1. 引言
隨著電力行業的技術進步，化工行業自動化水平日益提高，國內各大化工廠紛紛將配電自動化系統納入DCS（集散控制系統）中，實現監控一體化管理。由于DCS主要是以實現化工生產過程自動化為目的，而對電氣系統自動化考慮較少。而僅僅將電氣系統的部分信息如電機電流及運行信號等以“硬接線”的形式送入DCS中而實現簡單的監測和啟、停控制的方案，是一種低層次的融合，將造成投資增加、電氣系統大量原始信息丟失，而電氣系統的控制水平未必得到較大的提高。而隨著現場總線技術的日益發展，上述問題得到了很好地解決。本文以上海安科瑞電氣股份有限公司在某化工廠中的工程實例簡單介紹現場總線技術在化工行業的低壓配電自動化系統中的應用。
2. 現場總線技術的定義、結構及特點
2.1 現場總線技術概念
現場總線技術概念：現場總線是安裝在生產過程區域的現場設備/儀表與控制室內的自動控制裝置/系統之間的一種串行、數字式、多點通信的數據總線。即現場總線是以單個分散的、數字化、智能化的測量和控制設備作為網絡節點，用總線相連接，實現相互交換信息，共同完成自動控制功能的網絡系統和控制系統。
2.2 化工行業現場總線系統的結構
在一個現代化化工廠大規模的工業生產過程控制中，工業數據結構大體分為工廠級、車間級和現場級這3個層次，這其中，現場級與車間級自動化監控及信息集成是工廠自動化的重要部分。
現場級與車間級自動化監控及信息集成系統主要完成底層設備單機控制、連機控制、通信連網、在線設備狀態監測及現場設備運行、生產數據的采集、存儲、統計等功能，保證現場設備高質量完成生產任務，并將現場設備生產及運行數據信息根據需要傳送到工廠管理層，同時也可接受工廠管理層下達的生產管理及調度命令并執行之。因此，現場級與車間級監控及信息集成系統是實現工廠自動化的基礎。
下圖為上海安科瑞電氣為某化工廠設計的自動化監控及信息集成系統圖。
2.3 現場總線系統的特點及優勢
現場總線系統是一個全數字化、全分散式、可互操作、開放式互連網絡的控制系統，現場總線系統與傳統的DCS相比，具有以下技術特點和優勢。
2.3.1 全數字通信
傳統控制系統DCS采用4~20mA的模擬信號傳輸方式。這種傳輸方式一對傳輸電纜只能傳送一路信號。而且，模擬信號在傳輸過程中易被其他信號或環境噪聲所干擾，傳輸精度不高，控制效果不理想。而現場總線系統采用全數字信號傳輸。傳輸過程中采用數字信號的檢錯、糾錯機制，使其具有較高的抗干擾能力，傳輸精度也得到顯著提高。全數字通信使得多參數傳輸得以實現。現場設備的測量、控制信息以及其他非控制信息如設備類型和參數、整定值、設備運行狀態等都可以通過一對傳輸線送到現場總線網絡上的任何智能設備，從而消除了模擬信號傳輸的瓶頸。
2.3.2 控制分散
現場總線系統采用全分散式控制。現場智能終端設備，既有測量、采集、保護、變換、信號處理等功能，也有邏輯運算和控制功能。通過現場總線，將復雜的控制任務進行分解，分散下放于現場設備中，由現場智能終端設備構成控制回路，實現對各對象的控制。和傳統的DCS控制系統相比，現場總線系統簡化了系統結構，提高了系統的可靠性、自治性和靈活性。
2.3.3 開放性、互操作性
現場總線采用統一的協議標準，是開放式的互聯網絡，對用戶是透明的，不同廠家產品只要使用同一總線標準，就具有互操作性、互換性，因此設備具有很好的可集成性。系統為開放式，允許其它廠商將自己專長的控制技術，如控制算法、工藝流程、配方等集成到通用系統中去，因此，不同廠家的網絡產品可以方便地接入同一網絡，集成在同一控制系統中進行操作，簡化了系統集成。而在傳統的DCS中，不同廠家的設備是不能相互訪問的。
2.3.4 多分支結構
傳統控制系統中設備的連接都是一對一的，而現場總線是多分支結構，其網絡拓撲可為總線型、星型、樹型等多種形式。這種多分支結構使得布線簡單、工程安裝周期縮短、運行維護方便，并能節省投資。這種結構還具有較強的系統擴展性，對于新增的設備，只需直接并行掛接即可，無需架設新的電纜，也無需系統停機。
2.3.5 現場設備狀態可控
通過現場總線，現場設備的管理信息大大增加，這些信息包括功能模塊組態、參數狀況、診斷和驗證數據等。操作人員在控制室里就可以對這些信息進行維護和驗證數據等。操作人員在控制室里就可以對這些信息進行維護和管理，對現場設備進行參數整定，并實時地進行性能維護。當設備參數、狀態發生變化時，操作人員能提前對該設備進行預處理，可減少事故發生。故障發生后，報警機制會立刻通知操作人員故障發生的部位和設備，從而提高了系統的可靠性和可維護性。
2.3.6 降低了系統及工程成本
對大范圍、大規模I/O的分布式系統來說，省去了大量的電纜、I/O模塊及電纜敷設工程費用，降低了系統及工程成本。
3. 基于現場總線技術的低壓配電自動化系統的應用
如今，現場總線技術已經開始得到較為廣泛的應用。如某化工廠所用低壓配電自動化系統，采用基于現場總線技術的ACREL-2000監控系統，已投入運行，運行狀況良好。下文以該配電自動化系統為例，簡述現場總線技術在行業內低壓配電自動化系統中的應用。
3.1 系統簡介
安科瑞的Acrel-2000型電力監控系統軟件借助了計算機、通信設備、計量保護裝置等，為系統的實時數據采集、開關狀態監測及遠程控制提供了基礎平臺。該電力監控系統可以為企業提供“監控一體化”的整體解決方案，主要包括實時歷史數據庫AcrSpace、工業自動化組態軟件AcrControl、電力自動化軟件AcrNetPower、“軟”控制策略軟件AcrStrategy、通信網關服務器AcrFieldComm、OPC產品、Web門戶工具等。
3.2 系統結構
Acrel-2000電力監控系統是基于10kV及以下變配電系統的監測與管理，該系統由管理層（站控層）、通信層（中間層）、間隔層（現場監控層）三部分組成，見下圖。
站控層設立主控系統Acrel-2000一套。硬件系統采用工作臺式結構，軟件系統采用基于WIN2000 操作系統的電力監控軟件Acrel-2000, 同時能通過MODBUS SERVER 和OPC方式實現系統數據的上傳, 實現資源共享。站控層通過位于通信層的工業以太網交換機與現場中的通信服務器或通信網關進行數據交換。
通信層除了有一個工業以太網交換機外，還在每個設備層總線分支處設立了一個通信服務器或網關，用來將現場的總線協議轉為以太網協議。在保護裝置分支中還使用了ACRHMI通信管理機，ACRHMI是用于實現配電系統的通信處理和設備管理的智能通信單元，其選用了一塊12.1寸高亮度TFT真彩觸摸屏，使用實時嵌入式操作系統（WinCE.NET）和系統工程運行軟件，具有良好的人機界面，集成了ProfiBus-DP通訊接口和TCP/IPRJ45接口，能將多種設備通過現場總線技術有機地連接起來。
現場監控層采用包括ARD系列智能馬達控制器、ACR系列多功能網絡儀表在內的具備RS485 ProfiBus-DP通訊接口的分布在配電柜上的智能可通訊設備，通過現場總線通信實現與通信網關的數據交換。
系統報價—覽表 單位：元（RMB）
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名稱 |
型號 |
單位 |
面價 |
備注 |
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監控主機 |
IPC610H/PIV2.8G/1G/120G/166x DVD/KB+MS/
D-Link530+外設 |
臺 |
8500 |
均可用戶自備，以當時市場價格為準，該報價僅供參考 |
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顯示器 |
三星19寸液晶顯示器 |
臺 |
3000 |
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三星22寸液晶顯示器 |
臺 |
3800 |
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打印機 |
HP LaserJet 1020 A4 |
臺 |
2500 |
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EPSON-LQ1600KIIIH A3 |
臺 |
4000 |
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UPS電源 |
山特C1KS |
臺 |
5000 |
|
山特C2KS |
臺 |
6500 |
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通訊線纜 |
五類線 |
米 |
4.6 |
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屏蔽雙絞線RVVP 2×1.0 |
米 |
5.6 |
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光纖（多模） |
米 |
6.6 |
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通訊機柜 |
1200×600×600 |
面 |
3000 |
|
2200×600×600 |
面 |
5000 |
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光電轉換 |
HTB-1000 |
只 |
750 |
遠距離傳輸 |
|
終端盒 |
只 |
60 |
|
尾纖 |
面 |
50 |
|
耦合器 |
面 |
50 |
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熔接點 |
個 |
50 |
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通訊轉換 |
擴展卡ACRNET-PCI/4 |
塊 |
3000 |
擴展卡 |
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串口服務器ACRNET-PORT(2口) |
只 |
3000 |
串口服務器 |
|
串口服務器ACRNET-PORT(4口) |
只 |
5500 |
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通訊前置機ACRNET-UC02(2口) |
只 |
4000 |
通訊前置機 |
|
通訊前置機ACRNET-UC04(4口) |
只 |
6000 |
|
通訊前置機ACRNET-UC08(8口) |
只 |
11500 |
|
通訊管理機ACRHMI |
臺 |
30000 |
人機界面 |
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組網設備 |
網絡交換機EDS-208 |
臺 |
3000 |
局域組網 |
|
網絡交換機EDS-408 |
臺 |
8500 |
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監控軟件 |
Acrel監控組態軟件V6.0 |
系統組態軟件
圖形組態軟件
電能管理軟件
數據庫軟件 |
套 |
3萬 |
設備數量1～10 |
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4萬 |
設備數量11～20 |
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6萬 |
設備數量21～40 |
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8萬 |
設備數量41～80 |
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10萬元以上 |
設備數量80以上 |
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雙機版 |
|
套 |
|
單機價格×1.5 |
|
數據轉發 |
每+1用戶 |
套 |
3000 |
|
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Web發布 |
每+1用戶（總用戶數≤5） |
套 |
5000 |
|
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電力儀表 |
ACR330ELH |
臺 |
4860 |
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ACR220ELH |
臺 |
4280 |
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ACR120EL |
臺 |
3580 |
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導軌式電表 |
DTSD1352 |
臺 |
2050 |
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|
DTSF1352 |
臺 |
1200 |
|
|
DDSF1352 |
臺 |
600 |
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3.3 系統功能
3.3.1 友好的人機交互界面（HMI）
標準的變配電系統具有CAD一次單線圖顯示中、低壓配電網絡的接線情況；龐大的系統具有多畫面切換及畫面導航的功能；分散的配電系統具有空間地理平面的系統主畫面。主畫面可直觀顯示各回路的運行狀態，并具有回路帶電、非帶電及故障著色的功能。主要電參量直接顯示于人機交互界面并實時刷新。
3.3.2 用戶管理
Acrel-2000智能電力監控系統軟件可對不同級別的用戶賦予不同權限，從而保證系統在運行過程中的安全性和可靠性。如對某重要回路的合/分閘操作，需操作員級用戶輸入操作口令外，還需工程師級用戶輸入確認口令后方可完成該操作。
3.3.3 數據采集處理
Acrel-2000智能電力監控系統可實時和定時采集現場設備的各電參量及開關量狀態（包括三相電壓、電流、功率、功率因數、頻率、電能、溫度、開關位置、設備運行狀態等），將采集到的數據或直接顯示、或通過統計計算生成新的直觀的數據信息再顯示（總系統功率、負荷最大值、功率因數上下限等），并對重要的信息量進行數據庫存儲。
3.3.4 趨勢曲線分析
Acrel-2000智能電力監控系統提供了實時曲線和歷史趨勢兩種曲線分析界面，通過調用相關回路實時曲線界面分析該回路當前的負荷運行狀況。如通過調用某配出回路的實時曲線可分析該回路的電氣設備所引起的信號波動情況。系統的歷史趨勢即系統對所有已存儲數據均可查看其歷史趨勢，方便工程人員對監測的配電網絡進行質量分析。
3.3.5 報表管理
Acrel-2000智能電力監控系統具有標準的電能報表格式并可根據用戶需求設計符合其需要的報表格式，系統可自動統計。可自動生成各種類型的實時運行報表、歷史報表、事件故障及告警記錄報表、操作記錄報表等，可以查詢和打印系統記錄的所有數據值，自動生成電能的日、月、季、年度報表，根據復費率的時段及費率的設定值生成電能的費率報表，查詢打印的起點、間隔等參數可自行設置；系統設計還可根據用戶需求量身定制滿足不同要求的報表輸出功能。
3.3.6 事件記錄和故障報警
Acrel-2000智能電力監控系統對所有用戶操作、開關變位、參量越限及其它用戶實際需求的事件均具有詳細的記錄功能，包括事件發生的時間位置，當前值班人員事件是否確認等信息，對開關變位、參量越限等信息還具有聲音報警功能，同時自動對運行設備發送控制指令或提示值班人員迅速排除故障。
3.3.7 五遙功能
Acrel-2000智能電力監控系統不僅能實現常規的“遙信”、“遙控”、“遙測”、“遙調”功能，還可以實現“遙設”功能。
遙信：實時對開關運行狀態、保護工作等開關量進行監視。計算機實時顯示和自動報警。
遙控：通過計算機屏幕選擇相應的站號、開關號、合/分閘等信息，并在屏幕上將選擇的開關狀態反饋出來，確認后執行，實時記錄操作時間、類型、合開關號等。
遙測：通過計算機實時對系統電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數、超限報警、頻率進行不斷地采集、分析、處理、記錄、顯示曲線、棒圖，自動生成報表。
遙調：用于有載變壓器的調壓升/降。
遙設：用于遠方修改分散繼電保護裝置的定值、控制字；以及調整各種儀表的工作狀態。
3.4 系統優點
（1）由于采用數字雙向通信，一對雙絞線或光纖完成諸多的信號傳輸功能，使得在該環節中的電纜、橋架、接線端子的用量減少到幾乎為零，因此相應的安裝工作量也大大減少。
（2）間隔層設備采用智能終端設備，電流、電壓等信號在現場就就行高精度的AD變換，再以數字量的形式送入系統中，從而省略了變送器等中間變換環節，使系統采集的信號精度大大提高，節省了投資。
（3）智能終端設備還能在間隔層實現大量的邏輯、計算功能，可將許多以前在DCS中完成的工作下放到間隔層完成，實現真正意義上的分散控制，提高了系統的可靠性，而且系統可采集的信息量大大增加，操作人員在控制室就能實現監控系統對現場設備的在線監視、診斷、校驗和參數整定。
（4）在工程建設中，由于系統組態簡單，安裝、運行、維修方便，分步調試能較快完成并及時投運。
3.5 系統部分界面
主接線圖界面
電壓、電流波形計數值顯示界面，以及棒圖、餅圖的顯示
4. 結束語
配電自動化系統采用現場總線方式進入化工廠計算機控制系統，充分發揮了智能電器的作用，改變過去只有重要電氣量才能進入計算機系統的情況，使配電自動化系統運行更加安全可靠和便于維護，同時取消變送器，減少計算機I/O卡件，減少電纜工程量，便于分步調試和投運，有利于配電自動化系統的科學運行維護，降低了投資。相信該技術會在行業內得到更廣泛的應用和深遠的發展。
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