现场总线在某化工厂低压配电自动化系统中的应用

1. 引言
随着电力行业的技术进步，化工行业自动化水平日益提高，国内各大化工厂纷纷将配电自动化系统纳入DCS（集散控制系统）中，实现监控一体化管理。由于DCS主要是以实现化工生产过程自动化为目的，而对电气系统自动化考虑较少。而仅仅将电气系统的部分信息如电机电流及运行信号等以“硬接线”的形式送入DCS中而实现简单的监测和启、停控制的方案，是一种低层次的融合，将造成投资增加、电气系统大量原始信息丢失，而电气系统的控制水平未必得到较大的提高。而随着现场总线技术的日益发展，上述问题得到了很好地解决。本文以上海安科瑞电气股份有限公司在某化工厂中的工程实例简单介绍现场总线技术在化工行业的低压配电自动化系统中的应用。
2. 现场总线技术的定义、结构及特点
2.1 现场总线技术概念
现场总线技术概念：现场总线是安装在生产过程区域的现场设备/仪表与控制室内的自动控制装置/系统之间的一种串行、数字式、多点通信的数据总线。即现场总线是以单个分散的、数字化、智能化的测量和控制设备作为网络节点，用总线相连接，实现相互交换信息，共同完成自动控制功能的网络系统和控制系统。
2.2 化工行业现场总线系统的结构
在一个现代化化工厂大规模的工业生产过程控制中，工业数据结构大体分为工厂级、车间级和现场级这3个层次，这其中，现场级与车间级自动化监控及信息集成是工厂自动化的重要部分。
现场级与车间级自动化监控及信息集成系统主要完成底层设备单机控制、连机控制、通信连网、在线设备状态监测及现场设备运行、生产数据的采集、存储、统计等功能，保证现场设备高质量完成生产任务，并将现场设备生产及运行数据信息根据需要传送到工厂管理层，同时也可接受工厂管理层下达的生产管理及调度命令并执行之。因此，现场级与车间级监控及信息集成系统是实现工厂自动化的基础。
下图为上海安科瑞电气为某化工厂设计的自动化监控及信息集成系统图。

2.3 现场总线系统的特点及优势
现场总线系统是一个全数字化、全分散式、可互操作、开放式互连网络的控制系统，现场总线系统与传统的DCS相比，具有以下技术特点和优势。
2.3.1 全数字通信
传统控制系统DCS采用4~20mA的模拟信号传输方式。这种传输方式一对传输电缆只能传送一路信号。而且，模拟信号在传输过程中易被其他信号或环境噪声所干扰，传输精度不高，控制效果不理想。而现场总线系统采用全数字信号传输。传输过程中采用数字信号的检错、纠错机制，使其具有较高的抗干扰能力，传输精度也得到显著提高。全数字通信使得多参数传输得以实现。现场设备的测量、控制信息以及其他非控制信息如设备类型和参数、整定值、设备运行状态等都可以通过一对传输线送到现场总线网络上的任何智能设备，从而消除了模拟信号传输的瓶颈。
2.3.2 控制分散
现场总线系统采用全分散式控制。现场智能终端设备，既有测量、采集、保护、变换、信号处理等功能，也有逻辑运算和控制功能。通过现场总线，将复杂的控制任务进行分解，分散下放于现场设备中，由现场智能终端设备构成控制回路，实现对各对象的控制。和传统的DCS控制系统相比，现场总线系统简化了系统结构，提高了系统的可靠性、自治性和灵活性。
2.3.3 开放性、互操作性
现场总线采用统一的协议标准，是开放式的互联网络，对用户是透明的，不同厂家产品只要使用同一总线标准，就具有互操作性、互换性，因此设备具有很好的可集成性。系统为开放式，允许其它厂商将自己专长的控制技术，如控制算法、工艺流程、配方等集成到通用系统中去，因此，不同厂家的网络产品可以方便地接入同一网络，集成在同一控制系统中进行操作，简化了系统集成。而在传统的DCS中，不同厂家的设备是不能相互访问的。
2.3.4 多分支结构
传统控制系统中设备的连接都是一对一的，而现场总线是多分支结构，其网络拓扑可为总线型、星型、树型等多种形式。这种多分支结构使得布线简单、工程安装周期缩短、运行维护方便，并能节省投资。这种结构还具有较强的系统扩展性，对于新增的设备，只需直接并行挂接即可，无需架设新的电缆，也无需系统停机。
2.3.5 现场设备状态可控
通过现场总线，现场设备的管理信息大大增加，这些信息包括功能模块组态、参数状况、诊断和验证数据等。操作人员在控制室里就可以对这些信息进行维护和验证数据等。操作人员在控制室里就可以对这些信息进行维护和管理，对现场设备进行参数整定，并实时地进行性能维护。当设备参数、状态发生变化时，操作人员能提前对该设备进行预处理，可减少事故发生。故障发生后，报警机制会立刻通知操作人员故障发生的部位和设备，从而提高了系统的可靠性和可维护性。
2.3.6 降低了系统及工程成本
对大范围、大规模I/O的分布式系统来说，省去了大量的电缆、I/O模块及电缆敷设工程费用，降低了系统及工程成本。
3. 基于现场总线技术的低压配电自动化系统的应用
如今，现场总线技术已经开始得到较为广泛的应用。如某化工厂所用低压配电自动化系统，采用基于现场总线技术的ACREL-2000监控系统，已投入运行，运行状况良好。下文以该配电自动化系统为例，简述现场总线技术在行业内低压配电自动化系统中的应用。
3.1 系统简介
安科瑞的Acrel-2000型电力监控系统软件借助了计算机、通信设备、计量保护装置等，为系统的实时数据采集、开关状态监测及远程控制提供了基础平台。该电力监控系统可以为企业提供“监控一体化”的整体解决方案，主要包括实时历史数据库AcrSpace、工业自动化组态软件AcrControl、电力自动化软件AcrNetPower、“软”控制策略软件AcrStrategy、通信网关服务器AcrFieldComm、OPC产品、Web门户工具等。
3.2 系统结构
Acrel-2000电力监控系统是基于10kV及以下变配电系统的监测与管理，该系统由管理层（站控层）、通信层（中间层）、间隔层（现场监控层）三部分组成，见下图。