摘 要：本文論述了傳統(tǒng)的電氣與智能化在工程實(shí)踐中的廣泛應(yīng)用，并指出現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)和嵌入技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：電氣與智能化；總線技術(shù)；嵌入技術(shù)

1 傳統(tǒng)的電氣與智能化

在傳統(tǒng)的工程項(xiàng)目中，電氣技術(shù)主要涉及由電氣設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載的供配電控制、保護(hù)和計(jì)量，通常由分立的、物理的機(jī)電設(shè)備來完成。智能化技術(shù)主要涉及實(shí)現(xiàn)用戶對(duì)使用的控制和管理的需要，通常由儀表、執(zhí)行器、控制器、計(jì)算機(jī)、控制網(wǎng)絡(luò)和軟件來實(shí)現(xiàn)這些功能。電氣設(shè)備和智能化系統(tǒng)是由電纜或信號(hào)線聯(lián)結(jié)起來的。

典型的智能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)一般分設(shè)3級(jí)：操作管理級(jí)、控制級(jí)和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備級(jí)，通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的通信，如圖1所示。電氣部分在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備級(jí)與智能控制系統(tǒng)相連接。

操作管理級(jí)由計(jì)算機(jī)、軟件平臺(tái)、網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，完成系統(tǒng)的操作、監(jiān)視、報(bào)警、記錄、存儲(chǔ)、報(bào)表生成等管理功能和對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的編程功能。常用的設(shè)備有工業(yè)PC機(jī)、PC機(jī)等；軟件為專業(yè)智能化組態(tài)軟件，如Intellution公司的iFIX、Wonderware公司的In Touch、Siemens公司的WinCC、Rockwell的RSView32，遵守標(biāo)準(zhǔn)IEC1131-3，提供操作管理人員介入系統(tǒng)的手段，不受時(shí)間、地點(diǎn)的限制；控制網(wǎng)絡(luò)目前用得較多的是工業(yè)以太網(wǎng)、DH+、Control Net、Device Net、MB+等。

控制級(jí)由控制器系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，完成系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的采集、處理和控制的功能，常用的有可編程序控制器（PLC）產(chǎn)品，過程控制產(chǎn)品等，如A-B公司的PLC-5、Siemens的S7-400、Schneider的Modicon TSX Quantum等，其基本配置有CPU模塊、網(wǎng)絡(luò)通信模塊、I/O模塊、電源模塊、底板等。

現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備級(jí)由各種電氣設(shè)備構(gòu)成，作用是為控制級(jí)提供系統(tǒng)的輸入/輸出（I/O）信號(hào)、就地控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的保護(hù)等。主要有高低壓變配電設(shè)備、電氣設(shè)備就地控制裝置等電氣設(shè)備和一次儀表、執(zhí)行器、變頻器等儀表裝置。

（1）電氣的工程實(shí)踐內(nèi)容：

①根據(jù)用電設(shè)備的用電負(fù)荷、負(fù)荷特點(diǎn)、用電設(shè)備的分布情況和供電情況等，進(jìn)行高低壓變電和配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)、用電設(shè)備的一次電氣設(shè)計(jì)。

②根據(jù)供電的條件、要求和用電設(shè)備的要求和特點(diǎn)對(duì)高低壓變配電系統(tǒng)進(jìn)行二次計(jì)量、保護(hù)和控制的設(shè)計(jì)。

③根據(jù)工藝控制要求、智能控制系統(tǒng)的要求，對(duì)用電設(shè)備的二次控制回路、現(xiàn)場(chǎng)就地控制裝置等進(jìn)行設(shè)計(jì)。

④對(duì)電纜敷設(shè)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

⑤施工階段進(jìn)行電纜的敷設(shè)、連接和對(duì)電氣設(shè)備的安裝調(diào)試。

（2）智能化的工程實(shí)踐內(nèi)容：

①根據(jù)使用要求、被控電氣設(shè)備與工藝流程的相關(guān)性、被控電氣設(shè)備的可靠性和被控電氣設(shè)備的分布情況等，對(duì)智能控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

②確定智能控制系統(tǒng)的信號(hào)種類和規(guī)模數(shù)量，即確定系統(tǒng)的輸入/輸出（I/O）信號(hào)，對(duì)智能控制系統(tǒng)進(jìn)行硬件配置設(shè)計(jì)。

③對(duì)高低壓變配電系統(tǒng)的各個(gè)現(xiàn)場(chǎng)控制裝置明確需求條件（信號(hào)和性能）、明確各個(gè)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量?jī)x表和一次執(zhí)行裝置的位置。

④對(duì)系統(tǒng)I/O信號(hào)的位號(hào)編制。

⑤根據(jù)工藝要求，進(jìn)行自控系統(tǒng)控制流程框圖的設(shè)計(jì)。

⑥對(duì)電纜敷設(shè)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

⑦根據(jù)設(shè)計(jì)內(nèi)容實(shí)現(xiàn)智能控制系統(tǒng)軟件配置設(shè)計(jì)。

⑧施工階段進(jìn)行電纜的敷設(shè)、連接，對(duì)各個(gè)現(xiàn)場(chǎng)儀表、一次執(zhí)行裝置和系統(tǒng)硬件設(shè)備的安裝調(diào)試、軟件編制、系統(tǒng)功能調(diào)試等。

電氣和智能化的工程實(shí)踐活動(dòng)是平行進(jìn)行的，在過程中互提測(cè)控條件，在確定本系統(tǒng)內(nèi)容時(shí)，落實(shí)和確認(rèn)對(duì)方的條件內(nèi)容。電氣和智能化在工程實(shí)踐中界限清晰，分別由電氣和智能化的工程技術(shù)人員依據(jù)統(tǒng)一的現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)一的控制和管理原則，根據(jù)設(shè)計(jì)和施工標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)程規(guī)范進(jìn)行，協(xié)調(diào)完成整個(gè)的工程調(diào)試和運(yùn)行活動(dòng)。

2 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的發(fā)展

從目前對(duì)智能控制系統(tǒng)的分散控制、集中管理的要求和對(duì)智能控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化、信息化的要求，使得現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)得到了發(fā)展和應(yīng)用?，F(xiàn)場(chǎng)總線是一種用于智能化現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和智能化系統(tǒng)之間的全數(shù)字、串行、雙向、多站的通信網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的應(yīng)用，通過一根通信電纜將所有現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備由具有某種通信協(xié)議的通信接口連接起來，使在設(shè)備層傳遞的不再是I/O信號(hào)，而是基于現(xiàn)場(chǎng)總線的數(shù)字化通信。把I/O通道分散到實(shí)際需要的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備附近，使安裝和布線的費(fèi)用減少到最小，實(shí)現(xiàn)了徹底的分散控制，如圖2所示。

從系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上看，以現(xiàn)場(chǎng)總線為通信媒介，只分為操作管理層和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備2個(gè)層面。系統(tǒng)廢除了DCS系統(tǒng)的控制站、I/O元件和信號(hào)轉(zhuǎn)換器，將控制站的功能轉(zhuǎn)移到網(wǎng)絡(luò)的智能設(shè)備中，從而構(gòu)成虛擬控制站，通過現(xiàn)場(chǎng)總線儀表就可構(gòu)成控制回路。由于標(biāo)準(zhǔn)化的現(xiàn)場(chǎng)總線具有開放的通信接口，允許用戶選用不同制造商生產(chǎn)的分散I/O裝置和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，使現(xiàn)場(chǎng)總線的應(yīng)用日益普遍。目前應(yīng)用較廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線有FF，Lonworks，F(xiàn)IP，Profibus，CAN，以及用于模擬儀表向數(shù)字化儀表過渡的HART協(xié)議等。常用的有Siemens的PCS7、羅斯蒙特的DeltaV系統(tǒng)等。

現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用使得電氣系統(tǒng)的高低壓變配電裝置中的綜合保護(hù)控制器（Protective Relays）、綜合電量計(jì)算器（Metering Devices）、智能空氣斷路器（ACB）、電動(dòng)機(jī)控制中心（MCC）的軟起動(dòng)器、變頻器的可控硅觸發(fā)數(shù)字控制器等實(shí)現(xiàn)了與控制處理器、通信裝置的一體化結(jié)構(gòu)和功能，這些電氣設(shè)備在同一總線通信協(xié)議基礎(chǔ)上與現(xiàn)場(chǎng)過程儀表、閥門電動(dòng)裝置調(diào)節(jié)控制器、PLC控制器等直接與計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的數(shù)據(jù)通信，使得測(cè)量和控制徹底地分散于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層。

系統(tǒng)從分散控制發(fā)展到現(xiàn)場(chǎng)控制，將控制功能分散到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，使控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)趨于扁平化。

電氣和智能化的工程運(yùn)行活動(dòng)是平行并交叉進(jìn)行的，在過程中互相滲透、交融，合二為一，電氣與控制、電氣設(shè)備與儀表徹底一體化。由工程技術(shù)人員依據(jù)統(tǒng)一的現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)一的通信協(xié)議、統(tǒng)一的控制和管理原則，根據(jù)設(shè)計(jì)和施工標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)程規(guī)范進(jìn)行，完成整個(gè)工程實(shí)踐活動(dòng)。

3 嵌入技術(shù)的發(fā)展

隨著嵌入技術(shù)的發(fā)展和以太網(wǎng)的廣泛應(yīng)用，基于Ethernet的工業(yè)控制系統(tǒng)便應(yīng)運(yùn)而生（見圖3）?；贓thernet的工業(yè)控制系統(tǒng)使網(wǎng)絡(luò)成為透明的、覆蓋整個(gè)企業(yè)范圍的應(yīng)用實(shí)體，代表了新一代控制系統(tǒng)的必然趨勢(shì)。

Ethernet貫穿整個(gè)系統(tǒng)的各個(gè)層次，使現(xiàn)場(chǎng)級(jí)、控制級(jí)、管理級(jí)在垂直層面得以方便集成，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)得到實(shí)質(zhì)性的簡(jiǎn)化，通過授權(quán)IP地址，用戶可在任意Internet終端上實(shí)現(xiàn)對(duì)被控設(shè)備的訪問、控制和組態(tài)編程。

利用嵌入技術(shù)使Ethernet到達(dá)傳感器和執(zhí)行器，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)的連接。具有遠(yuǎn)程瀏覽功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)程現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)控，并將設(shè)備診斷技術(shù)與信息技術(shù)相結(jié)合，用網(wǎng)絡(luò)化遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備上建立狀態(tài)檢測(cè)點(diǎn)，在設(shè)備出現(xiàn)異常時(shí)，網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)測(cè)點(diǎn)會(huì)通過網(wǎng)絡(luò)傳呼機(jī)、電子郵件等方式及時(shí)向工程師發(fā)出報(bào)警信息，對(duì)異常現(xiàn)象作出響應(yīng)。

從現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的發(fā)展和對(duì)電氣或智能化現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備性能要求上，未來嵌入式控制裝置在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備上的應(yīng)用將越來越廣泛，而現(xiàn)場(chǎng)總線的通信協(xié)議種類必將越來越少，趨于更統(tǒng)一和更標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)場(chǎng)總線上的全部節(jié)點(diǎn)設(shè)備為分布式結(jié)構(gòu)。智能化、分布式、扁平化、開放性的基于Ethernet的工業(yè)控制系統(tǒng)將是構(gòu)成生產(chǎn)過程和生產(chǎn)管理系統(tǒng)的主要形式，其快速、高效、可靠、低成本、數(shù)據(jù)共享和故障點(diǎn)減少的特點(diǎn)在工程實(shí)踐中將產(chǎn)生顯著效益。

4 電氣和智能化在工程中的交融性

隨著現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)和嵌入技術(shù)的發(fā)展，電氣和智能化的工程實(shí)踐活動(dòng)將完全互相滲透、交融，合二為一，并與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)合為一體。軟件技術(shù)及其應(yīng)用，將決定一個(gè)系統(tǒng)的性能和效果。

鑒于目前的高低壓變配電系統(tǒng)設(shè)備中具有嵌入式控制裝置，用電設(shè)備就地控制設(shè)備中具有PLC控制器和現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的應(yīng)用，電氣和智能化的交融、一體化體現(xiàn)在下述的電氣與智能化工程實(shí)踐活動(dòng)的合二為一。

（1）根據(jù)用電設(shè)備要求、工藝控制要求進(jìn)行高低壓變配電系統(tǒng)、負(fù)載設(shè)備的一次電氣設(shè)計(jì)。

（2）根據(jù)供電方條件、要求和負(fù)載要求和特點(diǎn)進(jìn)行高低壓變配電系統(tǒng)二次計(jì)量、保護(hù)、控制的控制流程框圖設(shè)計(jì)。

（3）根據(jù)工藝控制要求和智能控制要求，進(jìn)行配電系統(tǒng)末端的負(fù)載的就地控制裝置的控制流程框圖設(shè)計(jì)。

（4）根據(jù)工藝控制要求進(jìn)行儀表、執(zhí)行器和操作管理站等系統(tǒng)的控制流程框圖設(shè)計(jì)。

（5）在操作管理站上通過組態(tài)軟件的平臺(tái)，按上述電氣、智能化系統(tǒng)的控制流程框圖內(nèi)容實(shí)現(xiàn)電氣和智能化系統(tǒng)的功能。軟件的接口標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議趨于統(tǒng)一，可以進(jìn)行在線、離線或遠(yuǎn)程狀況下的組態(tài)編程。

（6）進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的安裝、電纜敷設(shè)設(shè)計(jì)。

（7）進(jìn)行設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)及系統(tǒng)軟件的安裝、調(diào)試。

在整個(gè)的工程實(shí)踐中，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)流程和施工流程。無需傳統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)考慮集中的二次信號(hào)、計(jì)量、保護(hù)系統(tǒng)設(shè)備和智能化系統(tǒng)之間的預(yù)留互聯(lián)條件，只要按用電設(shè)備要求、工藝控制要求進(jìn)行高低壓變配電系統(tǒng)、用電設(shè)備就地控制裝置的一次電氣設(shè)計(jì)和儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)即可；施工過程中在設(shè)備安裝、電纜敷設(shè)連接后，直接進(jìn)行調(diào)試，減少了兩個(gè)專業(yè)之間的配合調(diào)試，避免了兩部分人員分頭進(jìn)行的現(xiàn)象。

整個(gè)系統(tǒng)電氣與智能化互相嵌入、完全融合，體現(xiàn)在電氣的智能化、智能控制的徹底分散化、網(wǎng)絡(luò)的扁平化和開放化。

5 結(jié)束語

隨著嵌入式控制裝置和現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，要求從事電氣與智能化的工程技術(shù)人員既具備傳統(tǒng)的電氣專業(yè)知識(shí)，又具備智能化專業(yè)知識(shí)，還要具備網(wǎng)絡(luò)知識(shí)、計(jì)算機(jī)及軟件知識(shí)。在不久的將來，通過互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，不論是設(shè)備供貨商、項(xiàng)目設(shè)計(jì)人員還是企業(yè)生產(chǎn)管理者均可對(duì)設(shè)備和生產(chǎn)流程進(jìn)行在線、離線或遠(yuǎn)程的技術(shù)支持和調(diào)試。

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