现场总线的发展及在循环流化床锅炉控制系统中的应用

1 循环流化床锅炉（CFB）控制系统的特点
　　
循环流化床锅炉（CFB）燃烧技术是一项近20年来发展起来的燃煤技术。它具有燃料适应性广、燃烧效率高、氮氧化物排放低、负荷调节比大和负荷调节快等突出优点。我国家产业政策大力支持发展该技术及其产品。循环流化床燃烧技术出现以来，循环流化床锅炉已在世界范围内得到广泛的应用，大容量的循环流化床电站锅炉已被发电行业所接受。世界上最大容量的250MW循环流化床锅炉已在1997年投运，多台200～250MW大容量循环流化床锅炉也已投产。我国集中于中型CFB的研制与开发，目前已完全商业化。目前，我国已投运及订货的35t／h以下的循环流化床锅炉共计约2000余台，已开始走向电力市场，并且开始大型CFB的研制工作。
　　
循环流化床锅炉（CFB）控制系统既包含典型的热工过程控制（如锅炉汽包水位控制，蒸汽温度控制等），也包含程序控制（连锁保护系统）。现场设备既有温度、压力、流量、液位变送器和调节阀等热工仪表，也有调速电机、氧化锆等分析仪表和机械量测控设备。工作环境比较恶劣，主要是温度、粉尘、振动和电磁干扰，需要设备有较强的环境承受能力。
　　
从运行的角度而言，锅炉设备是7＊24小时运行，对控制设备的可靠性要求很高。循环流化床锅炉有其特殊性，对配风，炉膛温度等参数的控制有严格的要求。从经济角度而言，设备的经济高效运行，需要高档次的自控系统保证。但是，市场竞争又使企业利润趋于微薄，特别是中、小型企业不得不降低自动化设备的档次，其自动化水平往往还停留在基本的检测和必要的单机控制。

2 现场总线的特点和优点

2．1现场总线的产生
　　
纵观控制系统的发展史，不难发现，每一代新的控制系统的推出都是针对老一代控制系统存在的缺陷而给出的解决方案，最终在用户需求和市场竞争两大外因的推动下占领市场的主导地位，现场总线和现场总线控制系统的产生也不例外。

2.1.1模拟仪表控制系统
　　
模拟仪表控制系统于六七十年代占主导地位。其显著缺点是：模拟信号精度低，易受干扰。

2.1.2集中式数字控制系统。
　　
集中式数字控制系统于七八十年代占主导地位。采用单片机、PLC、SLC或微机作为控制器，控制器内部传输的是数字信号，因此克服了模拟仪表控制系统中模拟信号精度低的缺陷，提高了系统的抗干扰能力。
   　　 
集中式数字自动化信囊AUTOMATIONINFORMATION控制系统的优点是易于根据全局情况进行控制计算和判断，在控制方式、控制机时的选择上可以统一调度和安排；不足的是对控制器本身要求很高，必须具有足够的处理能力和极高的可靠性，当系统任务增加时，控制器的效率和可靠性将急剧下降。

2．1．3集散控制系统（DCS）
　　
集散控制系统（DCS）于八、九十年代占主导地位。其核心思想是集中管理、分散控制，即管理与控制相分离，上位机用于集中监视管理功能，若干台下位机下放分散到现场实现分布式控制，各上下位机之间用控制网络互连以实现相互之间的信息传递。因此，这种分布式的控制系统体系结构有力地克服了集中式数字控制系统中对控制器处理能力和可靠性要求高的缺陷。
   　　 
在集散控制系统中，分布式控制思想的实现正是得益于网络技术的发展和应用，遗憾的是，不同的DCS厂家为达到垄断经营的目的而对其控制通讯网络采用各自专用的封闭形式，不同厂家的DCS系统之间，以及DCS与上层Intranet、Intenet信息网络之间难以实现网络互连和信息共享，因此集散系统从该角度而言实质是一种封闭专用的、不具可互操作性的分布式控制系统，且DCS造价昂贵。在这种情况下，用户对网络控制系统提出了开放化和降低成本的迫切要求。

2．1．4现场总线控制系统（FCS）
　　
FCS正是顺应以上潮流而诞生，它用现场总线这一开放的具有可互操作的网络将现场各控制器及仪表设备互连，构成现场总线控制系统，同时控制功能彻底下放到现场，降低了安装成本和维护费用。因此，FCS实质是一种开放的、具可互操作性的、彻底分散的分布式控制系统，有望成为21世纪控制系统的主流产品。

2．2现场总线及现场总线控制系统

2．2．1现场总线的概念
　　
现场总线是将自动化最底层的现场控制器和现场智能仪表设备互连的实时控制通讯网络，遵循ISO的OSI开放系统互连参考模型的全部或部分通讯协议。FCS则是用开放的现场总线控制通讯网络将自动化最底层的现场控制器和现场智能仪表设备互连的实时网络控制系统。

2.2．2现场总线与局域网的区别
　　
（1）按功能比较，现场总线连接自动化最底层的现场控制器和现场智能仪表设备，网线上传输的是小批量数据信息，如检测信息、状态信息、控制信息等，传输速率低，但实时性高。简向言之，现场总线是一种实时控制网络。局域网用于连接局域区域的各台计算机，网线上传输的是大批量的数字信息，如文本、声音、图像等，传输速率高，但不要求实时性。从这个意义而言，局域网是一种高速信息网络。
　　
（2）按实现方式比较，现场总线可采用各种通讯介质，现场总线的发展及在循环流化床锅炉控制系统中的应用如双绞线、电力线、光纤、无线、红外线等，实现成本低。局域网需要专用电缆，如同轴电缆、光纤等，实现成本高。

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2．3现场总线控制系统体系结构。
　　
最底层的Intranet控制网即FCS，各控制器节点下放分散到现场，构成一种彻底的分布式控制体系结构，网络拓扑结构任意，可为总线形、星形、环形等，通讯介质不受限制，可用双绞线、电力线、无线、红外线等各种形式。FCS形成的Intranct控制网很容易与Intranet企业内部网和Internet全球信息网互连，构成一个完整的企业网络三级体系结构。

2．4现场总线控制系统的特点

2．4．1开放性和可互操作性。
　　
开放性意味FCS将打破DCS大型厂家的垄断，给中小企业发展带来了平等竞争的机遇。可互操作性实现控制产品的“即插即用”功能，从而使用户对不同厂家工控产品有更多的选择余地。

2．4．2彻底的分散性
　　
彻底的分散性意味着系统具有较高的可靠性和灵活性，系统很容易进行重组和扩建，且易于维护。

2.5低成本
　　
衡量一套控制系统的总体成本，不仅考虑其造价，而且应该考察系统从安装调试到运行维护整个生命周期内总投入。相对DCS而言，FCS开放的体系结构和OEM技术将大大缩短开发周期，降低开发成本，且彻底分散的分布式结构，将l对l模拟信号传输方式变为l对N的数字信号传输方式，节省了模拟信号传输过程中大量的A／D、D／A转换装置、布线安装成本和维护费用。因此从总体上来看，FCS的成本大大低于DCS的成本。

3 现场总线的发展现状
　　
现场总线发展迅速，现处于群雄并起、百家争鸣的阶段。目前己开发出有40多种现场总线，如Interbus、Bitbus、DeviceNet、MODbus、Arcnet、P―Net、FIP、ISP等，其中最具影响力的有5种，分别是FF、Profibus、HART、CAN和Lon―Works。
　　
1．FF（FoundationFieldBus现场基金会总线）由美国仪器协会（ISA）1994推出，代表公司有Honeywell和Fish―er―Rosemount，主要应用于石油化工、连续工业过程控制中的仪表。FF的特色是其通讯协议在ISO的OSI物理层、数据链路层和应用层3层之上附加了用户层，通过对象字典OD（objectDictionary）和设备描述语言DDL（DevieeDescriptionLanguage）实现可互操作性。目前基于FF的现场总线产品有，美国Smar公司生产的压力温度变送器，Honeywell&R～kwell推出的Pr～essLogix系统．Fish―er―Rosemount推出的PlantWeb。
　　
2．Profibus（ProcessFieldBus）德国西门子公司1987年推出，主要应用于PLC。产品有三类：FMS用于主站之间的通讯；DP用于制造行业从站之间的通讯；PA用于过程行业从站之间的通讯。由于Profibus开发生产的现场总线产品开发时间早至十年前，限于当时计算机网络水平，大多建立在IT网络标准基础上，随着应用领域不断扩大和用户要求越来越高，现场总线的产品只能在原有IT协议框架上进行局部的修改和补充，以致在控制系统内增加了很多的转换单元（如各种耦合器），这为该产品今后的进一步发展带来了一定的局限性。
　　
3．HARTf：HighwayAddressableRemoteTransducer可寻址远程传感器数据通路）美国Rosemount公司1989年推出，主要应用于智能变送器。与ART为一过渡性标准，它通过在4―20mA电源信号线上叠加不同频率的正弦波（2200HZ表…0’，1200HZ表“l”）来传送数字信号，从而保证了数字系统和传统模拟系统的兼容性，预计其生命周期为最近20年。
     
4．CAN（ControllerAreaNetwork控制局域网络）德国Bosch6公司1993年推出，应用于汽车监控、开关量控制、制造业等。介质访问方式为非破坏性位仲裁方式，适用于实时性要求很高的小型网络，且开发工具廉价。Motorola、Intel、Philips均生产独立的CAN芯片和带有CAN接口的80C51芯片。CAN型总线产品有AB公司的DeviceNet、台湾研华的ADAM数据采集产品等。
　　
5.LonWorks（LOnLocalOperatingSystem局部操作系统）美国Echelon公司1991年推出，主要应用于楼宇自动化、工业自动化和电力行业等。LonTalk的全部7层协议，介质访问方式为P―PCSMA（预测P一坚持载波监听多路复用），采用网络逻辑地址寻址方式，优先权机制保证了通讯的实时性，安全机制采用证实方式，因此能构建大型网络控制系统。Echelon公司推出的Neuron神经元芯片实质为网络型微控制器，该芯片强大的网络通讯处理功能配以面向对象的网络通讯方式，大大降低了开发人员在构造应用网络通讯方面所需花费的时间和费用，而可将精力集中在所擅长的应用层进行控制策略的编制，因此业内许多专家认为LonWorks总线是一种很有希望的现场总线。基于LonWorks的总线产品有美国Action公司的Flexnet&Flexlink等435T／h一400”循环流化床锅炉现场总线控制系统

4 概述

4．1．135t／h的循环流化床锅炉控制系统功能

?采集锅炉的运行参数，如汽压、风压、炉温等，并显示：

?进行手动控制，完成启、停炉等工作；

现场总线的发展及在循环流化床锅炉控制系统中的应用

?在锅炉正常运行后，实现自动控制，保证锅炉稳定、高效地运行；

?具有锅炉联锁保护功能；

?存储1年的历史数据：

4.1．2总体设计思路
　　
硬件：配置了I台工程师站和操作站二合一fES／0S），l台专用操作站（Os），1台打印机，2台互为冗余的ABB公司AC8OOF控制器，3条PROFIBUS总线。如图1所示：
 

 

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PBI总线：配置1个远程$800I／O，运行速度12MB

PB2总线：连接26台DP仪表；

PB3总线：连接26台DP仪表；

3．2控制回路及测点

1．汽包水位控制回路。

2．主蒸汽温度控制回路。

3．主汽压力控制回路。

4．播煤风控制回路。

5．引风控制回路。

6．排渣调节控制回路。

7．返料风控制回路。

8．点火操作系统。

9．联锁保护系统。

测点如下：



系统特点：
　　
1．由于控制器wtOFOBUS总线模件支持DPV1标准，与纯DP标准模件相比增加了对仪表组态能力，我们无须安装每种仪表的专用组态软件，仅导人每个仪表的设备现场总线的发展及在循环流化床锅炉控制系统中的应用参数文件（GSD），就可实现在统一的系统编程软件下对所有PA标准仪表的参数进行编程组态，有效节省了软件成本，提高了工程组态的效率。
　　
2．开放的控制功能。ABBAC800F控制器采用tRISC处理芯片，程序采用多任务运行方式，每个任务都可设定运行周期和优先级，所以该控制器既可满足复杂调节回路控制要求，又可满足快速电气开关量控制，而一个控制器可以覆盖工厂所有环节的控制要求且系统编程语言符合IEC6ll3l一3标准。
　　
3．系统全局数据库技术。“分散存储，全局管理”的数据库核心技术。数据存储在控制器上，但在系统编程软件上仅为一个全局系统变量表，过程站之间的变量交叉引用无须编制数据交换程序，操作站与过程站之间的数据无须转换，直接存取，变量的修改与检查也是在全局进行。
　　
4．开放的以太网技术。ABBAC800F控制器系统通讯模件为标准的TCPdP协议模件，使系统无须增加设备就可与工厂管理局域网连接。
　　
本系统充分发挥POFIBUS总线的技术优势，使循环流化床锅炉的控制水平达到了一个新高度。

5 结束语
　　
现场总线技术目前理论研究已经成熟，现正由高参数、大系统向一般工程应用发展。应用在循环流化床锅炉控制系统上，可以大幅度提高设备的运行管理水平，从而提高经济效益。