或不工作的情況，后經分析發現，由于電動執行機構的部分功能可以在操作站上實現，占用PLC的I/O的資源較多，對其通信速率有一定的影響，后將速率進行適當調整，并對程序運行速度也進行了相應的調整，因此在選擇通信速率時要與整個系統速率同步，所選擇的速率也并非是越快越好，而應根據系統的具體情況選擇合適的速率，保證系統的快速響應，防止速率過高造成通信阻塞；此外還要考慮與程序運行的速度相匹配，必要時可對程序運行速度進行調整。為了不浪費主站的資源，對于電動執行機構在操作站上的功能可以根據需要來選擇，不一定要把所有功能均置于操作站上，應盡量少占用主站I/0有限的資源，保證其通信速率。
　　
　　2．終端電阻的配置
　　
　　終端電阻配置不當會影響系統通信，進行調試時，若發生通信故障時，除檢查電纜連接和通信配置外，還要對總線兩端的終端電阻進行檢查，根據要求在PROFIBUS現場總線的兩端均須配置低阻值的電阻，即其中一個主站作為一端，zui后一個從站作為另一端，按要求應各配一個電阻，這是一個容易忽略的問題。
　　
　　3．電動執行機構故障對系統的影響
　　
　　PROFIBUS現場總線中，主站按一定的地址順序不斷與從站進行數據交換，對從站進行檢查，并發送指令信號，若其中有一個地址的現場設備從站掉電，該從站不再向主站發送數據幀，就可能會造成主站的程序無法運行，出現“死機”現象，因此必須保證現場電動執行機構的供電安全，運行期間不能斷電，同時還應注意控制程序中的組態，在斷電時跳過該從站，避免出現“死機”情況，并提示報警，以便設備檢修人員立即進行現場檢查并檢修。
　　
　　六、結束語
　　
　　現場總線是一項新技術，近年來它的發展很快，出現過的種類較多，這給推廣應用帶來諸多困難，但其中相對應用較多的有十幾種，而且目前的IEC61158也已將包括PROFIBUS在內的八種現場總線納入到同一個標準中，并且這項技術還在發展，在各個行業領域正逐漸得到越來越多的應用，這表明現場總線是一種發展趨勢。現場總線也是一個系統，它的應用離不開智能化的現場設備，因此智能型現場總線電動執行機構也是將來發展的一個方向。