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水轮发电机组智能控制研究 摘要 本论文首先针对水轮发电机组调节系统的时变性以及非线性特点， 主要研究了模糊p i d 控制策略的特点、神经网络p i d 控制策略的特点和 模糊神经网络控制策略的特点。并在研究控制策略的基础上，分别构建 了基于模糊p i d 控制、b p 神经网络p i d 控制和模糊神经网络p i d 控制的 水轮机调节系统模型。此外还利用m a t l a b 工具箱对几种控制方法进行了 仿真实验，并对仿真结果进行了比较分析。 本论文还针对目前我国水电站向全厂自动化过渡的形式，研究了基 于现场总线的水电站控制，重点研究了水轮机组的控制，并设计了具有 先进控制策略的智能水轮机调节器。 研究表明，与常规的固定p i d 参数的控制算法相比，引入模糊控制 和神经网络控制后水轮发电机组的调节特性得到了明显改善，并具有良 好的动态品质。仿真得到的系统响应曲线跟踪特性好，超调量小，调节过 程平稳。应用模糊神经网络实现的p i d 控制参数k p ，k i ，k d ，比单纯神 经网络取得了更好的效果，超调量相对更小，实时性更好，并且能以最 快的速度收敛。 所以，从这几种控制策略的仿真比较中，我们得出模糊神经网络是 这几种控制方法中控制效果最好的，并且具有较强的鲁棒性。模糊神经 网络控制不但解决了神经网络在智能信息处理中整个网络像一个黑匣子 的问题而且解决了模糊控制中人对控制规则描述不准确的问题。 模糊神经网络同时具有模糊逻辑易于表达人类知识的优点和神经网 络的分布式信息存储以及学习能力的优点。模糊神经网络这一方法的应 用，对于改善p i d 控制器参数整定的有效性和提高水轮发电机组的动态特 性都是有益的。 随着水电站“无人值班”的发展趋势和优化调度，经济运行要求的 提出，传统的监控设备已经越来越不能满足电力工业日益发展的需求。 现场总线技术以其先进性、实用性、可靠性、开放性的优点，必然成为 未来自动化技术发展的主流。本论文在这样的形式下做一些基于现场总 线的机组控制方面的探讨并设计基于现场总线的智能控制器，对水电站 实现自动化监控有一定的推进作用，并有望在水轮机调节系统的实际控 制中获得广泛应用。 关键词：水轮机调节，智能控制，模糊控制，神经网络，模糊神经网络， 现场总线 r e s e a r c ho ni n t e l l i g e n c e c o n t r o lo fh y d r a u l i c t u r b o g e n e r a t o rs e t s i nv i e wo ft h et i m e - v a r i a b l ea n dn o n - l i n e a rc h a r a c t e r i s t i c so fh y d r a u l i c t u r b i n eg o v e r n i n gs y s t e m ，t h i sp a p e rf i r s th a sm a i n l ys t u d i e dt h ef u z z yp i d c o n t r o lc h a r a c t e r i s t i c t h en e r v e n e t w o r kp i dc o n t r o lc h a r a c t e r i s t i ca n dt h e f u z z yn e r v en e t w o r kc x m t r o l a l g o r i t h mc h a r a c t e r i s t i c a n dt h i sp a p e rh a s c o n s t r u c t e dh y d r a u l i ct u r b i n e g o v e r n i n gs y s t e mm o d e ls e p a r a t e l yb a s e do nt h e f u z z yp dc o n t r 0 1 b pt h en e r v en e t w o r kp i d c o n t r o la n dt h ef u z z yn e r v e n e t w o r kp i dc o n t r o lb a s e do nt h er e s e a r c ho fc o n t r o ls t r a t e g yf o u n d a t i o n i n a d d i t i o n ，t h i sp a p e ra l s oh a sc a r r i e do nt h es i m u l a t i o ne x p e r i m e n tt os e v e r a l c o n t r o lm e t h o d su s i n gm a t l a bt o o l b o 墨a n dh a sc a r r i e do nt h ea n a l y s i s c o m p a r i s o n t ot h es i m u l a t i o nr e s u l t i no r d e rt ot h ep r e s e n ts i t u a t i o no ft h et r a n s i t i o no fo u rc o u n t r y h y d r o e l e c t r i cp o w e r s t a t i o nt ot h ee n t i r ef a c t o r ya u t o m a t i o n ，t h i sp a p e ra l s o h a ss t u d i e dh y d r o e l e c t r i cp o w e rs t a t i o nc o n t r o lb a s e do i lt h ef i e l db u s h a s s t u d i e dt h ew a t e rw h e e lu n i t sc o n t r o lw i t l le m p h a s i s a n dd e s i g n e di n t e l l i g e n t h y d r a u l i ct u r b i n er e g u l a t o rh a da d v a n c e dc o n t r o ls t r a t e g y 田舱r e s u l t ss h o w st h a tt h eh y d r a u l i ce l e c t r o g e n e r a t i n gu n i t sa d j u s t m e n t c h a r a c t e r i s t i ch a sd i s t i n c ti m p r o v e m e n t ，a n dh a st h eg o o dt r a c kc h a r a c t e r i s t i c a f t e ri n t r o d u c t i o nt h ef u z z yc o n t r o la n dt h en e u r a ln e t w o r kc o n t r o li n c o m p a r i s o nt ot h ec o n v e n t i o n a lf i x e dp a r a m e t e rp i d t h ea d j u s t a b l es p e e d o fs y s t e mr e s p o n s ec u r v eo b t a i n e db ys i m u l a t i o ni sq u i c ka n dt h ea d j u s t m e n t p r o c e s s i sn o tf r e q u e n tu n d u l a t i o n , v e r ys t e a d y i th a st h eq u i t eg o o d a d j u s t m e n tq u a l i t y t b j sp a p e ro b t a i n e sab e t t e re f f e c ti nt oc a l c u l a t ep i di n t h ep a r a m e t e rk p ，l ( i ，k dv a l u ea f t e rt h ef u z z yn e u r a ln e t w o r ka p p l i e d c o m p a r e dt ot h ep u r en e u r a ln e t w o r k 1 1 1 es y s t e mr e s p o n s ec u r v eh a ss m a l l e r o v e rr e l a t i v e ，b e t t e rt i m e l i n e s sa n dq u i c k e s ts p e e dr e s t r a i n i n g t h e r e f o r e ，w eo b t a i n st h ef u z z yn e u r a ln e t w o r kh a st h ew e l le f f e c ta n d t h es t r o n g e rr o b u s m e s si nt h e s ec o n t r o lm e t h o dc o n t r o l si nc o m p a r i s o nt o t h e s ek i n do fc o n t r o ls t r a t e g ys i m u l a t i o n n o to n l yt h ef u z z yn e u r a ln e t w o r k c o n t r o ls o l v e dt h eq u e s t i o no ft h en e u r a ln e t w o r kt h a tt h ee n t i r en e t w o r k l o o k sl i k ea f l i g h tr e c o r d e ri nt h ei n t e l l i g e n c e i n f o r m a t i o np r o c e s s i n g m o r e o v e rs o l v e dt h eq u e s t i o no fi n a c c u r a t ec o n t r o lr u l ed e s c r i b e db yh u m a n i nt h ef u z z yc o n t r 0 1 t h ef u z z yn e l v en e t w o r ks i m u l t a n e o u s l yh a st h em e r i to fe x p r e s s i o n e a s yo fh u m a nk n o w l e d g ei nf u z z yl o g i ca n dt h em e r i to fd i s t r i b u t i o n a l i n f o r m a t i o ns t o r a g ea n dt h el e a r n i n gc a p a b i l i t yi nn e u r a ln e t w o r k t b e a p p l i c a t i o no ft h i sm e t h o di sb e n e f i c i a lr e g a r d i n gi m p r o v e st h ev a l i d i t yo f p i dc o n t r o l l e rp a r a m e t e ri n s t a l l a t i o na n de n h a n c e st h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c o f h y d r a u l i ce l e c t r o g e n e r a t i n gu n i l a l o n gw i t l lt h eo p t i m i z e dd i s p a t c ha n de c o n o m i c a lm o v e m e n tr e q u e s t p r o p o s i n ga n dt h et e n d e n c yo f ”n o b o d yd u t y ”i nh y d r o e l e c t r i cp o w e r s t a t i o n ，t h et r a d i t i o n a lm o n i t o r i n ge q u i p m e n ta l r e a d yc a nn o tm e e tt h en e e do f t h ed a i l yf l o u r i s h e di m p r o v e m e n to f t h ee l e c t r i cp o w e ri n d u s t r y t h ef i e l db u st e c h n o l o g yw i l lb e c o m et h em a i n s t r e a m o ff u t u r e a u t o m a t i o nt e c h n o l o g i c a ld e v e l o p m e n tb e c a u s eo fi t s s o p h i s t i c a t i o n ，t h e u s a b i l i t y , t h er e l i a b i l i t ya n dt h eo p e nm e r i t u n d e rs u c hs i t u a t i o n , t h i sp a p e rm a k e ss o m ed i s c u s s i o n0 1 1t h eu n i t c o n t r o l sa n dd e s i g n si n t e l l i g e n tc o n t r o l l e rb a s e do nf i e l db u s i th a sc e r t a i n a d v a n c e m e n tf u n c t i o no na d d i n gh y d r o e l e c t r i cp o w e rp l a n ta u t o m a t i o n m o n i t o r i n ga n dh o p e f u l l yo b t a i n st h ew i d e s p r e a da p p l i c a t i o n i nt h eh y d r a u l i c t u r b i n eg o v e r n i n g s y s t e ma c t u a lc o n t r 0 1 k e yw o r d s ：h y d r a u l i ct u r b i n ea d j u s t m e n t ，i n t e l l i g e n tc o n t r o l ，f u z z y c o n t r o l ，n e u r a ln e t w o r k ，f u z z yn e u r a ln e t w o r k ，f i e l db u s 独立完成与诚信声明 本人郑重声明：所提交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独立进 行研究工作所取得的研究成果并撰写完成的。没有剽窃、抄袭等违反学术道 德、学术规范的侵权行为。文中除已经标注引用的内容外，本学位论文中不包 含其他人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北水利水电 学院或其它教育机构的学位或证书所使用过的材料。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。本人完全意识到 本声明的法律后果由本人承担。 学位论文作者签名：杏穷疹签字日期：如7 彳 保证人( 导师) 签名：辟坂 签字日期岬多 学位论文版权使用授权书 本人完全了解华北水利水电学院有关保管、使用学位论文的规定。特授权 华北水利水电学院可以将学位论文的全都或部分内容公开和编入有关数据库提 供检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段复制、保存、汇编以供查阅和借 阅。l 司意学校向国家有关部门或机构送交论文原件或复印件和电子文档。( 涉密 的学位论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者签名巷方易 导师签名： 7 乏坝 j 签字日期：刀吁占彦，签字日期：弘7 孑 ， 绪论 1 1 引言 1 绪论 水轮机调节系统是一个集水力、机械、电气为一体的典型的时交、非最小相位 系统，而且又是一种参数随工况点改变而变化的非线性系统。此外，由于压力引水 系统的水流惯性、水轮发电机组各个环节的非线性特性、水轮机传递函数随工况而 改变的时变特性以及随时发生的电力系统负荷扰动使水轮机调节系统控制交得非常 复杂。 尽管人们设计了各种调节器，但算法的复杂性往往使得计算量很大，很难满足 水轮机调节系统实时性的要求，并且实现起来又比较困难，因而目前仍广泛采用常 规p i d 调节器。但是由于模型的近似性，系统本质的时变性和非线性等原因，固定 参数的常规p i d 调节器很难保证调节作用的时时最优。因此，研究和改善现有的控 制方式显得尤为重要，并具有实用价值。模糊控制( 包括基于神经网络的模糊神经 网络控制) 作为一种智能控制方式，在工业控制中逐步得到了应用。模糊控制主要 是克服由于过程本身的不确定性、不精确性和噪声带来的困难，因而在处理水轮发 电机组模型参数的不确定性、复杂性和非线性方面具有突出的优势。因此，模糊控 制技术很适合应用于水力发电机组的调节系统中。同时，针对目前水电站实现“无 人值班，少人值守”的发展趋势，对水轮机调节特点进行了分析，介绍了一种采用 p r o f i b u s 总线实现水轮机运动控制的智能控制系统，可达到带动水电厂生产管理改 革，提高水电站自动化水平的目的。 1 2 水轮发电机组控制的任务 水力发电的生产过程如图1 - 1 所示“1 ，由水轮机将水能转变为机械能，再由发电 机将机械能转变为电能，送入电力系统供给用户使用。用户除要求供电安全可靠外， 还要求电能的频率和电压保持在额定值附近的某一范围内，如频率和电压偏离额定 值过大，就会影响用户的用电质量甚至用户设备的安全。我国电力系统规定：电网 的额定频率为5 0 h z ( 赫兹) ，大电网允许的频率偏差为正负0 2 h z ；电压允许的偏差 为额定的正负7 的范围内。 目l l 水力发电过程示意 f 嘻l - 1t h eh y d r a u l i ce l e e t r o g e n e r a t i n gp r o c e s sh i n t s 电力系统的电压和频率的稳定分别取决于系统内无功与有功功率的平衡。然而 电力系统的负荷是不断变化的，存在着变化周期为几秒至几十分钟的负荷波动，其 幅值可达系统容量的2 - 3 ，而且是不可预见的”。电力系统负荷的不断变化必 然导致系统频率与电压的变化，我国曾经发生过因为频率不稳或电压不稳造成的电 网崩溃，造成了巨大损失。因此，水轮发电机组控制的基本任务就是根据负荷的变 化不断调节水轮发电机组的有功和无功功率输出，并维持机组转速( 频率) 与机端电压 在规定的范围内。在水轮发电机组控制中，机组转速与机端电压的调节相对独立， 且相互影响较小，因此可以分别对频率和电压进行控制，在水电厂，它们分别由水 轮机调速器和发电机励磁调节器来完成。所以，水轮发电机组控制就是在水轮机调 速器和发电机励磁调节器的共同作用下，维持水轮发电机组稳定运行，保证电力系 统电能的质量和供电的连续性。 与其他的发电机组相比，水轮发电机组调节速度快，有功功率调整范围大，能 够承担急剧变动的负荷。而且水轮发电机组退出运行，再度投入运行，发电改调相 或调相转发电运行都很方便，操作简单迅速，易于自动化，耗费能量少，因此适于 担当调频任务。 ， 我们从水轮发电机组控制的任务可以看出，水轮发电机组控制必须具有高度的 可靠性和响应的快速性。在负荷波动时，要求调节性能好；在出现小震荡时，要求 稳定性能好；在严重故障时，要求迅速消除故障，维持暂态稳定。因此在设计水轮 2 发电机组控制系统时，必须综合各方面的要求，进行综合考虑。 1 3 水轮机调速系统的基本任务 电力系统的频率稳定主要取决于系统内有功功率的平衡。水轮机调速系统的主 要任务就是通过不断调整水轮发电机组的有功功率的输出，并维持机组转速( 频率) 在规定的范围内，来满足发电机正常发电及电力系统安全运行的需要。水轮发电机 组运行状态与水轮机调速系统有着非常紧密的关系。一个良好的水轮机调速系统可 以保证发电机组和电力系统的安全可靠。并且可以提高发电机组和电力系统的技术 经济指标。水轮发电机组在正常运行时，主要分为单机带负荷运行和并网运行，根 据其运行工况，调速系统的作用主要为在单机带负荷运行时，调节系统的频率：在 并网运行时，调节有功功率。通过频率和有功功率的函数关系，达到控制频率的目 的。 1 控制频率 由于电力系统的负荷是时刻都在变化的，各种用电设备的启动与关闭都是随机 事件，因此必然导致系统的频率发生变化。水轮发电机一般是三相交流同步电机， 其频率厂与转速月有着严格的关系式0 1 ： 厂：旦( 卜1 ) 6 0 式中，为发电机磁极对数，发电机的磁极对数取决于发电机的结构，对已制造 好的发电机来说，是一个常数。由式1 - 1 可知发电机输出的频率与转速成正比。 因此，要保证频率在规定的范围内，就要根据电力系统负荷的变化不断地调节水轮 发电机组的有功功率输出，并维持机组转速在规定的范围内。对一台机组来说，要 使机组的转速恒定，就需使得机组的动力矩与负荷力矩相等。水力发电机组是绕轴 旋转的刚体，其运动方程： j 警2 m m s ( 1 - 2 ) 出 4 8 n 一) 式中：，一机组转动惯量( 机组转动部分的惯性力矩) ， 3 m 机组角速度，国= 竺3 0 ，行为机组转速； t 水轮机动力矩； j 发电机阻力矩( 负荷力矩) 。 口国 当i - - 0 时，即m 2 收时机组转速与电能额率不变。但心是随用电负荷的变 化而随时变化的，所以必须对水轮机动力矩进行相应地调节才能维持转速不变，否 则就会导致机组转速( 频率) 相对于额定值升高或降低，从而出现转速( 频率) 偏差。 由水轮机原理可知，水轮机动力矩的表达式为： m ：丝盟( 1 3 ) 式中，q ：通过水轮机的流量( 矿s ) ；日：水轮机净水头；，7 i ：水轮机效率；户： 水的密度( 姆m 3 ) 。 由上式可见，通过改变水轮机的流量q 、工作水头和水轮机效率，可以改 变水轮机动力矩，但在实际工程中改变工作水头和效率是十分困难的，因此，通过 导水机构改变进入水轮机的流量q ，是改变水轮机动力矩，达到m2 肘s 的目的的最 简单有效的途径。 根据负荷的变化，不断地调节水轮发电机组的有功功率输出，以维持机组频率 ( 转速) 在规定的范围内，这就是水轮机调节的基本任务。具体的要求是、当动力矩 和阻力矩不相等，转速( 频率) 出现偏差，通过调节作用使偏差快、稳、准地消除， 使机组在新的平衡状态下稳定运行。 2 控制有功功率分配 控制有功功率分配就是根据需要将机组的有功功率保持在所需要的水平。并网 后，多数机组带负荷运行，此时频率控制的作用相对降低，主要为控制有功功率的 输出。发电机组的频率随着有功功率变化的关系曲线称为静态调节特性。在稳态运 行时，近似为一条稍向下倾的直线。调节特性曲线的斜率为调差系数，记为口。，即叫 4 绪论 d 笪 。：一立 d 堑 p ， ( 1 4 ) 式中，z 为系统的额定频率；所为发电机组的频定功率；负号表示发电机组输 出功率的变化与频率的变化方向相反。 从发电机组的静态特性可知，当一台或几台机组调节频率时还会引起机组问的 变化。经过一次调整后，全系统的频率相同，但与原先的额定频率不同，而各机组 功率变化量的总和应等于负荷变化量，各机组的功率变化与系统的负荷变化量成正 比，与机组自身的调差系数成反比。机组的调差系数可以人为设定。如果一次调节 完成后系统频率变化超出允许值时，需要进行频率的二次调节，即通过调整调频电 厂的的频率给定，使机组输出功率增量完全抵偿系统的负荷变化量，则系统频率就 会恢复到额定值。 此外，水轮机调速系统还有抑制电力系统低频震荡及对机组进行各种控制( 如机 组启动、停机、工况转换、增减负荷等) 的作用。 1 4 水轮机调节的现状及发展趋势 水轮机调节系统”3 是一个典型的高阶、时变、非最小相位、参数随工况点改变而 变化的非线性系统。水轮机调速器在水电厂的应用已有很长的历史。调速器的发展 先后经历了三个阶段：机械液压型调速器、电气液压型调速器和计算机调速器“一。 早期的水轮机调速器是利用测速元件直接操作水轮机执行机构的直接作用式小型调 速器。随着技术的进步，1 9 世纪末出现了用液压元件进行功率放大的液压调速器； 2 0 世纪3 0 年代，已有相当完善的机械液压型调速器；随着电子及液压技术的进步， 2 0 世纪4 0 年代出现了电气液压型调速器。电气液压调速器发展初期，仅以电气环节 替代一些机械环节，随着电子调节器型调速器的出现，电液调速器才有了独立模式， 同以前相比，构成调速器的各个环节均得到了改善和发展。 从采用的元器件方面来看，其发展经历了电子管、晶体管和集成电路等发展阶 段。随着计算机技术的迅猛发展，计算机控制技术也逐步应用于水轮机调节系统， 5 其发展经历了z 8 0 单板机、单片机、s t d 总线、可编程工业p c 机及目前占据市场主 导的p l c 和p p c 可编程计算机调速器。计算机调速器采用先进的电子调节器式系统 结构，由转速测量单元、电子调节单元和电液执行单元组成。其特点是转速测量、 调节规律的形成和驱动导水机构的职能分别由上述三个功能单一的单元实现，其控 制规律由软件形成，这使复杂控制规律的研究和实现成为可能。 从调节规律方面来看，从比例调节发展到p i d 调节。近年来，随着计算机调速 器硬件水平的提高和控制理论的发展，水轮机调节规律的研究也取得了很大进展。 从常规p i d 调节、有级变参数p i d 发展到计算机调速器时代的连续变参数适应式p i d 调节、智能控制、自适应控制、最优p i d 控制以及预测控制和基因控制等新型控制 规律。 随着控制策略的灵活性和程序的方便性的不断进步，现代调速器扩展了许多附 加功能，有些功能是机调难以实现的。例如，在并网运行时，并不希望每台机组都 要在频率变化较小时就参加功率调整，而是把大部分机组固定在基本负荷区运行。 调速器中加入人工失灵区功能就是使频率变化较小( 在正负0 5h z 内) 时，没有调节 动作，超过人工失灵区时，才参与功率调节。为了防止机组在低效区运行，当导叶 达到一定开度时，电气装置部分不再输出使导叶开启的信号，但不妨碍输出关机信 号，即限开不限关，起到机调机械式开度限制的作用。在机组起动、并网过程中， 将网频作为调速器频率的给定基准值，当待并机组的频率达到网频值时，调节动作 停止，结合起动开度的适当整定，能加速自动准同期的过程。另外，微机调速器还 设置为跟踪功率给定。采用功率反馈、成组调节等功能。随着对水力发电机组的深 入研究，微机调速器的功能将更强大。 1 5 本文研究的意义及内容 1 5 1 本文研究的意义 由于目前广泛采用的固定参数常规水轮机p i d 调节器很难保证水轮机调节作用 的时时最优，所以本文针对水轮发电机组调节系统控制的时变、大惯性、非线性的 6 绪论 特性，分别研究了模糊p i d 控制算法、人工神经网络p i d 控制算法、模糊神经网络 p i d 算法的特点。通过构建网络模型和m a t l a b 仿真实验，表明与固定参数的常规p i d 控制算法相比，引入模糊控制、人工神经网络控制特别是模糊人工神经网络控制后， 水轮发电机组的调节特性得到了明显的改善，具有良好的跟踪特性。由于模糊神经 网络同时具有模糊逻辑易于表达人类知识的优点和神经网络的分布式信息存储以及 学习能力的优点，所以模糊神经网络的应用，更有利于改善p i d 控制器参数整定的有 效性和提高水力发电机组的动态特性。因此，研究和改善现有的控制方式显得尤为 重要，并具有实用价值。 目前我国水电站自动化技术正在向较大范围推广，电站正在向全厂自动化过渡 的过程中。随着水电站“无人值班”的发展趋势和优化调度，经济运行要求的提出， 传统的监控设备已经越来越不能满足电力工业日益发展的需求。现场总线技术以其 先进性、实用性、可靠性、开放性的优点，必然成为未来自动化技术发展的主流。 本文在这样的背景下，对基于现场总线具有先进控制策略的智能水轮机调节器做一 些相应的探讨，从而对水电站实现自动化监控有一定的推进作用，并有望在水轮发 电机组调节系统的实际控制中获得广泛应用。 1 5 2 本文研究的内容： 1 针对水轮发电机组控制的特点，分别研究了模糊p l d 控制算法、人工神经网络控 制算法、模糊神经网络控制算法的特点： 2 分别构建了模糊控制算法、人工神经网络控制、模糊神经网络的模型，并通过 m a t l a b 仿真实验，对几种控制算法进行了比较分析，通过比较证明了基于先进控制 策略的智能控制器的优越性： 3 讨论了现场总线技术特别是在机组控制中的应用； 4 对机组监控进行了分析，通过硬件部分的设备选择和网络构建以及软件部分的 程序编制，设计了基于p r o f i b u s 总线的智能水轮机控制器。 7 现场总线技术 2 1 现场总线的基本概念 2 现场总线技术 按照国际电工委员会i e c s c 0 6 5 c 的定义，现场总线是指安装在制造或过程区域 的现场装置之间、现场装置与控制室内的自动控制装置之间的一种全分散、全数字 化、智能、双向、互联、多变量、多点、多站通信的数据总线；是应用在生产现场 的测量控制设备之间及其与主站之间实现双向串行多点数字通信的信息通道。它是 一种底层控制网络。 现场总线技术是工业控制系统的新型通讯标准，是基于现场总线的低成本自动化 系统技术。现场总线技术将专用微处理器置入传统的测量控制仪表，使它们各自都 具有了数字计算和数字通信能力，并按公开、规范的通信协议，采用可进行简单连 接的双绞线等作为总线，把多个测量控制仪表连接成的网络系统，在位于现场的多 个微机化测量控制设备，如变送器、传感器、智能仪表、调节阀、基地式控制器、 记录仪、显示器、p l c 与远程监控计算机之间，实现数据传输与信息交换，形成各 种适应实际需要的自动控制系统。简而言之，它把各个分散的测量控制设备变成网 络节点，以现场总线为纽带，把它们连接成可以互相沟通信息、共同完成自控任务 的网络系统和控制系统。它给自动化领域带来的变化，正如众多分散的计算机被网 络连接在一起，使计算机的功能、作用发生巨大变化* 一。 2 2 现场总线技术的产生、现状与发展趋势 2 2 1 现场总线技术的产生 现场总线是2 0 世纪8 0 年代中期在国际上发展起来的作为过程自动化、制造自 动化、楼宇、交通等领域现场设备之间的互连通信网络。随着微处理器与计算机功 能的不断增强和价格的急剧降低，计算机和计算机网络系统得到迅速发展，而处于 生产过程低层测控自动化系统，采用一对一连线，用电压、电流的模拟信号进行测 8 现场总线技术 量控制，或采用自封闭的集散系统，难以实现设备之间及系统与外界之间的信息交 换，使自动化系统成为“信息孤岛”。要实现整个企业的信息集成，要实现综合自动 化，就必须设计出一种能在工业现场环境运行的、性能可靠、造价低廉的通信系统， 形成工业底层网络，完成现场自动化设备之间的多点数字通信，实现底层现场设备 之间以及生产现场与外界的信息交换。现场总线就是在这种需求的驱使下应运而生 的。它沟通了生产过程现场控制设备之问及其与更高控制管理层之间的联系，为彻 底打破自动化系统的“信息孤岛”创造了条件。 2 2 2 现场总线技术的现状 现场总线技术已经出现很多年了，它目前的状况如下”“1 ： 1 多种总线共存。每种总线都力图拓展其应用领域，以扩张其势力范围。在一 定应用领域中已取得良好业绩的总线，往往会进一步根据需要向其他领域发展； 2 每种总线都以一个或几个大型跨国公司为背景，公司的利益与总线的发展息 息相关，如p r o f i b u s 以s i e m e n s 公司为主要支持，c o n t r o t n e t 以r o c k w e l l 公司为主要 背景，w o r l d f i p 以a l s t o m 公司为主要后台； 3 、大多数总线都成立了相应的国际组织，力图在制造商和用户中创造影响以取 得更多方面的支持，同时也想显示出其技术是开放的。大多数设备制造商都积极参 加不止一个总线组织； 4 每种总线大多将自己作为国家或地区标准，以加强自己的竞争地位。现在的 情况是：p - n e t 已成为丹麦标准，p r o f i b u s 己成为德国标准，w o r l d f l p 已成为法国标 准。上述3 种总线于1 9 9 4 年成为并列的欧洲标准，其他总线也都行成了各组织的技术 规范： 5 、以太网的引入成为新的热点。以太网正在工业自动化和工程控制市场上迅速 增长，几乎所有远程i o 接口技术的供应商均提供一个支持t c p i p 协议的以太网接 口，如s i e m e n s ，r o c k w e l l ，g ef a n u c 等，他们销售各自的p l c 产品。但同时提供与 远程i 0 和基于p c 的控制系统相连接的接口。 9 现场总线技术 2 2 3 现场总线技术的发展趋势 但随着基于现场总线的产品和应用的不断增多，虽然现场总线的标准统一还有 种种问题，但现场总线的思想已经日益深入人心，现场总线系统的发展己经是一个 不争的事实。现场总线技术的具体发展趋势表现在以下几个方面： 1 现场总线控制系统是全面数字化、网络化的控制系统。这体现在位于现场的 传感器、执行器一级也全部实现数字化、智能化，他们彼此之间以及与控制器之间 通过现场总线构成工业现场的局域网络，进而连接到上层控制网、管理网甚至互联 网，形成一个无所不在的网络系统，信息可以在现场、车间、工厂、公司总部之间 自由流动； 2 现场总线控制系统的网络结构向简单的方向发展。早期的m a p 模型由七层组 成，现在r o c k w e l l 公司提出了3 层结构化自动化，f i s h e r r o s e m o u n t 公司提出了2 层 自动化，还有的公司甚至提出l 层结构，由以太网一通到底。目前比较能达成共识的 是3 加2 结构：3 层设备是位于底层的现场总线设备，如传感器、执行器，以及各种分 布式i o 设备等：位于中间的控制设备，如p l c ，工业控制计算机、专用控制器等： 位于上层的是操作设备，如操作站、工程师站、数据服务器、一般工作站等。2 层网 络是现场设备与控制设备之间的控制网，以及控制设备与操作设备之间的管理网； 3 现场总线控制系统大量采用成熟的、开放的、通用的技术。如在管理网的通 信协议上，越来越多的企业采用最流行的t c p i p 协议加以太网，操作设备一般采用 工业p c 机，控制设备一般采用标准的p l c 或者是工业控制计算机等，而控制网络就是 各种现场总线的应用领域。 现场总线技术传入中国已经好几年了，前几年我们主要是了解学习和宣传，然 后开始开发和应用，目前国内现场总线的发展趋势是： 1 多种现场总线在国内展开激烈竞争，竞争的重点是应用工程； 2 国内自己开发的现场总线产品开始投入市场； 3 国内各行业的现场总线应用工程迅速发展。 由此可见，新兴的现场总线控制系统与传统的控制系统( 如d c s ，p l c ) 之间并不 是完全取而代之的关系，而是继承、融合、提高的关系。现场总线的发展很快，我 1 0 现场总线技术 国在现场总线的开发和应用方面都紧跟了世界潮流，其发展速度超出预料，是大有 希望的事业。例如现场总线控制系统与d c s 之间结构有相似之处，但在底层用现场总 线取代了传统的( 4 2 0 l i l a ) 信号，就使功能上发生了重大变化。 2 3 现场总线的技术特点 现场总线系统在技术上具有以下特点： 1 系统的开放性 开放是指对相关标准的一致性、公开性、强调对标准的共识和遵从。所谓开放 系统，是指它可以与世界上任何地方遵守相同标准的其他设备或系统连接，通讯协 议一致公开，各不同厂家的设备之间可实现信息交换。现场总线开发者就是要致力 于建立统一的工厂底层网络的开放系统。用户可按自己的需要和考虑，把来自不同 供应商的产品组成大小随意的系统，通过现场总线构筑自动化领域的开放互联系统。 2 互可操作性和互用性 互可操作性是指不同厂商的控制设备不仅可以互相通讯，而且可以统一组态， 实现统一的控制策略和“即插即用”，不同厂商的性能相同的设备可以互换。互用 性是指不同生产厂家、性能类似的设备可实现相互替换，这给生产设备的维护带来 极大便利。 3 现场设备的智能化与功能自治性 由于现场总线系统将传感、测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到 现场设备与仪表中完成，因此现场设备可完成基本的自动控制功能，可自诊断运行 状态。 4 系统结构的高度分散性 现场设备本身属于智能化设备，具有独立自动控制的基本功能，从而从根本上 改变了集散控制系统的集中与分散相结合的体系结构，形成了一种全新的分布式控 制系统，实现了控制功能的彻底分散，提高了控制系统的可靠性，简化了控制系统 的结构。现场总线与上一级网络断开后仍可以维持底层设备的正常独立运行，其智 能程度大大加强。 现场总线技术 5 现场设备的高度智能化 传统的集散型控制系统使用相对集中的控制站，其控制站由c p u 单元和输入输 出单元等组成。现场总线控制系统则将集散型控制系统的控制站功能彻底分散到现 场控制设备，仅靠现场总线设备就可以实现自动控制的基本功能，如数据采集与补 偿、p i d 运算和控制、设备自校验和自诊断等功能。系统的操作员可以在控制室实现 远程监控、设定或调整现场设备的运行参数。还能借助现场设备的自诊断功能对故 障进行定位和诊断。 6 对环境的高度适应性 现场总线是专为工业现场设计的，它可以使用双绞线、同轴电缆、光缆、电力 线和无线的方式传送数据，具有很强的抗干扰能力。常用的数据传输线是廉价的双 绞线。现场总线还允许现场设备利用数据通讯线进行供电，能满足本身安全防爆的 要求。 2 4 常用现场总线介绍 现场总线技术发展迅速，目前已开发出的有4 0 多种现场总线。其中比较有影响 力的有如下几种哪： 1 基金会现场总线( f f ) 基金会现场总线由美国仪器协会( i s a ) 于1 9 9 4 年推出，主要应用于石油化工、 连续工业过程控制中的仪表。分为h l 和h 2 两种通信速率，h l 的速率为3 1 2 5 k b p s 、 通信距离为1 9 k m ，可支持总线供电和本质安全防爆环境，h 2 的传输速率为1 m b p s 和 2 5 m b p s 两种，通信距离为7 5 0 m 和5 0 0 m 。目前，低速总线已进入实用，高速总线正在 被增强的t c p i p 协议所取代。f f 总线包括f f 通信协议，i s o 模型中的2 7 层通信协议 的通栈，用于描述设备特性及操作接口的d d l 设备描述语言，设备描述词典，用于实 现测量、控制工程量转换的应用功能块，实现系统组态管理功能的系统软件技术以 及构筑集成自动化系统、网络系统的系统集成技术。f f 总线的特色是其通讯协议在 i s o 的o s i 物理层、数据链路层和应用层3 层之上附加了用户层，通过对象字典和设备 语言实现可互操作性。 1 2 现场总线技术 2 c a n 总线 c a n 总线最早是由德国b o s c h6 公司于1 9 9 3 年推出，主要用于汽车内部测量与执 行部件之间的数据通讯。其总线规范己被i s o 国际标准组织制定为国际标准，它也是 基于o s i 模型，但进行了优化，采用了其中的物理层、数据链路层、应用层，提高了 实时性。其节点有优先级设定，支持点对点、一点对多点、广播模式通信。各节点 可随时发送信息。传输介质为双绞线，通信速率于总线长度有关。c a n 总线采用短 信息报文，每一帧有效字节数为8 个，当节点出错时，可自动关闭，抗干扰能力强， 可靠性高。 3 l o n w o r k s 总线 l o n w o r k s 由美国e c h e l o n 公司于1 9 9 1 年推出，主要用于楼字自动化、工业自动化 和电力行业等。它采用l o n t a l k 通信协议，该协议遵循i s o o s i 参考模型，它提供了 o s i 所定义的全部7 层服务，在所有现场总线中，这是独一无二的特色。l o n t a l k 协议 的介质访问协议对c s m a 作了改进，采用一种称作p r e d i c t i v ep - p e r s i s t e n tc s h a 的 新协议。l o n w o r k s 可以构成总线型、星型、环型和混合型等典型的网络结构，能实 现网络拓扑结构的自由组合，可以通过网关实现不同现场总线的互连。 4 h a r t 总线 h a r t ( h i g h w a ya d d r e s s a b l er e m o t et r a n d u c e r 可寻址远程传感器数据通路) 由 美国r o s e m o u n t 公司于1 9 8 9 年推出，主要应用于智能变送器。姒r t 为一过渡性标准， 它通过在4 2 0 m a 电源信号线上叠加不同频率的正弦波来传送信号，从而保证了数字 系统和传统模拟系统的兼容性，预计其生命