國(guó)能長(zhǎng)源電力股份有限公司 翁 曉

總線技術(shù)最先被應(yīng)用在國(guó)外的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，提升了該工業(yè)的網(wǎng)絡(luò)通訊效率。當(dāng)時(shí)在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用了PROFIBUS-PA 設(shè)備和多種可編程控制的智能儀表。在工作現(xiàn)場(chǎng)使用已有的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)。國(guó)外的電廠為了實(shí)現(xiàn)電力控制系統(tǒng)的數(shù)字化，在其中應(yīng)用了現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，后來隨著總線技術(shù)的不斷升級(jí)，這種現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)日益成熟，通過國(guó)內(nèi)專家不斷研究后，自主研發(fā)全新升級(jí)后的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，成為了我國(guó)工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的高新技術(shù)?，F(xiàn)階段現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)已經(jīng)逐漸走上正軌，在諸多領(lǐng)域中應(yīng)用?，F(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在成熟的工業(yè)技術(shù)中的應(yīng)用效果反而并不理想，尤其是電力等工藝復(fù)雜的行業(yè)中，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的發(fā)展還有很大的技術(shù)空間。越是復(fù)雜的生產(chǎn)設(shè)備與總線技術(shù)的兼容性越低，電力生產(chǎn)設(shè)備的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，與總線技術(shù)結(jié)合需要進(jìn)行技術(shù)的改進(jìn)和革新，隨著科學(xué)技術(shù)生產(chǎn)力的不斷發(fā)展現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)能適應(yīng)各種復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境。

在設(shè)計(jì)DCS 控制系統(tǒng)的時(shí)候完全可以使用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，某電廠在進(jìn)行廢水處理的過程當(dāng)中就采用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的DCS 控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)輔助生產(chǎn)和控制，在系統(tǒng)中使用現(xiàn)場(chǎng)總線，并將現(xiàn)場(chǎng)總線與相關(guān)控制軟件相連接，搭建完備的現(xiàn)代化控制體系協(xié)助完成該進(jìn)行的工作，該控制系統(tǒng)的裝備完全、功能先進(jìn)，對(duì)提升生產(chǎn)效率十分必要。

隨著體制改革的深化，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)不斷的升級(jí)，各種先進(jìn)技術(shù)會(huì)應(yīng)用在不同的生產(chǎn)領(lǐng)域當(dāng)中。現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)DCS 控制系統(tǒng)是典型的新時(shí)代新技術(shù)，該技術(shù)建立在智能電網(wǎng)和數(shù)字自動(dòng)化的基礎(chǔ)之上，在我國(guó)的各項(xiàng)領(lǐng)域中充分的發(fā)揮這提高生產(chǎn)力的作用。大型工廠依靠現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備控制，并在控制的過程中實(shí)現(xiàn)控制分散。建立系統(tǒng)的主站并建立完整的系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)組主輔控車間和現(xiàn)場(chǎng)總線的連接，DCS 與現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)控設(shè)備實(shí)現(xiàn)了互通，與設(shè)備的故障診斷實(shí)現(xiàn)了互聯(lián)。本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在工廠中無(wú)論是控制方式還是系統(tǒng)的可靠性都滿足了工業(yè)生產(chǎn)要求。

1 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的DCS 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

在需要安裝系統(tǒng)的區(qū)域分割成6個(gè)小型區(qū)域，每個(gè)區(qū)域安裝DCS 控制系統(tǒng)的控制器。在進(jìn)行控制器的選擇時(shí)，選擇了Rockwell 公司的內(nèi)核處理器。型號(hào)為L(zhǎng)61-1433。為了滿足處理器的各處理單元在不同地區(qū)進(jìn)行分工，處理器的內(nèi)存必需在2.47M以上。采用1/O 處理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字控制量的改變，控制系統(tǒng)的控制器上共有5個(gè)指示燈代表控制器不同的狀態(tài)，分別為RS2、RUN、OK、IO 和BAT。指示燈為L(zhǎng)ED 材質(zhì)的指示燈，哪個(gè)指示燈亮起就代表現(xiàn)在控制器處于哪種狀態(tài)。為了加強(qiáng)控制器運(yùn)行中的穩(wěn)定性，為控制器配備了相應(yīng)的隨機(jī)存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)器用蓄電池作為動(dòng)力電源，將系統(tǒng)中的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行儲(chǔ)存，為保證數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的長(zhǎng)久性和可靠性，電源不能采用單一續(xù)航的方式進(jìn)行充電，一般還需要額外準(zhǔn)備可替換的電池，隨時(shí)更換沒電或損壞的電池。并及時(shí)將損壞的電池進(jìn)行維修和更換，控制器中的處理器是獨(dú)立存在的，但其中硬件模擬器發(fā)生損壞的時(shí)候，也并不會(huì)因?yàn)楣收鲜箍刂破魍Ｖ构ぷ??？偩€系統(tǒng)對(duì)信號(hào)的要求較高，操作員站的信號(hào)接收效果不佳的時(shí)候，控制偏差也不會(huì)影響處理器正常工作，模擬器產(chǎn)生的參數(shù)都由儲(chǔ)存器進(jìn)行記錄。出現(xiàn)斷電或者電源故障，系統(tǒng)不會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失的現(xiàn)象，并在恢復(fù)供電之后會(huì)自動(dòng)開啟工作模式，不需要人為重啟自動(dòng)恢復(fù)正常的工作狀態(tài)?，F(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)也讓控制器具備在線修改組態(tài)的功能，程序出現(xiàn)問題的時(shí)候可以在線修改，無(wú)需暫停程序或重啟程序，十分節(jié)省時(shí)間。

1.1 基于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)特征進(jìn)行儀表選型

基于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)特征對(duì)硬件中的溫度儀表進(jìn)行選型，溫度儀表采用直讀式刻度版本的儀表，儀表的外側(cè)采用保護(hù)套管進(jìn)行保護(hù)，這樣溫度指示儀表可以外帶，不會(huì)在運(yùn)輸途中或外界的復(fù)雜環(huán)境中被損壞。儀表盤采用直徑為150mm 的雙金屬溫度計(jì)表殼，三線制Pt100適用于安裝在儀表上，實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量遠(yuǎn)傳效果。儀表中的電阻選擇鉑熱電阻。溫度元件的制作材料比較脆弱，因此都應(yīng)配備相應(yīng)型號(hào)的保護(hù)套管，一般情況下，公稱壓力應(yīng)采用螺紋與管道連接的方式進(jìn)行連接。

接頭壓力表的測(cè)量精度不可低于2級(jí)，因此宜選用表殼直徑為150mm 的儀表外殼。接頭壓力表的壓力控制在5kPa 以上，為了保證壓力檢測(cè)的精準(zhǔn)性，選擇彈簧管壓力表進(jìn)行壓力的檢測(cè)。由于系統(tǒng)硬件儀表測(cè)量物品的特殊性選用膜盒壓力表對(duì)細(xì)小的零件進(jìn)行測(cè)量，安裝在可以感應(yīng)到震動(dòng)的部位。

2 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的DCS 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

DCS 控制系統(tǒng)可以在Windows 2020上進(jìn)行操作采用Windows95/98操作系統(tǒng)，并與該計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行兼容。將數(shù)據(jù)工廠中的數(shù)據(jù)在以太網(wǎng)上進(jìn)行分析，并在顯示器上進(jìn)行顯示。軟件之間通過各種通訊接口進(jìn)行連接，在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)應(yīng)用軟件組合運(yùn)行可實(shí)現(xiàn)多個(gè)通訊設(shè)備同時(shí)進(jìn)行工作，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多個(gè)計(jì)算機(jī)共享熱點(diǎn)，再告訴以太網(wǎng)中采用OPC 或DDE 熱連接的方式連接SIMATIC 與NET并進(jìn)行交換，將整個(gè)通訊網(wǎng)絡(luò)分割成不同的模塊，不同的模塊采取不同的通選方式，在子網(wǎng)中建立可以獨(dú)立完成數(shù)據(jù)通訊工作的網(wǎng)段，儀表的數(shù)據(jù)傳輸有可以采用新的獨(dú)立通訊網(wǎng)段。不同的網(wǎng)段走不同的網(wǎng)絡(luò)路徑，提高通訊效率。傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在系統(tǒng)中都會(huì)因?yàn)閭鬏敂?shù)據(jù)過多產(chǎn)生以太網(wǎng)擁塞現(xiàn)場(chǎng)，經(jīng)過本系統(tǒng)的全雙工并行通訊技術(shù)，可以提升實(shí)際通訊速度，速度提升50%左右，不會(huì)產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)擁塞的現(xiàn)象。交換技術(shù)與現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)相結(jié)合可以發(fā)揮通訊技術(shù)全部必要的傳輸功能，DCS 系統(tǒng)選用工業(yè)以太網(wǎng)作為控制站和儀表之間的系統(tǒng)總線，解決系統(tǒng)的通信速率慢的問題。

3 系統(tǒng)測(cè)試

通過對(duì)本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行功能和性能的測(cè)試，來判斷本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)能否滿足實(shí)際系統(tǒng)控制的需求。功能測(cè)試主要是驗(yàn)證DCS 系統(tǒng)在正常的環(huán)境下系統(tǒng)的各項(xiàng)功能是否能實(shí)現(xiàn)。性能測(cè)試主要測(cè)試系統(tǒng)在正常情況下事件處理能力及系統(tǒng)穩(wěn)定性等問題，系統(tǒng)的軟件測(cè)試采用自動(dòng)測(cè)試工具進(jìn)行測(cè)試，驗(yàn)證的DCS 控制系統(tǒng)的軟件是否能實(shí)現(xiàn)規(guī)劃中的功能。系統(tǒng)測(cè)試需要在固定的測(cè)試環(huán)境中進(jìn)行。

3.1 搭建測(cè)試環(huán)境

系統(tǒng)測(cè)試需要在固定的測(cè)試環(huán)境中進(jìn)行，分為外部測(cè)試環(huán)境和內(nèi)部測(cè)試環(huán)境，測(cè)試環(huán)境的參數(shù)如表1所示：

表1 測(cè)試環(huán)境參數(shù)

基于以上的系統(tǒng)測(cè)試環(huán)境對(duì)系統(tǒng)的功能進(jìn)行測(cè)試，設(shè)計(jì)系統(tǒng)功能測(cè)試的方法，測(cè)試在系統(tǒng)使用的過程中軟件能否在指定的條件下實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的功能。表1中的自研軟件TD-Base 可以滿足軟件測(cè)試的要求。

3.2 用例測(cè)試

進(jìn)行系統(tǒng)的用例測(cè)試，用例的選擇和測(cè)試的方法均在表2中體現(xiàn)。

如表2所示，對(duì)軟件進(jìn)行了5項(xiàng)用例測(cè)試，分別為系統(tǒng)運(yùn)行、編輯變量、測(cè)試選項(xiàng)菜單、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存和模板處理五種用例，并且都通過了測(cè)試。

表2 系統(tǒng)用例測(cè)試

3.3 性能測(cè)試

系統(tǒng)的硬件進(jìn)行插入模件的測(cè)試，觀察指示燈的狀態(tài)變化，在設(shè)備報(bào)警之后，系統(tǒng)都能馬上恢復(fù)工作狀態(tài)。在系統(tǒng)運(yùn)行的情況下，插上模塊在2s 之內(nèi)系統(tǒng)恢復(fù)正常狀態(tài)。在設(shè)備發(fā)生故障的時(shí)候，保護(hù)開關(guān)處于OFF 狀態(tài)，為保護(hù)設(shè)備直接處于斷電狀態(tài)。在設(shè)備恢復(fù)正常的時(shí)候連通電源。保證整個(gè)系統(tǒng)的安全性。在顯示端口顯示系統(tǒng)的控制誤差，誤差的計(jì)算公式為：

誤差計(jì)算公式中，Z 測(cè)量值，X 為標(biāo)準(zhǔn)值。X1、X2為系統(tǒng)控制的上限和下限。性能測(cè)試的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1 測(cè)試結(jié)果

測(cè)試結(jié)果如圖1所示，隨著信號(hào)源的量程值不斷的上升，系統(tǒng)的控制誤差在不斷的下降，在信號(hào)源的量程值達(dá)到100%的時(shí)候，該系統(tǒng)的誤差都達(dá)到2以下。

4 結(jié)語(yǔ)

本文首先針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的特征和系統(tǒng)的控制要求進(jìn)行了分析，針對(duì)需求進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)?；诒豢刂茖?duì)象的復(fù)雜性和工業(yè)生產(chǎn)對(duì)速率的要求，將現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)和DCS 集散控制技術(shù)結(jié)合起來。本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)充分應(yīng)用了裝置控制技術(shù)，將國(guó)內(nèi)原本不熟悉的技術(shù)進(jìn)行了推廣，詳細(xì)論述了系統(tǒng)的構(gòu)成和DCS 控制的原理，實(shí)現(xiàn)了DCS 硬件的配置和軟件的完美結(jié)合，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)的將控制誤差降到了最低保障DCS 系統(tǒng)的可靠性。