現(xiàn)場(chǎng)總線智能網(wǎng)絡(luò)通信控制器在化工行業(yè)的應(yīng)用探析

【摘要】：基于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)支持下的智能網(wǎng)絡(luò)通信控制器系統(tǒng)，在我國化工行業(yè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與建設(shè)中發(fā)揮著自動(dòng)化控制的主要作用。本文以現(xiàn)場(chǎng)總線智能控制器技術(shù)實(shí)踐應(yīng)對(duì)為研究對(duì)象，開展了專業(yè)技術(shù)研究，為這一技術(shù)的廣泛應(yīng)用提供理論支持。

【關(guān)鍵詞】：現(xiàn)場(chǎng)總線； 智能網(wǎng)絡(luò)通信控制器；化工行業(yè)

在當(dāng)前的化工行業(yè)控制技術(shù)研究與應(yīng)用實(shí)踐中，以現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)為基礎(chǔ)的智能網(wǎng)絡(luò)通信控制器得到了廣泛應(yīng)用。因此控制技術(shù)研究者以這一控制技術(shù)的特征為研究切入點(diǎn)，結(jié)合化工行業(yè)控制技術(shù)要求，開展了其技術(shù)應(yīng)用實(shí)踐研究。這一研究的開展一方面有助于化工行業(yè)控制技術(shù)的有效發(fā)展；另一方面對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線控制技術(shù)的應(yīng)用提供了技術(shù)理論支持。因此這一研究在技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域具有極高的技術(shù)理論價(jià)值。

一、現(xiàn)場(chǎng)總線智能通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)概述

現(xiàn)場(chǎng)總線是一種用于工業(yè)數(shù)據(jù)控制的總線系統(tǒng)。在實(shí)際的應(yīng)用中，其主要功能在于解決工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)管理中智能儀器儀表、各類設(shè)備的控制器以及設(shè)備執(zhí)行機(jī)構(gòu)等設(shè)備之間，以及相關(guān)管理系統(tǒng)間數(shù)字化信息輸送工作。因此在應(yīng)用中，其不僅是一種工業(yè)數(shù)據(jù)線路系統(tǒng)，更是一種自動(dòng)化領(lǐng)域中底層數(shù)據(jù)通信傳輸?shù)臄?shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)。由于這一網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在建設(shè)與工業(yè)控制過程中具有簡(jiǎn)單、可靠、經(jīng)濟(jì)實(shí)用等優(yōu)勢(shì)，因此在當(dāng)前的工業(yè)控制管理技術(shù)中得到了廣泛采用。

二、通信控制器在化工行業(yè)控制中的實(shí)踐應(yīng)用研究

在化工行業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與建設(shè)中，現(xiàn)場(chǎng)總線控制器技術(shù)的應(yīng)用包括了以下技術(shù)內(nèi)容。

（一）控制器應(yīng)用的基本設(shè)備連接要求

在通信控制器設(shè)計(jì)與建設(shè)中，我們要求設(shè)備系統(tǒng)中的低壓配電室需要配套設(shè)置低壓配電自動(dòng)化系統(tǒng)。其主要功能是對(duì)配套配電室的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與監(jiān)控。其配置與技術(shù)要求如下：（1）數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)內(nèi)容。配電室與配電自動(dòng)化系統(tǒng)的連接是通過PROFIBUS-DP總線協(xié)議連接完成。其主要傳輸?shù)谋O(jiān)控?cái)?shù)據(jù)包括了以下幾點(diǎn)：一是將配電室內(nèi)智能設(shè)備監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)；二是將電路系統(tǒng)中智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)器中的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)；三是直接饋電回路監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)；四是系統(tǒng)中電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)；五是電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置數(shù)據(jù)；七是智能電力測(cè)量?jī)x表獲得的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。（2）控制模式。配電自動(dòng)化系統(tǒng)在運(yùn)行中的主要控制模式包括了以下內(nèi)容：一是對(duì)配電室饋電回路開展分合閘控制；二是對(duì)配電室饋電回路開展跳閘控制；三是對(duì)配電室電路進(jìn)行各種保護(hù)定值的下發(fā)。（3）網(wǎng)絡(luò)建設(shè)結(jié)構(gòu)，一般低壓配電自動(dòng)化系統(tǒng)在建設(shè)中應(yīng)使用光纖寬帶網(wǎng)絡(luò)，確保其運(yùn)行與控制速度。

（二）控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與建設(shè)中遇到的主要問題

在實(shí)際的自動(dòng)控制器系統(tǒng)設(shè)計(jì)與建設(shè)中，技術(shù)人員遇到的問題較為復(fù)雜。我國經(jīng)過技術(shù)問題的分析與研究，將其問題概括為以下幾點(diǎn)。（1）在網(wǎng)絡(luò)通信控制器系統(tǒng)應(yīng)用中，低壓配電室主機(jī)系統(tǒng)和電機(jī)控制中心系統(tǒng)數(shù)量較多，進(jìn)而提高了控制中數(shù)據(jù)輸送難度。（2）由于我國技術(shù)設(shè)備管理缺乏規(guī)范化內(nèi)容，因此部分配電室建設(shè)中智能化設(shè)備品牌、型號(hào)并不統(tǒng)一，因此其通信接口、連接方式、通信協(xié)議等難以有效統(tǒng)一，影響了設(shè)備連接，以及數(shù)據(jù)采集與管理工作的開展。（3）部分化工企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)建設(shè)也保存不規(guī)范性特點(diǎn)，因此配電與技術(shù)網(wǎng)絡(luò)中往往存在網(wǎng)絡(luò)不協(xié)調(diào)現(xiàn)場(chǎng)，影響了控制網(wǎng)絡(luò)通信的開展。（4）化工企業(yè)中的高低壓設(shè)備系統(tǒng)中結(jié)構(gòu)的自動(dòng)化信息傳輸系統(tǒng)方式不統(tǒng)一，因此如何實(shí)現(xiàn)控制器要求的客戶端/服務(wù)器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)要求，也是技術(shù)研究人員主要的技術(shù)問題。（5）在控制器設(shè)計(jì)與建設(shè)中，由于當(dāng)前自動(dòng)化系統(tǒng)監(jiān)控設(shè)備的數(shù)量較多，且設(shè)備種類型號(hào)不統(tǒng)一，進(jìn)而造成監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集方式與數(shù)據(jù)形式不統(tǒng)一的問題突出。因此我們?cè)O(shè)備控制技術(shù)研究中第一個(gè)技術(shù)要點(diǎn)在于對(duì)不同設(shè)備間的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管控。（6）在當(dāng)前的化工企業(yè)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中，不同設(shè)備采用的接口與網(wǎng)絡(luò)協(xié)議往往存在差異。如智能電力測(cè)量?jī)x表一般采用RS485接口與Modbus-RTU通信協(xié)議，而配電室自動(dòng)控制系統(tǒng)則采用OPC協(xié)議。因此如何在總線連接中將各類網(wǎng)絡(luò)接口與通信協(xié)議進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)控制的整體完成就成為了我們研究的主要內(nèi)容。

（三）系統(tǒng)技術(shù)實(shí)踐方案

為了解決控制器設(shè)計(jì)與建設(shè)中遇到的主要問題，技術(shù)研究者現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)特點(diǎn)開展了系統(tǒng)技術(shù)實(shí)踐方案研究。方案內(nèi)容就是利用2000R+/TCP通信控制器，作為配電自動(dòng)化系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備。其主要作用是對(duì)控制中現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備產(chǎn)生的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行采集與處理。

由于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)支持下的網(wǎng)絡(luò)通信控制器自身具有一定數(shù)量的下行通信接口，以及上行網(wǎng)絡(luò)接口，因此其使用中相當(dāng)于一臺(tái)小型的數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)。在使用中其主要作用包括了以下內(nèi)容，一是將智能監(jiān)控/保護(hù)裝置提供的各項(xiàng)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)信息進(jìn)行匯總與處理，及時(shí)傳送至主站系統(tǒng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)化工生產(chǎn)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控管理。二是將系統(tǒng)控制后臺(tái)機(jī)，以及DCS傳送的各類控制命令，通過數(shù)據(jù)信號(hào)傳送到系統(tǒng)內(nèi)變電所內(nèi)的數(shù)據(jù)處理設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)變電室內(nèi)設(shè)備特別是對(duì)開合閘設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。三是通過內(nèi)部多種形式的通信接口的設(shè)計(jì)方式，很好地實(shí)現(xiàn)了低壓配電室與其他自動(dòng)化設(shè)備之間網(wǎng)絡(luò)連接不暢問題，提高了控制系統(tǒng)設(shè)備間的通信質(zhì)量與效率。

（四）控制器設(shè)備配置

為了保障網(wǎng)絡(luò)通信控制器在使用運(yùn)行穩(wěn)定，且實(shí)現(xiàn)其管理性能，技術(shù)人員采取了以下設(shè)備配置。（1）主機(jī)系統(tǒng)使用32位工業(yè)控制中央處理器.（2）控制軟件系統(tǒng)為實(shí)時(shí)多任務(wù)Linux嵌入式操作系統(tǒng)。（3）接線系統(tǒng)采用了以下方式：下行通信口為標(biāo)準(zhǔn)的Modbus-RTU通信規(guī)約；上行通信網(wǎng)絡(luò)為寬帶以太網(wǎng)或RS485/232總線方式。（4）通過軟件通信控制完成本地監(jiān)控主站與遠(yuǎn)方調(diào)度處理工作。（5）網(wǎng)絡(luò)通信控制器在設(shè)計(jì)中應(yīng)配有2個(gè)以上的以太網(wǎng)口，多個(gè)通信串口，以及一個(gè)RS232設(shè)備維護(hù)口。

（五）自動(dòng)控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)層次設(shè)計(jì)

在網(wǎng)絡(luò)通信控制器實(shí)踐應(yīng)用中，我們需要根據(jù)其網(wǎng)絡(luò)技術(shù)特點(diǎn)與實(shí)際應(yīng)用，合理設(shè)置控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層次，確保網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的穩(wěn)定與順暢。在設(shè)計(jì)中其主要的網(wǎng)絡(luò)層次包括了以下內(nèi)容。（1）網(wǎng)絡(luò)生產(chǎn)設(shè)備間隔層。這一網(wǎng)絡(luò)層次主要對(duì)化工生產(chǎn)中的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行控制管理，如現(xiàn)場(chǎng)中的低壓開關(guān)柜、智能測(cè)量、啟動(dòng)開關(guān)等配置有通信接口的監(jiān)控設(shè)備，都是由這一層次網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接與控制。其連接是與網(wǎng)絡(luò)通信控制器中，下行口相連。（2）網(wǎng)絡(luò)前置層。網(wǎng)絡(luò)前置層主要是與控制器下行PROFIBUS-DP二類主站接口連接從站設(shè)備進(jìn)行管理的網(wǎng)絡(luò)層次。其管理內(nèi)容包括了：一是數(shù)據(jù)維護(hù)接口，主要負(fù)責(zé)完成控制器內(nèi)部數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)定與維護(hù)管理工作。二是主備切換與數(shù)據(jù)交換接口，主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)刷新與交換管理工作。這里需要注意的是，如果控制系統(tǒng)采用的是雙控制器模式，那么兩臺(tái)設(shè)備應(yīng)設(shè)定為互為備用模式。在使用中一臺(tái)應(yīng)設(shè)定為通信主站，而另一臺(tái)則設(shè)定為監(jiān)聽備站。其主備切換就是通過這一接口完成。（3）網(wǎng)絡(luò)站端監(jiān)控控制層。這一網(wǎng)絡(luò)層次主要是對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控工作，避免因控制系統(tǒng)故障造成控制事故的出現(xiàn)。其監(jiān)控控制計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)前置層配置相同，既單機(jī)配單機(jī)監(jiān)控、雙機(jī)配雙機(jī)監(jiān)控。在系統(tǒng)正常工作的情況下，工作站作對(duì)配電自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行日常監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集工作，并在計(jì)算機(jī)顯示系統(tǒng)中進(jìn)行顯示，并完成相關(guān)的監(jiān)控控制命令，同時(shí)系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)監(jiān)控采集到的相應(yīng)數(shù)據(jù)。而在雙機(jī)監(jiān)控模式下，備用機(jī)負(fù)責(zé)在主機(jī)故障情況下，及時(shí)切換到監(jiān)控管理模式，開始應(yīng)急管理工作。在主機(jī)故障排除后在自動(dòng)轉(zhuǎn)換到備用程序。

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作者簡(jiǎn)介：孫啟林（1998.08.03—），就讀于山東省泰安市泰安一中。