基于现场总线技术的分布式电气控制系统应用

[摘 要]分布式电气控制系统相比一般的电气控制系统更为可靠、灵活、开放、便于维护,适合目前工业生产制造中的应用.本文针对应用有现场总线技术的电气控制系统的实际应用展开分析,并且总结了这种控制系统的特点和性能.

[关 键 词]现场总线；以太网通信；DCS；电气控制系统

一、引言

伴随计算机信息技术的发展,工业自动化控制系统也逐步走向数字化、网络化、智能化与现场化.现场总线技术是近年来快速发展起来的一种工业数据总线,它主要解决工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题.因为现场总线简单、可靠、经济实用,深受许多标准团体和计算机厂商的高度重视,因此也大量应用到了电气控制系统当中.在自动化控制系统技术领域,分布式控制系统（DCS）一直占主导地位,这种控制系统在国内自控行业又称之为集散控制系统,它是相对于集中式控制系统而言的一种新型计算机控制系统,是在集中式控制系统的基础上发展、演变而来的.分布式控制系统是一个由过程控制级与过程监控级组成的以通信网络为纽带的多级计算机系统,综合了计算机、通信、显示和控制等4C技术方法,其基本思想是分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活以及组态方便.

二、分布式电气控制系统的组成结构与特点

电气控制系统通常也叫做电气设备二次控制回路.在电气控制系统中,不同的设备具有不同的控制回路,而且高压电气设备与低压电气设备的控制方式也不相同.电气控制系统由电源供电回路、保护回路、信号回路、自动与手动回路、制动停车回路和自锁及闭锁同路等回路部分组成.（1）电源供电回路：电气控制系统供电回路的供电电源有AC380V、220V等多种.（2）保护回路：电气控制系统保护（辅助）回路的工作电源有单相220V、36V或直流220V、24V等多个种类,针对电气设备和线路运行中的短路、过载和失压等突发状况提供保护,保护（辅助）回路由熔断器、热继电器、失压线圈、整流组件和稳压组件等组件组成.（3）信号回路：它不仅能及时反映或显示设备和线路正常,还能反映设备非正常工作状态的信息,主要的反映信号有：不同颜色的信号灯和不同声响的音响设备等.（4）自动与手动回路：电气设备为了提高其工作效率,一般都设置有自动回路,但是在电气系统的安装、调试和一些紧急事故的处理过程中,控制线路中还需要设置手动回路,并且可以通过组合开关或转换开关等实现自动与手动方式的转换.（5）制动停车回路：这个控制回路的主要作用是用来切断电路的供电电源,并采取某些制动措施,使电动机迅速停车的控制环节,如能耗制动、电源反接制动,倒拉反接制动和再生发电制动等.（6）自锁与闭锁回路：当电气控制系统启动按钮松开后,线路保持通电状态,电气设备能继续工作的电气环节叫自锁环节,如接触器的动合触点串联在线圈电路中.两台或两台以上的电气装置和组件,为了保证设备运行的安全与可靠,只能一台通电启动,另一台不能通电启动的保护环节,叫闭锁环节.如两个接触器的动断触点分别串联在对方线圈电路中.

分布式控制系统（DCS）的组成构架是一个完整的系统网络,这个系统网络结构是DCS的基础与核心.系统网络结构对DCS整个系统的实时性、可靠性和扩充性,起着决定性的作用,它还必须满足实时性的工作要求,即在确定的时间限度内完成信息的传送.这个“确定”的时间限度,是指在无论何种情况下,信息传送都能在这个时间限度内完成,而这个时间限度则是根据被控制过程的实时性要求确定的.因此,衡量系统网络性能的指标并不是网络的速率,即通常所说的每秒比特数（bps）,而是系统网络的实时性,即能在多长的时间内确保所需信息的传输完成.系统网络还必须非常可靠,无论在任何情况下,网络通信都不能中断,因此多数厂家的DCS均采用双总线、环形或双重星形的网络拓扑结构.为了满足系统扩充性的要求,系统网络上可接入的最大节点数量应比实际使用的节点数量大若干倍.这样,一方面可以随时增加新的节点,另一方面也可以使系统网络运行于较轻的通信负荷状态,以确保系统的实时性和可靠性.在系统实际运行过程中,各个节点的上网和下网是随时可能发生的,特别是操作员站,这样,网络重构会经常进行,而这种操作绝对不能影响系统的正常运行,因此,系统网络应该具有很强在线网络重构功能.

分布式控制系统（DCS）具有以下特点：高可靠性和开放性.高可靠性是由于DCS将系统控制功能分散在各台计算机上实现,系统结构采用容错设计,因此某一台计算机出现的故障不会导致系统其他功能的丧失.此外,由于系统中各台计算机所承担的任务比较单一,可以针对需要实现的功能采用具有特定结构和软件的专用计算机,从而使系统中每台计算机的可靠性也得到提高.开放性是由于分布式控制系统（DCS）采用开放式,标准化、模块化和系列化设计,系统中各台计算机采用局域网方式通信,实现信息传输,当需要改变或扩充系统功能时,可将新增计算机方便地连入系统通信网络或从网络中卸下,几乎不影响系统其他计算机的工作.

三、分布式电气控制系统应用

随着微型计算机与网络技术的飞速发展,以及各个制造商之间的激烈竞争,推动了分布式控制系统迅速的从上世纪70年代的第一怎么发表展到90年代初的第三代.尽管在此之前的集散系统的技术已经具有相当高的水平,但是DCS还存在有一个最主要的缺陷：全球各大公司所推出的几十种型号的系统,几乎都是该公司的专利产品,它们各个公司为了保护自身的利益,往往采用的是专利网络,从而就为全厂、全企业的协同管理带来障碍.

伴随计算机技术的发展和互联网通信技术的开发,使各个电气控制系统生产厂商更多地采用商业计算机技术,上世纪80年代末许多公司推出新一代的集散系统,其主要特征是新系统的局部网络采用MAP协议；引用智能变送器与现场总线结构；在控制软件上引入PLC的顺序控制与批量控制,使DCS也具有PLC的功能.

上世纪90年代初期,全球知名的DCS系统产品有：3000,Bailey的INFI-90,Rosemount的RS-3,WestHoose的WDPF,Leeds&Nonthrup的MAX-1000,Foxboro的IÖ,AS,日本横河的CENTUM等产品.以上所提到电气控制系统均为大型的分布式电气控制系统（DCS）,为了适应市场的需要各电气控制系统厂商也开发了不少中小型的DCS系统,如：S-9000,MAX-2,LXL,A2PACS等成熟的产品.

四、总结

由于目前现场总线的国际标准是由8种不同的协议标准组成的,它们各自所采用的通信协议都不相容,所以也就导致了基于现场总线技术的分布式电气控制系统的推广和应用.但是随着现场总线标准的推广和广泛应用,未来制定一个统一的通信协议是能够实现的,因此也必将推动分布式电气控制系统的更广泛的应用.