現場總線技術在火電廠輸煤系統中的應用
摘要：本文基于目前流行的現場總線技術之一 —— Lonworks總線技術，給出了火電廠輸煤系統中工況參數監測的總體框架，對模擬量、開關量智能節點給出一般性設計，形成以智能節點為單位的能實現控制、管理、監測功能的火電廠輸煤系統現場底層網絡，在此基礎上最終實現與DCS（分散控制系統）的集成。
關鍵詞：Lonworks技術 智能節點 分散控制系統 網絡集成
1、 引言
　　1991年美國Echelon公司成功推出了lonworks網絡控制系統，與當前已有的幾種現場總線技術相比，lonworks總線以其特有的突出特點：統一性、開發性以及互操作性，成為實際上的現場總線推薦標準。Lonworks總線技術的核心是neuron（神經元）芯片及其內部固件lontalk協議，它既能管理通信，又具有輸入/輸出及控制能力。此外，Echelon公司還為網絡的開發提供了強有力的開發工具，控制模板和網絡服務工具等，可以很方便地組成智能節點，并將這些節點應用于lonworks網絡中形成網絡系統。因此，該總線常被作為工業生產中檢測與控制中較為流行的總線之一。
　　輸煤系統是火電廠的重要組成部分，其安全可靠運行是保證電廠實現安全、高效不可缺少的環節。輸煤系統的工藝流程隨鍋爐容量、燃料品種、運輸方式的不同而差別較大，并且使用設備多，分布范圍廣。作為一種具有本安性且遠距離傳輸能力強的分布式智能總線網絡，lonworks總線能將監測點做到徹底的分散（在一個網絡內可帶32000多個節點），提高了系統的可靠性，可以滿足輸煤系統監控的要求。火電廠輸煤系統一般都采用順序控制和報警方式，為相對獨立的控制單元系統，系統配備了各種性能可靠的測量變送器。通過運用Lonworks現場總線技術將各種測量變送器的輸出信號接入對應的智能節點組成多個檢測單元，然后掛接在Lonworks總線上，再通過Lonworks總線與已有的DCS系統集成，實現了對輸煤系統更加有效便捷的監控。
　　2、 基于Lonworks總線火電廠輸煤系統的基本結構
　　在輸煤系統中，常用的測量變送器一般有以下幾種： （1）開關量皮帶速度變送器（2）皮帶跑偏開關（3）煤流開關（4）皮帶張力開關（5）煤量信號（6）金屬探測器（7）皮帶劃破探測（8）落煤管堵煤開關（9）煤倉煤位開關。
　　每一種測量變送器和其相對應節點共同組成智能監測單元，對需要監測的工況參數進行實時的監控。監測單元通過收發器接入Lonworks總線網絡進行通信，可根據監測到的參數進行控制和發出報警信號，系統的結構如圖1所示。

　　3、 Lonworks總線智能節點的一般設計
　　智能節點是總線網絡中分布在現場級的基本單元，其設計開發分為兩種：一種是基于neuron芯片的設計，即節點中不再包含其它處理器，所有工作均由neuron芯片完成。另一種是基于主機的節點設計，即neuron芯片只完成通信的工作，用戶應用程序由其它處理器完成。前者適合設計相對簡單的場合，后者適應于設計相對復雜的場合。一般情況下，多采用基于芯片的設計。由于智能節點不外乎輸入/輸出模擬量和輸入/輸出開關量四種形式，節點的設計也大同小異，對此本文只給出了節點設計的一般方法。
　　基于芯片的智能節點的硬件結構包括控制電路、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神經元芯片：采用Toshiba公司生產的3150芯片，主要用于提供對節點的控制，實施與Lon網的通信，支持對現場信息的輸入輸出等應用服務。
　　②片外存儲器：采用Atmel公司生產的AT29C256（Flash存儲器）。AT29C256共有32KB的地址空間，其中低16KB空間用來存放神經元芯片的固件（包括LonTalk協議等）。高16KB空間作為節點應用程序的存儲區。采用ISSI公司生產的IS61C256作為神經元芯片的外部RAM。
　　③I/O接口：是neuron芯片上可編程的11個I/O引腳，可直接與外部接口電路連接，其功能和應用由編程方式決定。
通信電路
　　通信電路的核心收發器是智能節點與Lon網之間的接口。目前，Echelon公司和其他開發商均提供了用于多種通信介質的收發器模塊。通常采用Echelon公司生產的適用于雙絞線傳輸介質的FTT-10A收發器模塊。
附加電路
　　附加電路主要包括晶振電路、復位電路和Service電路等。
　　①晶振電路：為3150神經元芯片提供工作時鐘。
　　②復位電路：用于在智能節點上電時產生復位操作。另外，節點還將一個低壓中斷設備與3150的Reset引腳相連，構成對神經元芯片的低壓保護設計，提高節點的可靠性穩定性。
　　③Service電路：專為下載應用程序設計。Service指示燈對診斷神經元芯片固件狀態有指示作用
　　節點的軟件設計采用Neuron C編程語言設計。Neuron C是為neuron芯片設計的編程語言，可直接支持neuron芯片的固化，并定義了34種I/O對象類型。節點開發的軟件設計分為以下幾步：
　　（1）定義I/O對象：定義何種I/O對象與硬件設計有關。在定義I/O對象時，還可設置I/O對象的工作參數及對I/O對象進行初始化。
　　（2）定義定時器對象：在一個應用程序中最多可以定義15個定時器對象（包括秒定時器和毫秒定時器），主要用于周期性執行某種操作情況，或引進必要的延時情況。
　　（3）定義網絡變量和顯示報警：既可以采用網絡變量又可以采用顯示報警形式傳輸信息，一般情況采用網絡變量形式。
　　（4）定義任務：任務是neuron C實現事件驅動的途徑，是對事件的反應，即當某事件發生時，應用程序應執行何種操作。
　　（5）定義用戶自定義的其它函數 ：可以在neuron C程序中編寫自定義的函數，以完成一些經常性功能，也將一些常用的函數放到頭文件中，以供程序調用。
　　4、基于Lonworks總線的火電廠輸煤系統與DCS的網絡集成
　　現場總線技術與傳統的系統DCS系統實現網絡集成并協同工作的情況目前在火電廠中尚為數不多。進一步推動火電廠數字化和信息化的發展，逐步推行現場總線技術與DCS系統的集成是火電廠工業控制及自動化水平發展的趨勢。就目前來講，現場總線技術與DCS集成方式有多種，且組態靈活。根據現場的實際情況，我們知道不少大型火電廠都已裝有DCS系統并穩定運行，而現場總線很少或首次引入系統，因此可采用將現場總線層與DCS系統I/O層連接的集成，該方案結構簡便易行，其原理如圖3所示。從圖中可以看出現場總線層通過一個接口卡掛在DCS的I/O層上,將現場總線系統中的數據信息映射成與DCS的I/O總線上的數據信息，使得在DCS控制器所看到的從現場總線開來的信息如同來自一個傳統的DCS設備卡一樣。這樣便實現了在I/O總線上的現場總線技術集成。火電廠輸煤系統無論是在規模上，還是在利用已有生產資源的基礎上，采用該方案都是可行的，同時也體現了把火電廠某些相對獨立控制系統通過現場總線技術納入DCS系統的合理性。由此可見，現階段現場總線與系統的并存不僅會給生產用戶帶來大量收益，而且使用戶擁有更多的選擇，以實現更合理的監測與控制。