現場總線控制系統實驗教學平臺的建設

馮江濤, 楊晉萍, 王 琦

(山西大學 自動化系， 山西 太原 030013)

現場總線控制系統實驗教學平臺的建設

馮江濤, 楊晉萍, 王 琦

(山西大學 自動化系， 山西 太原 030013)

本文介紹了我校構建的以PROFIBUS DP為主干的多現場總線共存的現場總線控制系統實驗教學平臺。內容包括：平臺的架構、總線設備集成方案及實驗教學內容。該平臺用于本科生和研究生專業課的實踐教學、科研訓練，以及教師的科研活動，提高了學生的工程實踐能力，提升了教師的實踐教學能力。

現場總線控制系統; 平臺架構; 實驗教學

0 引言

現場總線控制系統FCS(Fieldbus Control System)作為最新一代的自動控制系統，已經廣泛應用于電站輔機系統，并逐步滲透到脫硫島，甚至是主控系統[1-4]。

我校自動化專業具有鮮明的電力行業背景，主要培養電站自動化方面的專業人才。為緊跟電站自動化技術的發展，使學生及時掌握FCS在電站應用的各種技術，尤其是FCS的構建和控制功能，多現場總線共存而帶來的不同協議標準之間的網絡通信，現場總線設備的遠程管理等，我校實時調整教學計劃，依托山西省實驗教學示范中心，調配實驗室資源，構建了FCS的實驗教學平臺(以下簡稱：實教平臺)，改善實踐環境 。

1 實教平臺的架構

實教平臺建設以滿足教學需求，充分考慮行業背景和未來發展趨勢，支持工程能力訓練為原則，確定了以西門子S7-400H為控制器，以電站過程控制領域廣泛使用的PROFIBUS DP(下文簡稱DP)現場總線為主干網絡，通過網關對接PROFIBUS PA(下文簡稱PA)、HART、FF等總線，構建的基于多種現場總線的實教平臺的架構如圖1所示。

圖1 現場總線控制系統網絡架構圖

1.1實教平臺設備

實教平臺設備主要包括：

(1)支持PA協議的設備：安裝在EFAT II過程實驗裝置管道上的SITRANS P DSIII壓力變送器、SITRANS FM電磁流量計和SITART PS2智能電氣閥門定位器以及溫度變送器TH400四臺PA設備。

(2)支持FF協議的設備：安裝在另一套EFAT II管道上的壓力變送器Ceraber S、電磁電磁流量計PROMAG 53和智能電氣閥門定位器TZIDC-120三臺FF設備。

該套EFAT II還配以熱水鍋爐、高位水箱、液位水槽、循環水泵等，配置PA或FF或常規儀表等，實現過程控制。

(3)支持DP協議的驅動控制系統：配備了DP接口的MM420變頻器，控制EFAT II的水泵。

(4)支持HART協議的儀表：帶有HART接口的壓力變送器3051S。

(5)常規儀表：安裝在EFAT II裝置管道上的液位變送器、電磁流量傳感器、電動執行機構等常規儀表，對外提供4～20 mA信號。

(6)支持 DP協議的SMPT-1000設備：SMPT-1000是半實物仿真對象，它用數字化手段在小型化實物裝置上模擬實際工業裝置的各種對象特性，可以模擬電站鍋爐系統，訓練學生掌握電站鍋爐的工藝流程、設備、動態特性、控制對象等。

1.2實教平臺的設備集成

如圖1所示，實教平臺使用一對冗余控制器S7-400H用作PROFIBUS 主站， DP總線由此引出，常規儀表、HART儀表、PA儀表、FF儀表、變頻器、SMPT-1000等現場總線設備通過不同的協議轉換設備與DP總線集成。

(1)常規儀表的集成：安裝在分布式I/O ET200M中的模擬量輸入模塊SM331-7KF02-0AB0、模擬量輸出模塊SM332-5HF00-0AB0完成與常規儀表的數據傳輸。

(2)PA設備的集成：4臺PA設備分為兩組，并通過2只有源現場分配器AFD接入DP/PA LINK，圖中的現場設備代號10-13就是對應設備的地址。其中，DP/PA LINK由兩個IM153-2接口模件和2個具有診斷功能的DP/PA耦合器FDC157-0組成，后者實現DP到PA的轉換。

(3)FF設備的集成：3臺FF設備通過有源現場分配器AFD接入FF LINK。FF LINK由兩個IM153-2 FF和2個現場總線耦合器FDC157組成，后者作為DP與FF-H1之間的網關。

(4)變頻器的集成：MM420通過單DP總線接入Y-LINK。Y-LINK由兩個IM153-2接口模件和Y-Coupler組成，實現冗余DP到非冗余DP之間的網絡轉換。

(5)HART儀表的集成：安裝在ET200M中的模擬輸入模塊SM331-7TF01-0AB0完成HART儀表3051S與S7-400H的通信。

(6)SMPT-1000的集成：該對象通過PM125通訊模塊對外提供單DP接口，通過Y-LINK實現與冗余S7-400H的通訊。在控制器側對PM-125進行軟硬件配置；如安裝GSD文件、硬件組態PM-125、相應的I/O、設定各自的起始地址、軟件設置控制器與SMPT-1000之間需要通訊的參數、定義雙方收發字節數和發送的命令字等。

2 實教平臺的實踐教學

2.1實踐教學內容

針對電站自動化的應用技術，在實教平臺上可以開展專業基礎實驗、專業綜合性實踐和工程能力訓練等多項遞階實踐活動，如圖2所示。

圖2 實驗平臺的遞階實踐活動

1)專業基礎實驗

專業基礎實驗主要包括“控制網絡”課程的HART、FF、DP、PA、PROFINET等總線技術實驗，“分散控制系統”課程的系統認識、分散控制系統DCS(Distributed Control System)硬件和網絡組態、I/O接線與測試等實驗以及“低壓電器與執行器”課程的MM420變頻器的設置與使用實驗，這些實驗以理解、掌握專業理論知識為目標。

2)專業綜合性實踐

綜合性實踐主要包括“分散控制系統”課程的故障診斷及排除、DCS綜合能力訓練等綜合性實驗，以及儀表實習、過程控制系統課程設計、順序控制系統課程設計等實踐環節，它們以培養學生的綜合性實踐能力、拓寬知識面為目標。

3)工程能力訓練

工程能力訓練主要包括畢業設計、本科生科研訓練和學科競賽等環節，它們以實際工程項目的綜合控制系統設計、開發為內容，以提高知識綜合運用能力、培養工程設計開發能力和創新精神為目標。目前在實教平臺上開展了“燃煤鍋爐燃燒控制系統的研究與工程化應用”、“基于PCS7的自然循環鍋爐控制系統的設計”和“DCS與現場總線儀表通信”等項目的本科生科研訓練；此外，從2013年開始，通過在實教平臺上的訓練，我校學生連續5年參加了“西門子”杯全國大學生工業自動化挑戰賽的過程控制賽項，均取得了良好的成績。

2.2應用實例

這里以科研訓練項目“燃煤鍋爐燃燒控制系統的研究與工程化應用”為例說明。該項目首先要了解鍋爐燃燒系統的工藝過程、控制任務和動態特性，并確定被控量、控制量和控制方案，然后進行工程實施。

根據生產過程自動化的相關流程，項目實施的主要內容包括：①確定I/O信號，檢測儀表、執行機構的選型；②硬件選型及FCS構建。通過對實教平臺的重組和模塊化組合，確定系統體系結構如圖3所示；③系統組態；④控制策略組態和監控畫面組態；⑤系統調試及投運。

該項目覆蓋了自動化工程的各個關鍵環節，學生通過綜合應用所學知識經過發現問題、解決問題的訓練，啟發了科學思維方法，培養了學生的創新意識，提高了學生的工程技術能力。

圖3 FCS的體系結構

3 實教平臺的功能及特色

實踐證明，該平臺為實驗教學改革提供了良好的支撐條件。

(1)實教平臺的構建是以電站生產過程的信號檢測、信號處理和控制為主線，以先進的FCS構建為基礎，加強了電站背景自動化專業核心課程(“自動檢測技術”、“低壓電器與執行器”、“控制網絡”、“DCS”、“過程控制系統”、“順序控制系統”)之間的聯系，提高了學生培養質量。

(2)實教平臺結構開放，且采用模塊化設計，常規儀表、現場總線設備、被控對象相互獨立，可根據需要靈活選擇模塊，模擬FCS在電站的各種應用。

(3)分層次研發了基礎型、綜合型、設計型，以及創新型和探索型實驗。其中以綜合性、設計性和創新性實驗為主，適合于本科生和研究生的實驗研究、課程設計、畢業設計、科研訓練和學科競賽等，重在鍛煉學生的創新創業能力，而探索型實驗則側重于教師從事多種現場總線互聯通訊領域先進控制算法在FCS中的應用研究等課題的科學研究。

4 結語

憑借FCS實驗教學平臺提供的課內實驗、課程設計、畢業設計等綜合性進階實踐項目，學生獲得了綜合實踐的機會，達到了工程實踐的目的，逐步掌握了電站自動化的先進技術；實教平臺還用于校級科研條件的訓練、大學生創新創業項目的訓練、賽事訓練，鍛煉學生的創新創業能力；教師也可進一步發掘平臺的功能，開發出更多具有創新性和探索性的實驗，推動教學改革，也可針對現場存在的問題進行相應的科學研究，提高科研能力并將其應用到教學活動中。

(馮江濤等文)

本實教平臺下一步要解決的問題是深層次地進行現場總線設備信息的開發與利用，提升現場級設備的信息化水平，為電站運行和維護提供支持。

[1] 顏渝坪,崔逸群,王春利等.火電廠現場總線控制系統的成功應用[J].北京:中國電力,2007,40(3):56-60.

[2] 楊新民,肖勇,陳豐.現場總線技術在火電廠的應用[J].西安:熱力發電,2014,43(9):76-81,82.

[3] 王凱，袁立宏，李林章.SCR煙氣脫硝現場總線控制系統設計[J].上海:自動化儀表,2014,35(4):67-71.

[4] 宋美艷，田爽，趙江明等.現場總線控制系統在超臨界火電機組輔助車間的應用[J].西安:熱力發電,2013,42(3):98-99,105.

ConstructionofExperimentalPlatformofFieldbusControlSystem

FENGJiang-tao,YANGJin-ping,WANGQi

(AutomationDepartment,ShanxiUniversity,Taiyuan030013,China)

The experimental teaching platform of fieldbus control system based on multi-fieldbus is constructed. This article introduces the architecture of platform ,integrated technology and experimental projects. Platform is used for undergraduate and graduate students′ practice teaching of specialized course, scientific research training, and the scientific research of teacher, both students′ engineering ability and teachers′ practical teaching ability are improved.

fieldbus control system; platform structure; experiment teaching

2016-10-19;

2017-02-11

山西省教育廳教學研究項目(晉教財[2015]41號)；山西省科技廳基金項目(2015091005-0101)

馮江濤(1969-)，女，碩士，副教授，主要從事電站計算機控制的教學與研究, E-mail：fengjiangtao@sxu.edu.cn

G642.0

A

1008-0686(2017)05-0120-04