基于现场总线的电动执行机构在火电厂的应用

    前言

    近年来，随着信息技术和自动化技术的发展，控制系统发生了新的变革，现场总线就是顺应这一形势发展起来的新技术[1]。现场总线（Fieldbus）是近年来迅速发展起来的一种工业数据总线，它主要解决工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题。由于现场总线简单、可靠、经济实用等一系列突出的优点，它已成为当前自动化技术的热点之一，而现场总线电动执行机构则为现场总线的出现和应用奠定了基础。

    目前，基于现场总线的电动执行机构种类很多，现场总线类型中适合过程自动化的主要有三种即FF（基金会现场总线）、PROFIBUS和WORLDFIP。PROFIBUS由三个兼容部分组成，PROFIBUS-DP、PROFIBUS-PA、PROFIBUS-FMS。其中PROFIBUS-DP是一种高速低成本通信系统，用于设备级控制系统与分散式I/0的通信；PROFIBUS-PA专为过程自动化设计，可使变送器与执行机构、驱动装置连接在一根总线上并提供本质安全和总线供电特性。PROFIBUS作为一种国际性的开放式现场总线，既可用于自动化系统与现场信号单元的通讯，也可用于连接带有智能卡件的执行机构等现场设备；WorldFIP为世界工厂仪表协议（World Factory lnstru-ment Protoc01），在仪表行业得到了广泛的应用。基金会现场总线FF总线是以FISHER-ROSEMOUNT公司为首联合80家公司制定的ISP协议和以HONEYWELL公司为首联合欧洲150家公司制定的WORLDFIP协议。

    总线系统必须采用专用的软件功能模块来完成人—机对话。SIEMENS公司在执行机构上采用的是SIMATICS7-400系统中的SIPPOS5软件。SDA公司的AS执行机构上采用的是SMARTMANAGER软件。

    一、现场总线执行机构的特点

    当智能电动执行机构与现场总线连接时，它就成了现场总线控制系统（FCS）中的一块现场仪表，现场总线执行机构具有如下特点：

    （1）智能通信、智能控制。智能电动执行机构利用微机技术和现场通信技术，实现双向通信、PID调节、在线自动标定、自校正与自诊断等多种控制技术要求的功能，有效提高控制水平。

    （2）机电一体化新型智能化电动执行机构将伺服放大器与执行机构合为一体，驱动电路应用功能强大的集成模块，结构简单，控制性能好。

    （3）增设了行程保护、过力矩保护、电动机过热保护、断电信号保护、输出现场阀位指示和故障报警等功能。对开关次数、力矩关断次数、电动机运行时间、控制单元工作时间等重要的运行数据进行监控、储存和累计处理。控制策略更为先进，先进的控制方法有利于解决电机的惯性问题，实现准确定位，提高控制精度。

    （4）具有现场总线接口。

    二、基于现场总线的电动执行机构在应用中的优势

    由于电动执行机构直接控制着机组的运行过程，影响着火电厂的安全与经济运行，因此研究、分析现场总线电动执行机构有十分重要的意义]，现场总线电动执行机构与普通电动执行机构相比，在火电厂具有以下的优势：

    （1）现场使用的辅助设备少，系统成本低，便于现场检修和调试。传统的执行机构至少7～14根控制线才能将执行机构的参数传递到控制系统的控制模板上，还需要在控制装置附近安装转换控制柜，用于中途或现场的控制。而采用总线通讯方式，一个环路中的所有执行机构被一根屏蔽双绞线串联起来，完全取代传统的十四线制。当需要增加执行机构时，只需一根双绞线和上级控制装置的一个串口，并不需要对每个执行机构都单独使用一根多芯电缆，即使是在冗余的情况下，也仅需要两根电缆4根线，且无须任何隔离和转换以及输入输出模块，同时减少了大量的信号电缆、配电柜等硬件，也减少了大量的人为错误和系统故障。

    （2）由于采用全数字式，可靠性高。执行机构采用现场总线，其输出为数字信号，不仅减少了信号转换过程中的损失，增加了抗干扰能力，而且所传递信号的质量也是非常稳定可靠。

    （3）具有双向通讯功能、自校正、自诊断等功能，操作维护十分方便。当采用了现场总线的执行机构或它所控制的设备出现问题时，系统能够及时地给予识别，将该节点从整个系统中脱开，以维持整个系统的稳定。操作人员在控制室即可对现场执行机构进行参数设置、功能组态，进行故障诊断和事故预测、实施状态维修。

    （4）可实现远程编程、操作和诊断。当执行机构在现场出现一些无法解决的难题时，设备厂家就可以通过总线接口来进行远程通信、实施远程会诊，厂家不必到现场，就可以提供远程技术支持。

    三、现场总线执行机构在火电厂应用中的注意事项

    对于采用现场总线的电动执行机构，应充分考虑火电厂自动控制系统的特点和现场总线电动执行机构的优势，在火电厂应用中的注意事项如下：

    （1）现场总线电动执行机构的通信协议必须与控制系统的通信协议相匹配，这是实现局部现场总线控制系统的基本条件（如选用PROFIBUS现场总线控制系统，则电动执行机构中也必须选用相应的PROFIBUS现场总线）。

    （2）现场总线电动执行机构物理地址的设定必须与控制器中的地址相对应，以防止产生作为被控对象的不同电动执行机构的误动和拒动，给安全生产带来严重后果。

    （3）在电动执行机构应用较多的火电厂辅助系统，比如水系统中的工业水、消防水、废水和单元机组中的开、闭式水系统，物理位置相对分散，且多为顺序控制、联锁或单参数调节。

    （4）提高运行维护人员的专业知识，做好数据管理以防偶发故障。

    四、产品与发展趋势

    德国西博思电动执行机构有限公司推出的变频智能型电动执行机构—SIPOS5Flash系列，它采用简单的模块化结构，通过增加少量必要的模块，可使其适用于各种控制模式—从简单的开关控制到PROFIBUS通讯，它具有开放的控制接口，可以各种控制系统兼容。德国AUMA公司推出的AUMAMATIC的电动执行机构，它将电机一体化控制单元于电动执行器组合到一起，对其配置的修改变得非常容易。

    ROTORK（罗托克）生产的IQ系列智能化电动执行机构，独有的双密封系统和红外线非侵入式设定使它可用在任何环境中，防水防爆。德国Hartmann&Braum公司新一代产品智能电动执行机构MOE700实现了智能式电子一体化，变频变速定位，监控等功能。

    随着微处理技术、通信技术、自动化仪表技术的迅猛发展，电动执行机构将进一步发展，其趋势可归纳为：机电一体化结构逐步取代组合式结构；智能化控制技术逐步取代纯电子控制技术；带通信技术的逐步取代不带通信技术；数字控制方式逐步取代传统的模拟控制方式；用控制技术逐步取代纯电子控制技术；运用红外遥控的非接触调试技术，逐步取代接触式手动调试技术等。

    五、结束语

    基于现场总线的电动执行机构不仅具有执行机构功能，还具有控制、运算和通信等功能。通过现场总线控制系统能实现大量现场设备的诊断和维护等管理信息的采集和对现场设备的实时在线的状态检测和故障预诊断，发挥现场总线控制系统的设备管理优势，有利于提高现场设备健康水平，保证机组长周期运行，基于现场总线的电动执行机构是火电厂发展的必然趋势，它在火电厂自动控制系统中具有广泛的应用前景。