基于現場總線的電動執行機構在火電廠的應用

摘要:電動執行機構是自動控制系統中重要的終端控制元件，它對火電廠自動控制系統的正常運行、調節品質的優劣具有重要影響。傳統的電動執行機構存在控制精度低、死區大、無網絡通訊功能等缺點，無法適應現代工業生產要求。首先介紹了現場總線技術的概況，闡述了電動執行機構使用現場總線技術的優勢，介紹了現場總線執行機構在實際應用中的一些注意事項，最后闡明了現場總線電動執行機構將成為該領域技術的必然發展趨勢。

關鍵詞:現場總線;通信協議;電動執行機構

中圖分類號:C93文獻標志碼:A文章編號:1673-291X(2010)12-0203-02

前言

近年來，隨著信息技術和自動化技術的發展，控制系統發生了新的變革，現場總線就是順應這一形勢發展起來的新技術 [1]。現場總線(Fieldbus)是近年來迅速發展起來的一種工業數據總線，它主要解決工業現場的智能化儀器儀表、控制器、執行機構等現場設備間的數字通信以及這些現場控制設備和高級控制系統之間的信息傳遞問題 [2～3]。由于現場總線簡單、可靠、經濟實用等一系列突出的優點，它已成為當前自動化技術的熱點之一，而現場總線電動執行機構則為現場總線的出現和應用奠定了基礎。

目前，基于現場總線的電動執行機構種類很多，現場總線類型中適合過程自動化的主要有三種即FF(基金會現場總線)、PROFIBUS和WORLDFIP。PROFIBUS由三個兼容部分組成，PROFIBUS-DP、PROFIBUS-PA、PROFIBUS-FMS。其中PROFIBUS-DP是一種高速低成本通信系統，用于設備級控制系統與分散式I/0的通信;PROFIBUS-PA專為過程自動化設計，可使變送器與執行機構、驅動裝置連接在一根總線上并提供本質安全和總線供電特性。PROFIBUS作為一種國際性的開放式現場總線，既可用于自動化系統與現場信號單元的通訊，也可用于連接帶有智能卡件的執行機構等現場設備;WorldFIP為世界工廠儀表協議(World Factory lnstrument Protoc01)，在儀表行業得到了廣泛的應用?；饡F場總線FF總線是以FISHER-ROSEMOUNT公司為首聯合80家公司制定的ISP協議和以HONEYWELL公司為首聯合歐洲150家公司制定的WORLDFIP協議。

總線系統必須采用專用的軟件功能模塊來完成人—機對話。SIEMENS公司在執行機構上采用的是SIMATIC S7-400系統中的SIPPOS5軟件。SDA公司的AS執行機構上采用的是SMARTMANAGER軟件。

一、現場總線執行機構的特點

當智能電動執行機構與現場總線連接時，它就成了現場總線控制系統(FCS)中的一塊現場儀表，現場總線執行機構具有如下特點:(1)智能通信、智能控制。智能電動執行機構利用微機技術和現場通信技術，實現雙向通信、PID調節、在線自動標定、自校正與自診斷等多種控制技術要求的功能，有效提高控制水平。(2)機電一體化新型智能化電動執行機構將伺服放大器與執行機構合為一體，驅動電路應用功能強大的集成模塊，結構簡單，控制性能好。(3)增設了行程保護、過力矩保護、電動機過熱保護、斷電信號保護、輸出現場閥位指示和故障報警等功能。對開關次數、力矩關斷次數、電動機運行時間、控制單元工作時間等重要的運行數據進行監控、儲存和累計處理?？刂撇呗愿鼮橄冗M，先進的控制方法有利于解決電機的慣性問題，實現準確定位，提高控制精度。(4)具有現場總線接口。

二、基于現場總線的電動執行機構在應用中的優勢

由于電動執行機構直接控制著機組的運行過程，影響著火電廠的安全與經濟運行，因此研究、分析現場總線電動執行機構有十分重要的意義[4～6]，現場總線電動執行機構與普通電動執行機構相比，在火電廠具有以下的優勢:(1)現場使用的輔助設備少，系統成本低，便于現場檢修和調試。傳統的執行機構至少7～14根控制線才能將執行機構的參數傳遞到控制系統的控制模板上，還需要在控制裝置附近安裝轉換控制柜，用于中途或現場的控制。而采用總線通訊方式，一個環路中的所有執行機構被一根屏蔽雙絞線串聯起來，完全取代傳統的十四線制。當需要增加執行機構時，只需一根雙絞線和上級控制裝置的一個串口，并不需要對每個執行機構都單獨使用一根多芯電纜，即使是在冗余的情況下，也僅需要兩根電纜4根線，且無須任何隔離和轉換以及輸入輸出模塊，同時減少了大量的信號電纜、配電柜等硬件，也減少了大量的人為錯誤和系統故障。(2)由于采用全數字式，可靠性高。執行機構采用現場總線，其輸出為數字信號，不僅減少了信號轉換過程中的損失，增加了抗干擾能力，而且所傳遞信號的質量也是非常穩定可靠。 (3)具有雙向通訊功能、自校正、自診斷等功能，操作維護十分方便。當采用了現場總線的執行機構或它所控制的設備出現問題時，系統能夠及時地給予識別，將該節點從整個系統中脫開，以維持整個系統的穩定。操作人員在控制室即可對現場執行機構進行參數設置、功能組態，進行故障診斷和事故預測、實施狀態維修。(4)可實現遠程編程、操作和診斷。當執行機構在現場出現一些無法解決的難題時，設備廠家就可以通過總線接口來進行遠程通信、實施遠程會診，廠家不必到現場，就可以提供遠程技術支持。

三、現場總線執行機構在火電廠應用中的注意事項

對于采用現場總線的電動執行機構，應充分考慮火電廠自動控制系統的特點和現場總線電動執行機構的優勢，在火電廠應用中的注意事項如下:(1)現場總線電動執行機構的通信協議必須與控制系統的通信協議相匹配，這是實現局部現場總線控制系統的基本條件(如選用PROFIBUS現場總線控制系統，則電動執行機構中也必須選用相應的PROFIBUS現場總線)。(2)現場總線電動執行機構物理地址的設定必須與控制器中的地址相對應，以防止產生作為被控對象的不同電動執行機構的誤動和拒動，給安全生產帶來嚴重后果。(3)在電動執行機構應用較多的火電廠輔助系統，比如水系統中的工業水、消防水、廢水和單元機組中的開、閉式水系統，物理位置相對分散，且多為順序控制、聯鎖或單參數調節。(4)提高運行維護人員的專業知識，做好數據管理以防偶發故障。

四、產品與發展趨勢

德國西博思電動執行機構有限公司推出的變頻智能型電動執行機構—SIPOS 5 Flash系列，它采用簡單的模塊化結構，通過增加少量必要的模塊，可使其適用于各種控制模式——從簡單的開關控制到PROFIBUS通訊，它具有開放的控制接口，可以各種控制系統兼容。德國AUMA公司推出的AUMA MATIC的電動執行機構，它將電機一體化控制單元于電動執行器組合到一起，對其配置的修改變得非常容易。ROTORK(羅托克)生產的IQ系列智能化電動執行機構，獨有的雙密封系統和紅外線非侵入式設定使它可用在任何環境中，防水防爆。德國HartmannBraum公司新一代產品智能電動執行機構MOE700實現了智能式電子一體化，變頻變速定位，監控等功能。

隨著微處理技術、通信技術、自動化儀表技術的迅猛發展，電動執行機構將進一步發展，其趨勢可歸納為:機電一體化結構逐步取代組合式結構;智能化控制技術逐步取代純電子控制技術;帶通信技術的逐步取代不帶通信技術;數字控制方式逐步取代傳統的模擬控制方式;用控制技術逐步取代純電子控制技術;運用紅外遙控的非接觸調試技術，逐步取代接觸式手動調試技術等。

結束語

基于現場總線的電動執行機構不僅具有執行機構功能，還具有控制、運算和通信等功能。通過現場總線控制系統能實現大量現場設備的診斷和維護等管理信息的采集和對現場設備的實時在線的狀態檢測和故障預診斷，發揮現場總線控制系統的設備管理優勢，有利于提高現場設備健康水平，保證機組長周期運行，基于現場總線的電動執行機構是火電廠發展的必然趨勢，它在火電廠自動控制系統中具有廣泛的應用前景。

參考文獻:

[1]陽憲惠.現場總線技術及其應用[M].北京:清華大學出版社，1999.

[2]謝碧蓉.總線型電動執行機構控制系統研究[J].河南機電高等專科學校學報，2007，(4):16-19.

[3]諸銀興，施竹仁，巢樂，等.現場總線智能電動執行機構的研制[J].自動化儀表，2001，(2):4-6.

[4]姚明源，王婕.電動執行機構在熱電站的應用及維護[J].中國儀器儀表，2004，(5):101-104.

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[6]武長坤，戴瑜興. DeviceNet現場總線及其應用[J].低壓電器，2004，(7):22-25.

The Application of Electric Actuator Based on Field Bus in Thermal Power Plant

DUAN Jun-jie1， DUAN Jun-qing2 ， ZHANG Hai-tao3

(1.Equipment Management，DaTang Luoyang Thermal Power Plant，Luoyang 471039，China;

2.Zhengzhou Xinli Light and Power Company Limited， Zhengzhou 450007， China;

3. YTO(Luoyang)Fuel Pump Corporation Limited，Luoyang 471004，China)

Abstract: Electric actuator is important end element in automation control system， which affect deeply in the operation and performance in thermal power plant’s control system. The shortage of traditional electric actuator is low control precision， large deadband， non net communication and etc， which can not easy be applicable in modern industry. The article introduces the status of field bus; descript the technical advantage of electric actuator based on field bus and some attentions when introduce this technology into practical application. The technology of electric actuator based on field bus will be the future in thermal power plant control system.

Key words: field bus; communication;electric actuator [責任編輯 王薇]