现场总线电动执行机构在火电厂的应用

　　摘要：现场总线技术日新月异，它的应用范围也正在扩大，本文对现场总线电动执行机构的情况进行了简要概述，介绍了PROFIBUS现场总线电动执行机构的现场应用情况，并总结了应用过程中的一些优点、经验和方法。
　　
　　一、概述
　　
　　电动执行机构是过程控制系统中一个重要的现场驱动装置，具有行程控制、转矩保护、手电动切换和手动操作、远方及就地控制等功能，可以将上位控制设备和系统（调节器、PLC或DCS）给出的电量指令信号转化为相应的位移，驱动zui终控制部分（如阀门、挡板等）至系统所要求的位置，以调节和控制流量、温度、压力等过程参数，实现系统的过程控制。目前国内火电厂的控制系统中，电动执行机构通常采用模拟量或脉冲量控制方式，系统与电动执行机构之间采用点对点连接形式。
　　
　　二、现场总线的基本情况
　　
　　现场总线是应用于生产现场，在微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统，也被称为开放式、数字化多点通信的底层控制网络，它把单个分散的测量控制设备变成网络节点，以现场总线为纽带，把它们连接成可以相互沟通信息、共同完成自控任务的网络与控制系统，是当今自动化领域技术发展的热点之一。
　　
　　由于电子技术的发展和计算机技术的广泛应用，集散控制系统（DCS）、可编程控制器（PLC）及各类仪表的功能越来越强，性能及可靠性得到了很大提高，现场总线技术在过程控制工业中的应用越来越多，并先在各类变送器上得到应用，随着电动执行机构智能化程度的不断提高，现场总线技术在电动执行机构中也得到应用，即通过现场总线实现对电动执行机构的远方控制，并将电动执行机构的状态数字信号上传至上位设备，参与系统运行及在CRT上显示，甚至可以在远方对电动执行机构进行部分参数的组态以及故障诊断。当今上不少电动执行机构制造公司已开始销售具有总线通道的电动执行机构产品，如ROTORK、AUMA、LIMITORQUE、SIEMENS等，其中应用较多的有PROFIBUS、INTERBUS、FF、MODEBUS、HART等协议的现场总线。
　　
　　三、现场总线电动执行机构在火电厂的应用实例
　　
　　1．现场总线电动执行机构简介
　　
　　扬州电力设备修造厂于1993年引进西门子电动执行机构专有技术，其中的2SA3智能型电动执行机构产品含有PROFIBUS现场总线的通信接口，能够实现现场总线控制功能，其外形见图1，该产品的主要功能如下：
　　
　　（1）能够进行远方／就地控制；
　　
　　（2）可输入模拟量和开关量进行控制；
　　
　　（3）现场查询、组态及诊断；
　　
　　（4）死区（响应阈值）自适应；
　　
　　（5）可调节的电机电子制动；
　　
　　（6）具有PROFIBUS—DP现场总线接口。

　　
　　电动执行机构的本体与智能控制部分可以拆分，必要时可分体安装。智能控制部分采用CPU，现场总线通信部分采用的通信板，整机的工作原理见图2。

　　
　　2．应用工况
　　
　　为了能够掌握电动执行机构在PROFIBUS-DP现场总线中的应用技术，并提供能满足现场总线技术要求的国产电动执行机构产品，推动这项技术在国内的进一步发展，1999年我们与清华大学自动化系合作，在消化吸收引进技术及完成现场总线通信接口板的制作和实验室应用的基础上，对带有PROHBUS-DP总线接口的2SB35智能型电动执行机构产品进行了现场应用工作。在江苏新海发电厂的大力支持下，扬州电力设备修造厂生产的智能型电动执行机构于2001年12月已投入新海发电厂的化学水处理车间的控制系统，参与系统的正式运行，目前运行情况良好，其安装位置见图3。

　　
　　安装位置在厂房内，周围环境较好。该电动调节阀的作用是调节主厂房来蒸汽进入加热器的流量，使其出口温度保持在25℃左右，让反渗透水处理部分中的反渗透膜处于一个合适的工作温度下。
　　
　　3．系统及硬件组成
　　
　　该电动执行机构的PROFIBUS-DP现场总线，其物理接口为RS485串口，通信介质为双绞线或光缆，由于从现场至控制室的距离不超过100m，距离较短，故用双绞线。根据现场的情况，系统配置采用图4的方式，也可以采用电动执行机构与变送器共挂一条双绞线的配置方式。

　　
　　整个控制系统中，采用西门子的S7-300PLC工作为主站，操作站采用工控机，操作站与主站间通过MPI相连接，可以对PLC进行编程及程序的修改；带总线接口的2SA35智能型电动执行机构作为从站，通过RS485串口与S7-300PLC相联；为提高系统的可靠性，操作站及主站均为冗余方式。
　　
　　电动执行机构现场总线采用冗余方式，其接线方式见图5。

　　
　　4．软件情况
　　
　　操作站所用操作界面（包括整个控制系统界面和电动执行机构操作、参数设置界面）在WINDOWSNT下的FIX3．2控制程序中编写并运行。电动执行机构的控制功能块在FIX3.2下的西门子SIMATICSTEP7中编写，同时在控制系统的操作程序中嵌入了电动执行机构的数据转换程序。所采用的PROFIBUS-DP总线，其数据链路层的服务形式为SRD（发送和请求回答的数据）和SDN（发送数据不需应答），在工作时电动执行机构将含有阀位信号、状态信号、组态参数的数据帧通过总线传至S7-300PLC主站，并传至操作站，供运行人员查询用，在操作站界面上可检查电动执行机构的工作状态，是否有故障，必要时输入密码进入修改和设置界面，含有指令信号及修改后参数的数据帧由S7-300PLC主站通过总线传至电动执行机构。整个系统的通信速率设定范围为19.5K~12Mbps，经几次调整，设定在187.5Kbps，系统运行正常。
　　
　　5．电动执行机构组态
　　
　　2SA3智能型电动执行机构的详细组态按说明书中的要求进行，相关的参数设置包括电动执行机构地址、运行方式、传输速率设置等，正确的组态设置将保证总线通信的顺利运行，需要注意的组态参数有：8C=1（"8C"表示电动执行机构采用何种方式进行远方控制，"1"代表电动执行机构通过PROFIBUS-DP远方控制），8A=8C（"8A"代表从站为什么地址，"8C"为该从站在该系统的实际地址），76=0，77=0（"76"、"77"值的不同组合表示不同的通信速率，"0"、"0"表示总线通信传输速率为187.5Kbps）。
　　
　　四、现场总线的优点
　　
　　对电动执行机构而言，采用了PROFIBUS现场总线技术以后有以下优点：
　　
　　1．节省硬件费用，便于安装调试
　　
　　在保证基本控制功能的前提下，每台电动执行机构至少需要有7~8条控制线，若要具备其他功能，并提供状态及故障信号，则需要更多的控制线，而采用总线通信方式，则在冗余情况下，仅需4根通信线，且无需转换和隔离模块，不仅减少了硬件和电缆数量、降低了费用，而且大大便利了现场的安装接线。
　　
　　2．降低日常维护工作量
　　
　　由于电动执行机构的组态、诊断功能等能够上移，与上位控制设备是双向数字通信方式，在操作站即可对运行中的电动执行机构进行检查，不必每次均至现场检查，提高了工作效率，降低了日常维护的工作量。
　　
　　3．提高准确性及可靠性
　　
　　由于现场总线电动执行机构智能化、数字化，与模拟信号相比，从根本上提高了测量与控制精度，减少了传输误差；此外连线简化，减少了信号的往返传输，提高了可靠性。
　　
　　五、应用现场总线应注意的事项
　　
　　尽管现场总线有着上述优点，但根据我们所掌握的情况及现场应用经验，现场总线电动执行机构在应用中还存在着以下一些需要注意的事项：
　　
　　1．通信速率选择
　　
　　在我们进行程序及设备调试时，出现过PLC死机或不工作的情况，后经分析发现，由于电动执行机构的部分功能可以在操作站上实现，占用PLC的I/O的资源较多，对其通信速率有一定的影响，后将速率进行适当调整，并对程序运行速度也进行了相应的调整，因此在选择通信速率时要与整个系统速率同步，所选择的速率也并非是越快越好，而应根据系统的具体情况选择合适的速率，保证系统的快速响应，防止速率过高造成通信阻塞；此外还要考虑与程序运行的速度相匹配，必要时可对程序运行速度进行调整。为了不浪费主站的资源，对于电动执行机构在操作站上的功能可以根据需要来选择，不一定要把所有功能均置于操作站上，应尽量少占用主站I/0有限的资源，保证其通信速率。
　　
　　2．终端电阻的配置
　　
　　终端电阻配置不当会影响系统通信，进行调试时，若发生通信故障时，除检查电缆连接和通信配置外，还要对总线两端的终端电阻进行检查，根据要求在PROFIBUS现场总线的两端均须配置低阻值的电阻，即其中一个主站作为一端，zui后一个从站作为另一端，按要求应各配一个电阻，这是一个容易忽略的问题。
　　
　　3．电动执行机构故障对系统的影响
　　
　　PROFIBUS现场总线中，主站按一定的地址顺序不断与从站进行数据交换，对从站进行检查，并发送指令信号，若其中有一个地址的现场设备从站掉电，该从站不再向主站发送数据帧，就可能会造成主站的程序无法运行，出现“死机”现象，因此必须保证现场电动执行机构的供电安全，运行期间不能断电，同时还应注意控制程序中的组态，在断电时跳过该从站，避免出现“死机”情况，并提示报警，以便设备检修人员立即进行现场检查并检修。
　　
　　六、结束语
　　
　　现场总线是一项新技术，近年来它的发展很快，出现过的种类较多，这给推广应用带来诸多困难，但其中相对应用较多的有十几种，而且目前的IEC61158也已将包括PROFIBUS在内的八种现场总线纳入到同一个标准中，并且这项技术还在发展，在各个行业领域正逐渐得到越来越多的应用，这表明现场总线是一种发展趋势。现场总线也是一个系统，它的应用离不开智能化的现场设备，因此智能型现场总线电动执行机构也是将来发展的一个方向。