摘要：分析循環(huán)流化床鍋爐自動控制系統(tǒng)的特點，闡述了現(xiàn)場總線的概念、體系結(jié)構(gòu)和特點，并結(jié)合實例說明了現(xiàn)場總線具體開發(fā)應(yīng)用方法。

關(guān)鍵詞：循環(huán)流化床鍋爐；現(xiàn)場總線；分布式結(jié)構(gòu)；通訊協(xié)議；Profibus工業(yè)以太網(wǎng)

1 循環(huán)流化床鍋爐（CFB）控制系統(tǒng)的特點

循環(huán)流化床鍋爐（CFB）燃燒技術(shù)是一項近20年來發(fā)展起來的燃煤技術(shù)。它具有燃料適應(yīng)性廣、燃燒效率高、氮氧化物排放低、負(fù)荷調(diào)節(jié)比大和負(fù)荷調(diào)節(jié)快等突出優(yōu)點。我國家產(chǎn)業(yè)政策大力支持發(fā)展該技術(shù)及其產(chǎn)品。循環(huán)流化床燃燒技術(shù)出現(xiàn)以來，循環(huán)流化床鍋爐已在世界范圍內(nèi)得到廣泛的應(yīng)用，大容量的循環(huán)流化床電站鍋爐已被發(fā)電行業(yè)所接受。世界上最大容量的250MW循環(huán)流化床鍋爐已在1997年投運，多臺200～250MW大容量循環(huán)流化床鍋爐也已投產(chǎn)。我國集中于中型CFB的研制與開發(fā)，目前已完全商業(yè)化。目前，我國已投運及訂貨的35t/h以下的循環(huán)流化床鍋爐共計約2000余臺，已開始走向電力市場，并且開始大型CFB的研制工作。

循環(huán)流化床鍋爐（CFB）控制系統(tǒng)既包含典型的熱工過程控制（如鍋爐汽包水位控制，蒸汽溫度控制等），也包含程序控制（連鎖保護(hù)系統(tǒng)）?，F(xiàn)場設(shè)備既有溫度、壓力、流量、液位變送器和調(diào)節(jié)閥等熱工儀表，也有調(diào)速電機、氧化鋯等分析儀表和機械量測控設(shè)備。工作環(huán)境比較惡劣，主要是溫度、粉塵、振動和電磁干擾，需要設(shè)備有較強的環(huán)境承受能力。

從運行的角度而言，鍋爐設(shè)備是7＊24小時運行，對控制設(shè)備的可靠性要求很高。循環(huán)流化床鍋爐有其特殊性，對配風(fēng)，爐膛溫度等參數(shù)的控制有嚴(yán)格的要求。從經(jīng)濟角度而言，設(shè)備的經(jīng)濟高效運行，需要高檔次的自控系統(tǒng)保證。但是，市場競爭又使企業(yè)利潤趨于微薄，特別是中、小型企業(yè)不得不降低自動化設(shè)備的檔次，其自動化水平往往還停留在基本的檢測和必要的單機控制。

2 現(xiàn)場總線的特點和優(yōu)點

2.1現(xiàn)場總線的產(chǎn)生

縱觀控制系統(tǒng)的發(fā)展史，不難發(fā)現(xiàn)，每一代新的控制系統(tǒng)的推出都是針對老一代控制系統(tǒng)存在的缺陷而給出的解決方案，最終在用戶需求和市場競爭兩大外因的推動下占領(lǐng)市場的主導(dǎo)地位，現(xiàn)場總線和現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的產(chǎn)生也不例外。

2.1.1模擬儀表控制系統(tǒng)

模擬儀表控制系統(tǒng)于六七十年代占主導(dǎo)地位。其顯著缺點是：模擬信號精度低，易受干擾。

2.1.2集中式數(shù)字控制系統(tǒng)。

集中式數(shù)字控制系統(tǒng)于七八十年代占主導(dǎo)地位。采用單片機、PLC、SLC或微機作為控制器，控制器內(nèi)部傳輸?shù)氖菙?shù)字信號，因此克服了模擬儀表控制系統(tǒng)中模擬信號精度低的缺陷，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。

集中式數(shù)字自動化信囊AUTOMATIONINFORMATION控制系統(tǒng)的優(yōu)點是易于根據(jù)全局情況進(jìn)行控制計算和判斷，在控制方式、控制機時的選擇上可以統(tǒng)一調(diào)度和安排；不足的是對控制器本身要求很高，必須具有足夠的處理能力和極高的可靠性，當(dāng)系統(tǒng)任務(wù)增加時，控制器的效率和可靠性將急劇下降。

2.1.3集散控制系統(tǒng)（DCS）

集散控制系統(tǒng)（DCS）于八、九十年代占主導(dǎo)地位。其核心思想是集中管理、分散控制，即管理與控制相分離，上位機用于集中監(jiān)視管理功能，若干臺下位機下放分散到現(xiàn)場實現(xiàn)分布式控制，各上下位機之間用控制網(wǎng)絡(luò)互連以實現(xiàn)相互之間的信息傳遞。因此，這種分布式的控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)有力地克服了集中式數(shù)字控制系統(tǒng)中對控制器處理能力和可靠性要求高的缺陷。

在集散控制系統(tǒng)中，分布式控制思想的實現(xiàn)正是得益于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，遺憾的是，不同的DCS廠家為達(dá)到壟斷經(jīng)營的目的而對其控制通訊網(wǎng)絡(luò)采用各自專用的封閉形式，不同廠家的DCS系統(tǒng)之間，以及DCS與上層Intranet、Intenet信息網(wǎng)絡(luò)之間難以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互連和信息共享，因此集散系統(tǒng)從該角度而言實質(zhì)是一種封閉專用的、不具可互操作性的分布式控制系統(tǒng)，且DCS造價昂貴。在這種情況下，用戶對網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)提出了開放化和降低成本的迫切要求。

2.1.4現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）

FCS正是順應(yīng)以上潮流而誕生，它用現(xiàn)場總線這一開放的具有可互操作的網(wǎng)絡(luò)將現(xiàn)場各控制器及儀表設(shè)備互連，構(gòu)成現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，同時控制功能徹底下放到現(xiàn)場，降低了安裝成本和維護(hù)費用。因此，F(xiàn)CS實質(zhì)是一種開放的、具可互操作性的、徹底分散的分布式控制系統(tǒng)，有望成為21世紀(jì)控制系統(tǒng)的主流產(chǎn)品。

2.2現(xiàn)場總線及現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)

2.2.1現(xiàn)場總線的概念

現(xiàn)場總線是將自動化最底層的現(xiàn)場控制器和現(xiàn)場智能儀表設(shè)備互連的實時控制通訊網(wǎng)絡(luò)，遵循ISO的OSI開放系統(tǒng)互連參考模型的全部或部分通訊協(xié)議。FCS則是用開放的現(xiàn)場總線控制通訊網(wǎng)絡(luò)將自動化最底層的現(xiàn)場控制器和現(xiàn)場智能儀表設(shè)備互連的實時網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。

2.2.2現(xiàn)場總線與局域網(wǎng)的區(qū)別

（1）按功能比較，現(xiàn)場總線連接自動化最底層的現(xiàn)場控制器和現(xiàn)場智能儀表設(shè)備，網(wǎng)線上傳輸?shù)氖切∨繑?shù)據(jù)信息，如檢測信息、狀態(tài)信息、控制信息等，傳輸速率低，但實時性高。簡向言之，現(xiàn)場總線是一種實時控制網(wǎng)絡(luò)。局域網(wǎng)用于連接局域區(qū)域的各臺計算機，網(wǎng)線上傳輸?shù)氖谴笈康臄?shù)字信息，如文本、聲音、圖像等，傳輸速率高，但不要求實時性。從這個意義而言，局域網(wǎng)是一種高速信息網(wǎng)絡(luò)。

（2）按實現(xiàn)方式比較，現(xiàn)場總線可采用各種通訊介質(zhì)，現(xiàn)場總線的發(fā)展及在循環(huán)流化床鍋爐控制系統(tǒng)中的應(yīng)用如雙絞線、電力線、光纖、無線、紅外線等，實現(xiàn)成本低。局域網(wǎng)需要專用電纜，如同軸電纜、光纖等，實現(xiàn)成本高。

2.3現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

最底層的Intranet控制網(wǎng)即FCS，各控制器節(jié)點下放分散到現(xiàn)場，構(gòu)成一種徹底的分布式控制體系結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)任意，可為總線形、星形、環(huán)形等，通訊介質(zhì)不受限制，可用雙絞線、電力線、無線、紅外線等各種形式。FCS形成的Intranct控制網(wǎng)很容易與Intranet企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)和Internet全球信息網(wǎng)互連，構(gòu)成一個完整的企業(yè)網(wǎng)絡(luò)三級體系結(jié)構(gòu)。

2.4現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的特點

2.4.1開放性和可互操作性。

開放性意味FCS將打破DCS大型廠家的壟斷，給中小企業(yè)發(fā)展帶來了平等競爭的機遇?？苫ゲ僮餍詫崿F(xiàn)控制產(chǎn)品的“即插即用”功能，從而使用戶對不同廠家工控產(chǎn)品有更多的選擇余地。

2.4.2徹底的分散性

徹底的分散性意味著系統(tǒng)具有較高的可靠性和靈活性，系統(tǒng)很容易進(jìn)行重組和擴建，且易于維護(hù)。

2.5低成本

衡量一套控制系統(tǒng)的總體成本，不僅考慮其造價，而且應(yīng)該考察系統(tǒng)從安裝調(diào)試到運行維護(hù)整個生命周期內(nèi)總投入。相對DCS而言，F(xiàn)CS開放的體系結(jié)構(gòu)和OEM技術(shù)將大大縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)成本，且徹底分散的分布式結(jié)構(gòu)，將l對l模擬信號傳輸方式變?yōu)閘對N的數(shù)字信號傳輸方式，節(jié)省了模擬信號傳輸過程中大量的A／D、D／A轉(zhuǎn)換裝置、布線安裝成本和維護(hù)費用。因此從總體上來看，F(xiàn)CS的成本大大低于DCS的成本。

3 現(xiàn)場總線的發(fā)展現(xiàn)狀

現(xiàn)場總線發(fā)展迅速，現(xiàn)處于群雄并起、百家爭鳴的階段。目前己開發(fā)出有40多種現(xiàn)場總線，如Interbus、Bitbus、DeviceNet、MODbus、Arcnet、P—Net、FIP、ISP等，其中最具影響力的有5種，分別是FF、Profibus、HART、CAN和Lon—Works。

（1）FF（FoundationFieldBus現(xiàn)場基金會總線）由美國儀器協(xié)會（ISA）1994推出，代表公司有Honeywell和Fish—er—Rosemount，主要應(yīng)用于石油化工、連續(xù)工業(yè)過程控制中的儀表。FF的特色是其通訊協(xié)議在ISO的OSI物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層3層之上附加了用戶層，通過對象字典OD（objectDictionary）和設(shè)備描述語言DDL（DevieeDescriptionLanguage）實現(xiàn)可互操作性。目前基于FF的現(xiàn)場總線產(chǎn)品有，美國Smar公司生產(chǎn)的壓力溫度變送器，Honeywell&R～kwell推出的Pr～essLogix系統(tǒng)．Fish—er—Rosemount推出的PlantWeb。

（2）Profibus（ProcessFieldBus）德國西門子公司1987年推出，主要應(yīng)用于PLC。產(chǎn)品有三類：FMS用于主站之間的通訊；DP用于制造行業(yè)從站之間的通訊；PA用于過程行業(yè)從站之間的通訊。由于Profibus開發(fā)生產(chǎn)的現(xiàn)場總線產(chǎn)品開發(fā)時間早至十年前，限于當(dāng)時計算機網(wǎng)絡(luò)水平，大多建立在IT網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上，隨著應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴大和用戶要求越來越高，現(xiàn)場總線的產(chǎn)品只能在原有IT協(xié)議框架上進(jìn)行局部的修改和補充，以致在控制系統(tǒng)內(nèi)增加了很多的轉(zhuǎn)換單元（如各種耦合器），這為該產(chǎn)品今后的進(jìn)一步發(fā)展帶來了一定的局限性。

（3）HARTf：HighwayAddressableRemoteTransducer可尋址遠(yuǎn)程傳感器數(shù)據(jù)通路）美國Rosemount公司1989年推出，主要應(yīng)用于智能變送器。與ART為一過渡性標(biāo)準(zhǔn)，它通過在4—20mA電源信號線上疊加不同頻率的正弦波（2200HZ表…0’，1200HZ表“l”）來傳送數(shù)字信號，從而保證了數(shù)字系統(tǒng)和傳統(tǒng)模擬系統(tǒng)的兼容性，預(yù)計其生命周期為最近20年。

（4）CAN（ControllerAreaNetwork控制局域網(wǎng)絡(luò)）德國Bosch6公司1993年推出，應(yīng)用于汽車監(jiān)控、開關(guān)量控制、制造業(yè)等。介質(zhì)訪問方式為非破壞性位仲裁方式，適用于實時性要求很高的小型網(wǎng)絡(luò)，且開發(fā)工具廉價。Motorola、Intel、Philips均生產(chǎn)獨立的CAN芯片和帶有CAN接口的80C51芯片。CAN型總線產(chǎn)品有AB公司的DeviceNet、臺灣研華的ADAM數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品等。

（5）LonWorks（LOnLocalOperatingSystem局部操作系統(tǒng)）美國Echelon公司1991年推出，主要應(yīng)用于樓宇自動化、工業(yè)自動化和電力行業(yè)等。LonTalk的全部7層協(xié)議，介質(zhì)訪問方式為P—PCSMA（預(yù)測P一堅持載波監(jiān)聽多路復(fù)用），采用網(wǎng)絡(luò)邏輯地址尋址方式，優(yōu)先權(quán)機制保證了通訊的實時性，安全機制采用證實方式，因此能構(gòu)建大型網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。Echelon公司推出的Neuron神經(jīng)元芯片實質(zhì)為網(wǎng)絡(luò)型微控制器，該芯片強大的網(wǎng)絡(luò)通訊處理功能配以面向?qū)ο蟮木W(wǎng)絡(luò)通訊方式，大大降低了開發(fā)人員在構(gòu)造應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)通訊方面所需花費的時間和費用，而可將精力集中在所擅長的應(yīng)用層進(jìn)行控制策略的編制，因此業(yè)內(nèi)許多專家認(rèn)為LonWorks總線是一種很有希望的現(xiàn)場總線。基于LonWorks的總線產(chǎn)品有美國Action公司的Flexnet&Flexlink等435T/h一400”循環(huán)流化床鍋爐現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)

4 概述

4.1.1 35t/h的循環(huán)流化床鍋爐控制系統(tǒng)功能

·采集鍋爐的運行參數(shù)，如汽壓、風(fēng)壓、爐溫等，并顯示：

·進(jìn)行手動控制，完成啟、停爐等工作；

現(xiàn)場總線的發(fā)展及在循環(huán)流化床鍋爐控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

·在鍋爐正常運行后，實現(xiàn)自動控制，保證鍋爐穩(wěn)定、高效地運行；

·具有鍋爐聯(lián)鎖保護(hù)功能；

·存儲1年的歷史數(shù)據(jù)：

4.1.2總體設(shè)計思路

硬件：配置了I臺工程師站和操作站二合一fES／0S），l臺專用操作站（Os），1臺打印機，2臺互為冗余的ABB公司AC8OOF控制器，3條PROFIBUS總線。如圖1所示：

PBI總線：配置1個遠(yuǎn)程$800I／O，運行速度12MB

PB2總線：連接26臺DP儀表；

PB3總線：連接26臺DP儀表；

4.1.3控制回路及測點

（1）汽包水位控制回路。

（2）主蒸汽溫度控制回路。

（3）主汽壓力控制回路。

（4）播煤風(fēng)控制回路。

（5）引風(fēng)控制回路。

（6）排渣調(diào)節(jié)控制回路。

（7）返料風(fēng)控制回路。

（8）點火操作系統(tǒng)。

（9）聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)。 測點如下：

系統(tǒng)特點：

（1）由于控制器wtOFOBUS總線模件支持DPV1標(biāo)準(zhǔn)，與純DP標(biāo)準(zhǔn)模件相比增加了對儀表組態(tài)能力，我們無須安裝每種儀表的專用組態(tài)軟件，僅導(dǎo)人每個儀表的設(shè)備現(xiàn)場總線的發(fā)展及在循環(huán)流化床鍋爐控制系統(tǒng)中的應(yīng)用參數(shù)文件（GSD），就可實現(xiàn)在統(tǒng)一的系統(tǒng)編程軟件下對所有PA標(biāo)準(zhǔn)儀表的參數(shù)進(jìn)行編程組態(tài)，有效節(jié)省了軟件成本，提高了工程組態(tài)的效率。

（2）開放的控制功能。ABBAC800F控制器采用tRISC處理芯片，程序采用多任務(wù)運行方式，每個任務(wù)都可設(shè)定運行周期和優(yōu)先級，所以該控制器既可滿足復(fù)雜調(diào)節(jié)回路控制要求，又可滿足快速電氣開關(guān)量控制，而一個控制器可以覆蓋工廠所有環(huán)節(jié)的控制要求且系統(tǒng)編程語言符合IEC6ll3l一3標(biāo)準(zhǔn)。

（3）系統(tǒng)全局?jǐn)?shù)據(jù)庫技術(shù)。“分散存儲，全局管理”的數(shù)據(jù)庫核心技術(shù)。數(shù)據(jù)存儲在控制器上，但在系統(tǒng)編程軟件上僅為一個全局系統(tǒng)變量表，過程站之間的變量交叉引用無須編制數(shù)據(jù)交換程序，操作站與過程站之間的數(shù)據(jù)無須轉(zhuǎn)換，直接存取，變量的修改與檢查也是在全局進(jìn)行。

（4）開放的以太網(wǎng)技術(shù)。ABBAC800F控制器系統(tǒng)通訊模件為標(biāo)準(zhǔn)的TCPdP協(xié)議模件，使系統(tǒng)無須增加設(shè)備就可與工廠管理局域網(wǎng)連接。

本系統(tǒng)充分發(fā)揮POFIBUS總線的技術(shù)優(yōu)勢，使循環(huán)流化床鍋爐的控制水平達(dá)到了一個新高度。

5 結(jié)束語

現(xiàn)場總線技術(shù)目前理論研究已經(jīng)成熟，現(xiàn)正由高參數(shù)、大系統(tǒng)向一般工程應(yīng)用發(fā)展。應(yīng)用在循環(huán)流化床鍋爐控制系統(tǒng)上，可以大幅度提高設(shè)備的運行管理水平，從而提高經(jīng)濟效益。

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編輯：陳東