现场总线系统有什么特点？在低压配电自动化系统中现场总线技术有什么应用？

1. 引言

随着电力行业的技术进步，化工行业自动化水平日益提高，国内各大化工厂纷纷将配电自动化系统纳入DCS（集散控制系统）中。

DCS是分布式控制系统的英文缩写（Distributed Control System），在国内自控行业又称之为集散控制系统。即所谓的分布式控制系统，或在有些资料中称之为集散系统，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，它是在集中式控制系统的基础上发展、演变而来的。它是一个由过程控制级和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，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。

实现监控一体化管理。由于DCS主要是以实现化工生产过程自动化为目的，而对电气系统自动化考虑较少。而仅仅将电气系统的部分信息如电机电流及运行信号等以“硬接线”的形式送入DCS中而实现简单的监测和启、停控制的方案，是一种低层次的融合，将造成投资增加、电气系统大量原始信息丢失，而电气系统的控制水平未必得到较大的提高。而随着现场总线技术的日益发展，上述问题得到了很好地解决。本文以上海安科瑞电气股份有限公司在某化工厂中的工程实例简单介绍现场总线技术在化工行业的低压配电自动化系统中的应用。

2. 现场总线技术的定义、结构及特点

2.1 现场总线技术概念

现场总线技术概念：现场总线是指以工厂内的测量和控制机器间的数字通讯为主的网络，也称现场网络。也就是将传感器、各种操作终端和控制器间的通讯及控制器之间的通讯进行特化的网络。原来这些机器间的主体配线是ON/OFF、接点信号和模拟信号，通过通讯的数字化，使时间分割、多重化、多点化成为可能，从而实现高性能化、高可靠化、保养简便化、节省配线（配线的共享）。

传统的4-20mA信号连接，信息量有限，严重制约了企业信息集成和企业综合自动化的实现。现场总线技术把孤立的现场级设备带进了企业信息网络中。

2.2 化工行业现场总线系统的结构

在一个现代化化工厂大规模的工业生产过程控制中，工业数据结构大体分为工厂级、车间级和现场级这3个层次，这其中，现场级与车间级自动化监控及信息集成是工厂自动化的重要部分。

现场级与车间级自动化监控及信息集成系统主要完成底层设备单机控制、连机控制、通信连网、在线设备状态监测及现场设备运行、生产数据的采集、存储、统计等功能，保证现场设备高质量完成生产任务，并将现场设备生产及运行数据信息根据需要传送到工厂管理层，同时也可接受工厂管理层下达的生产管理及调度命令并执行之。因此，现场级与车间级监控及信息集成系统是实现工厂自动化的基础。

下图为上海安科瑞电气为某化工厂设计的自动化监控及信息集成系统图。

2.3 现场总线系统的特点及优势

现场总线系统是一个全数字化、全分散式、可互操作、开放式互连网络的控制系统，现场总线系统与传统的DCS相比，具有以下技术特点和优势。

2.3.1 全数字通信

传统控制系统DCS采用4~20mA的模拟信号传输方式。这种传输方式一对传输电缆只能传送一路信号。而且，模拟信号在传输过程中易被其他信号或环境噪声所干扰，传输精度不高，控制效果不理想。而现场总线系统采用全数字信号传输。传输过程中采用数字信号的检错、纠错机制，使其具有较高的抗干扰能力，传输精度也得到显着提高。全数字通信使得多参数传输得以实现。现场设备的测量、控制信息以及其他非控制信息如设备类型和参数、整定值、设备运行状态等都可以通过一对传输线送到现场总线网络上的任何智能设备，从而消除了模拟信号传输的瓶颈。

2.3.2 控制分散

现场总线系统采用全分散式控制。现场智能终端设备，既有测量、采集、保护、变换、信号处理等功能，也有逻辑运算和控制功能。通过现场总线，将复杂的控制任务进行分解，分散下放于现场设备中，由现场智能终端设备构成控制回路，实现对各对象的控制。和传统的DCS控制系统相比，现场总线系统简化了系统结构，提高了系统的可靠性、自治性和灵活性。

2.3.3 开放性、互操作性

现场总线采用统一的协议标准，是开放式的互联网络，对用户是透明的，不同厂家产品只要使用同一总线标准，就具有互操作性、互换性，因此设备具有很好的可集成性。系统为开放式，允许其它厂商将自己专长的控制技术，如控制算法、工艺流程、配方等集成到通用系统中去，因此，不同厂家的网络产品可以方便地接入同一网络，集成在同一控制系统中进行操作，简化了系统集成。而在传统的DCS中，不同厂家的设备是不能相互访问的。

2.3.4 多分支结构

传统控制系统中设备的连接都是一对一的，而现场总线是多分支结构，其网络拓扑可为总线型、星型、树型等多种形式。这种多分支结构使得布线简单、工程安装周期缩短、运行维护方便，并能节省投资。这种结构还具有较强的系统扩展性，对于新增的设备，只需直接并行挂接即可，无需架设新的电缆，也无需系统停机。

2.3.5 现场设备状态可控

通过现场总线，现场设备的管理信息大大增加，这些信息包括功能模块组态、参数状况、诊断和验证数据等。操作人员在控制室里就可以对这些信息进行维护和验证数据等。操作人员在控制室里就可以对这些信息进行维护和管理，对现场设备进行参数整定，并实时地进行性能维护。当设备参数、状态发生变化时，操作人员能提前对该设备进行预处理，可减少事故发生。故障发生后，报警机制会立刻通知操作人员故障发生的部位和设备，从而提高了系统的可靠性和可维护性。

2.3.6 降低了系统及工程成本

对大范围、大规模I/O的分布式系统来说，省去了大量的电缆、I/O模块及电缆敷设工程费用，降低了系统及工程成本。

3. 基于现场总线技术的低压配电自动化系统的应用

如今，现场总线技术已经开始得到较为广泛的应用。如某化工厂所用低压配电自动化系统，采用基于现场总线技术的ACREL-2000监控系统，已投入运行，运行状况良好。下文以该配电自动化系统为例，简述现场总线技术在行业内低压配电自动化系统中的应用。

3.1 系统简介

安科瑞公司的Acrel-2000电力监控系统是基于先进的现场总线方式（FCS），来实现电力系统信息的交换与管理。Acrel-2000电力监控系统借助现代的网络技术和计算机技术实时监视电力系统的运行参数（包括：开关状态，故障状态和位置，电压、电流、电度等实时变化的电气参数，报警信号等）、事件记录、波形记录等数据，不断地传送至电力监控计算机（以后简称监控中心），并可以实施遥控命令，使运行管理人员可以通过监控中心全面了解电力系统的运行工况，准确、快速地判断故障位置和故障原因，简便地实现各种数据分析（包括负荷分析，电能消耗分析，电能质量）。对于一些难于判断的故障，可以通过波形记录来帮助管理者分析故障原因。

该电力监控系统能够实现的主要功能包括：系统运行实时监视、电能质量监视、远程控制和操作记录、事件报警和记录、数据采集和历史数据管理、各种报表打印、电能管理。

3.2 系统结构

Acrel-2000电力监控系统是基于10kV及以下变配电系统的监测与管理，该系统由管理层（站控层）、通信层（中间层）、间隔层（现场监控层）三部分组成，见下图。

站控层设立主控系统Acrel-2000一套。硬件系统采用工作台式结构，软件系统采用基于WIN2000 操作系统的电力监控软件Acrel-2000， 同时能通过MODBUS SERVER 和OPC方式实现系统数据的上传， 实现资源共享。站控层通过位于通信层的工业以太网交换机与现场中的通信服务器或通信网关进行数据交换。

通信层除了有一个工业以太网交换机外，还在每个设备层总线分支处设立了一个通信服务器或网关，用来将现场的总线协议转为以太网协议。在保护装置分支中还使用了ACRHMI通信管理机，ACRHMI是用于实现配电系统的通信处理和设备管理的智能通信单元，其选用了一块12.1寸高亮度TFT真彩触摸屏，使用实时嵌入式操作系统（WinCE.NET）和系统工程运行软件，具有良好的人机界面，集成了ProfiBus-DP通讯接口和TCP/IPRJ45接口，能将多种设备通过现场总线技术有机地连接起来。

现场监控层采用包括ARD系列智能马达控制器、ACR系列多功能网络仪表在内的具备RS485 ProfiBus-DP通讯接口的分布在配电柜上的智能可通讯设备，通过现场总线通信实现与通信网关的数据交换。