現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在火電廠輸煤系統(tǒng)中的應(yīng)用

現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在火電廠輸煤系統(tǒng)中的應(yīng)用
摘要：本文基于目前流行的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)之一 —— Lonworks總線技術(shù)，給出了火電廠輸煤系統(tǒng)中工況參數(shù)監(jiān)測(cè)的總體框架，對(duì)模擬量、開(kāi)關(guān)量智能節(jié)點(diǎn)給出一般性設(shè)計(jì)，形成以智能節(jié)點(diǎn)為單位的能實(shí)現(xiàn)控制、管理、監(jiān)測(cè)功能的火電廠輸煤系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)底層網(wǎng)絡(luò)，在此基礎(chǔ)上最終實(shí)現(xiàn)與DCS（分散控制系統(tǒng)）的集成。
關(guān)鍵詞：Lonworks技術(shù) 智能節(jié)點(diǎn) 分散控制系統(tǒng) 網(wǎng)絡(luò)集成
1、 引言
　　1991年美國(guó)Echelon公司成功推出了lonworks網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，與當(dāng)前已有的幾種現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)相比，lonworks總線以其特有的突出特點(diǎn)：統(tǒng)一性、開(kāi)發(fā)性以及互操作性，成為實(shí)際上的現(xiàn)場(chǎng)總線推薦標(biāo)準(zhǔn)。Lonworks總線技術(shù)的核心是neuron（神經(jīng)元）芯片及其內(nèi)部固件lontalk協(xié)議，它既能管理通信，又具有輸入/輸出及控制能力。此外，Echelon公司還為網(wǎng)絡(luò)的開(kāi)發(fā)提供了強(qiáng)有力的開(kāi)發(fā)工具，控制模板和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)工具等，可以很方便地組成智能節(jié)點(diǎn)，并將這些節(jié)點(diǎn)應(yīng)用于lonworks網(wǎng)絡(luò)中形成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。因此，該總線常被作為工業(yè)生產(chǎn)中檢測(cè)與控制中較為流行的總線之一。
　　輸煤系統(tǒng)是火電廠的重要組成部分，其安全可靠運(yùn)行是保證電廠實(shí)現(xiàn)安全、高效不可缺少的環(huán)節(jié)。輸煤系統(tǒng)的工藝流程隨鍋爐容量、燃料品種、運(yùn)輸方式的不同而差別較大，并且使用設(shè)備多，分布范圍廣。作為一種具有本安性且遠(yuǎn)距離傳輸能力強(qiáng)的分布式智能總線網(wǎng)絡(luò)，lonworks總線能將監(jiān)測(cè)點(diǎn)做到徹底的分散（在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)可帶32000多個(gè)節(jié)點(diǎn)），提高了系統(tǒng)的可靠性，可以滿足輸煤系統(tǒng)監(jiān)控的要求。火電廠輸煤系統(tǒng)一般都采用順序控制和報(bào)警方式，為相對(duì)獨(dú)立的控制單元系統(tǒng)，系統(tǒng)配備了各種性能可靠的測(cè)量變送器。通過(guò)運(yùn)用Lonworks現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)將各種測(cè)量變送器的輸出信號(hào)接入對(duì)應(yīng)的智能節(jié)點(diǎn)組成多個(gè)檢測(cè)單元，然后掛接在Lonworks總線上，再通過(guò)Lonworks總線與已有的DCS系統(tǒng)集成，實(shí)現(xiàn)了對(duì)輸煤系統(tǒng)更加有效便捷的監(jiān)控。
　　2、 基于Lonworks總線火電廠輸煤系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)
　　在輸煤系統(tǒng)中，常用的測(cè)量變送器一般有以下幾種： （1）開(kāi)關(guān)量皮帶速度變送器（2）皮帶跑偏開(kāi)關(guān)（3）煤流開(kāi)關(guān)（4）皮帶張力開(kāi)關(guān)（5）煤量信號(hào)（6）金屬探測(cè)器（7）皮帶劃破探測(cè)（8）落煤管堵煤開(kāi)關(guān)（9）煤倉(cāng)煤位開(kāi)關(guān)。
　　每一種測(cè)量變送器和其相對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)共同組成智能監(jiān)測(cè)單元，對(duì)需要監(jiān)測(cè)的工況參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控。監(jiān)測(cè)單元通過(guò)收發(fā)器接入Lonworks總線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，可根據(jù)監(jiān)測(cè)到的參數(shù)進(jìn)行控制和發(fā)出報(bào)警信號(hào)，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　3、 Lonworks總線智能節(jié)點(diǎn)的一般設(shè)計(jì)
　　智能節(jié)點(diǎn)是總線網(wǎng)絡(luò)中分布在現(xiàn)場(chǎng)級(jí)的基本單元，其設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)分為兩種：一種是基于neuron芯片的設(shè)計(jì)，即節(jié)點(diǎn)中不再包含其它處理器，所有工作均由neuron芯片完成。另一種是基于主機(jī)的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，即neuron芯片只完成通信的工作，用戶應(yīng)用程序由其它處理器完成。前者適合設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單的場(chǎng)合，后者適應(yīng)于設(shè)計(jì)相對(duì)復(fù)雜的場(chǎng)合。一般情況下，多采用基于芯片的設(shè)計(jì)。由于智能節(jié)點(diǎn)不外乎輸入/輸出模擬量和輸入/輸出開(kāi)關(guān)量四種形式，節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)也大同小異，對(duì)此本文只給出了節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的一般方法。
　　基于芯片的智能節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)包括控制電路、通信電路和其它附加電路組成。
Fig 2 Basic Structure Of Node Based On The Neuron Chip
　　控制電路
　　①神經(jīng)元芯片：采用Toshiba公司生產(chǎn)的3150芯片，主要用于提供對(duì)節(jié)點(diǎn)的控制，實(shí)施與Lon網(wǎng)的通信，支持對(duì)現(xiàn)場(chǎng)信息的輸入輸出等應(yīng)用服務(wù)。
　　②片外存儲(chǔ)器：采用Atmel公司生產(chǎn)的AT29C256（Flash存儲(chǔ)器）。AT29C256共有32KB的地址空間，其中低16KB空間用來(lái)存放神經(jīng)元芯片的固件（包括LonTalk協(xié)議等）。高16KB空間作為節(jié)點(diǎn)應(yīng)用程序的存儲(chǔ)區(qū)。采用ISSI公司生產(chǎn)的IS61C256作為神經(jīng)元芯片的外部RAM。
　　③I/O接口：是neuron芯片上可編程的11個(gè)I/O引腳，可直接與外部接口電路連接，其功能和應(yīng)用由編程方式?jīng)Q定。
通信電路
　　通信電路的核心收發(fā)器是智能節(jié)點(diǎn)與Lon網(wǎng)之間的接口。目前，Echelon公司和其他開(kāi)發(fā)商均提供了用于多種通信介質(zhì)的收發(fā)器模塊。通常采用Echelon公司生產(chǎn)的適用于雙絞線傳輸介質(zhì)的FTT-10A收發(fā)器模塊。
附加電路
　　附加電路主要包括晶振電路、復(fù)位電路和Service電路等。
　　①晶振電路：為3150神經(jīng)元芯片提供工作時(shí)鐘。
　　②復(fù)位電路：用于在智能節(jié)點(diǎn)上電時(shí)產(chǎn)生復(fù)位操作。另外，節(jié)點(diǎn)還將一個(gè)低壓中斷設(shè)備與3150的Reset引腳相連，構(gòu)成對(duì)神經(jīng)元芯片的低壓保護(hù)設(shè)計(jì)，提高節(jié)點(diǎn)的可靠性穩(wěn)定性。
　　③Service電路：專為下載應(yīng)用程序設(shè)計(jì)。Service指示燈對(duì)診斷神經(jīng)元芯片固件狀態(tài)有指示作用
　　節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)采用Neuron C編程語(yǔ)言設(shè)計(jì)。Neuron C是為neuron芯片設(shè)計(jì)的編程語(yǔ)言，可直接支持neuron芯片的固化，并定義了34種I/O對(duì)象類型。節(jié)點(diǎn)開(kāi)發(fā)的軟件設(shè)計(jì)分為以下幾步：
　　（1）定義I/O對(duì)象：定義何種I/O對(duì)象與硬件設(shè)計(jì)有關(guān)。在定義I/O對(duì)象時(shí)，還可設(shè)置I/O對(duì)象的工作參數(shù)及對(duì)I/O對(duì)象進(jìn)行初始化。
　　（2）定義定時(shí)器對(duì)象：在一個(gè)應(yīng)用程序中最多可以定義15個(gè)定時(shí)器對(duì)象（包括秒定時(shí)器和毫秒定時(shí)器），主要用于周期性執(zhí)行某種操作情況，或引進(jìn)必要的延時(shí)情況。
　　（3）定義網(wǎng)絡(luò)變量和顯示報(bào)警：既可以采用網(wǎng)絡(luò)變量又可以采用顯示報(bào)警形式傳輸信息，一般情況采用網(wǎng)絡(luò)變量形式。
　　（4）定義任務(wù)：任務(wù)是neuron C實(shí)現(xiàn)事件驅(qū)動(dòng)的途徑，是對(duì)事件的反應(yīng)，即當(dāng)某事件發(fā)生時(shí)，應(yīng)用程序應(yīng)執(zhí)行何種操作。
　　（5）定義用戶自定義的其它函數(shù) ：可以在neuron C程序中編寫自定義的函數(shù)，以完成一些經(jīng)常性功能，也將一些常用的函數(shù)放到頭文件中，以供程序調(diào)用。
　　4、基于Lonworks總線的火電廠輸煤系統(tǒng)與DCS的網(wǎng)絡(luò)集成
　　現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)與傳統(tǒng)的系統(tǒng)DCS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)集成并協(xié)同工作的情況目前在火電廠中尚為數(shù)不多。進(jìn)一步推動(dòng)火電廠數(shù)字化和信息化的發(fā)展，逐步推行現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)與DCS系統(tǒng)的集成是火電廠工業(yè)控制及自動(dòng)化水平發(fā)展的趨勢(shì)。就目前來(lái)講，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)與DCS集成方式有多種，且組態(tài)靈活。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，我們知道不少大型火電廠都已裝有DCS系統(tǒng)并穩(wěn)定運(yùn)行，而現(xiàn)場(chǎng)總線很少或首次引入系統(tǒng)，因此可采用將現(xiàn)場(chǎng)總線層與DCS系統(tǒng)I/O層連接的集成，該方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)便易行，其原理如圖3所示。從圖中可以看出現(xiàn)場(chǎng)總線層通過(guò)一個(gè)接口卡掛在DCS的I/O層上,將現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)信息映射成與DCS的I/O總線上的數(shù)據(jù)信息，使得在DCS控制器所看到的從現(xiàn)場(chǎng)總線開(kāi)來(lái)的信息如同來(lái)自一個(gè)傳統(tǒng)的DCS設(shè)備卡一樣。這樣便實(shí)現(xiàn)了在I/O總線上的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)集成。火電廠輸煤系統(tǒng)無(wú)論是在規(guī)模上，還是在利用已有生產(chǎn)資源的基礎(chǔ)上，采用該方案都是可行的，同時(shí)也體現(xiàn)了把火電廠某些相對(duì)獨(dú)立控制系統(tǒng)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)納入DCS系統(tǒng)的合理性。由此可見(jiàn)，現(xiàn)階段現(xiàn)場(chǎng)總線與系統(tǒng)的并存不僅會(huì)給生產(chǎn)用戶帶來(lái)大量收益，而且使用戶擁有更多的選擇，以實(shí)現(xiàn)更合理的監(jiān)測(cè)與控制。