现场总线控制系统实验教学平台的建设

冯江涛, 杨晋萍, 王 琦

(山西大学 自动化系， 山西 太原 030013)

现场总线控制系统实验教学平台的建设

冯江涛, 杨晋萍, 王 琦

(山西大学 自动化系， 山西 太原 030013)

本文介绍了我校构建的以PROFIBUS DP为主干的多现场总线共存的现场总线控制系统实验教学平台。内容包括：平台的架构、总线设备集成方案及实验教学内容。该平台用于本科生和研究生专业课的实践教学、科研训练，以及教师的科研活动，提高了学生的工程实践能力，提升了教师的实践教学能力。

现场总线控制系统; 平台架构; 实验教学

0 引言

现场总线控制系统FCS(Fieldbus Control System)作为最新一代的自动控制系统，已经广泛应用于电站辅机系统，并逐步渗透到脱硫岛，甚至是主控系统[1-4]。

我校自动化专业具有鲜明的电力行业背景，主要培养电站自动化方面的专业人才。为紧跟电站自动化技术的发展，使学生及时掌握FCS在电站应用的各种技术，尤其是FCS的构建和控制功能，多现场总线共存而带来的不同协议标准之间的网络通信，现场总线设备的远程管理等，我校实时调整教学计划，依托山西省实验教学示范中心，调配实验室资源，构建了FCS的实验教学平台(以下简称：实教平台)，改善实践环境 。

1 实教平台的架构

实教平台建设以满足教学需求，充分考虑行业背景和未来发展趋势，支持工程能力训练为原则，确定了以西门子S7-400H为控制器，以电站过程控制领域广泛使用的PROFIBUS DP(下文简称DP)现场总线为主干网络，通过网关对接PROFIBUS PA(下文简称PA)、HART、FF等总线，构建的基于多种现场总线的实教平台的架构如图1所示。

图1 现场总线控制系统网络架构图

1.1实教平台设备

实教平台设备主要包括：

(1)支持PA协议的设备：安装在EFAT II过程实验装置管道上的SITRANS P DSIII压力变送器、SITRANS FM电磁流量计和SITART PS2智能电气阀门定位器以及温度变送器TH400四台PA设备。

(2)支持FF协议的设备：安装在另一套EFAT II管道上的压力变送器Ceraber S、电磁电磁流量计PROMAG 53和智能电气阀门定位器TZIDC-120三台FF设备。

该套EFAT II还配以热水锅炉、高位水箱、液位水槽、循环水泵等，配置PA或FF或常规仪表等，实现过程控制。

(3)支持DP协议的驱动控制系统：配备了DP接口的MM420变频器，控制EFAT II的水泵。

(4)支持HART协议的仪表：带有HART接口的压力变送器3051S。

(5)常规仪表：安装在EFAT II装置管道上的液位变送器、电磁流量传感器、电动执行机构等常规仪表，对外提供4～20 mA信号。

(6)支持 DP协议的SMPT-1000设备：SMPT-1000是半实物仿真对象，它用数字化手段在小型化实物装置上模拟实际工业装置的各种对象特性，可以模拟电站锅炉系统，训练学生掌握电站锅炉的工艺流程、设备、动态特性、控制对象等。

1.2实教平台的设备集成

如图1所示，实教平台使用一对冗余控制器S7-400H用作PROFIBUS 主站， DP总线由此引出，常规仪表、HART仪表、PA仪表、FF仪表、变频器、SMPT-1000等现场总线设备通过不同的协议转换设备与DP总线集成。

(1)常规仪表的集成：安装在分布式I/O ET200M中的模拟量输入模块SM331-7KF02-0AB0、模拟量输出模块SM332-5HF00-0AB0完成与常规仪表的数据传输。

(2)PA设备的集成：4台PA设备分为两组，并通过2只有源现场分配器AFD接入DP/PA LINK，图中的现场设备代号10-13就是对应设备的地址。其中，DP/PA LINK由两个IM153-2接口模件和2个具有诊断功能的DP/PA耦合器FDC157-0组成，后者实现DP到PA的转换。

(3)FF设备的集成：3台FF设备通过有源现场分配器AFD接入FF LINK。FF LINK由两个IM153-2 FF和2个现场总线耦合器FDC157组成，后者作为DP与FF-H1之间的网关。

(4)变频器的集成：MM420通过单DP总线接入Y-LINK。Y-LINK由两个IM153-2接口模件和Y-Coupler组成，实现冗余DP到非冗余DP之间的网络转换。

(5)HART仪表的集成：安装在ET200M中的模拟输入模块SM331-7TF01-0AB0完成HART仪表3051S与S7-400H的通信。

(6)SMPT-1000的集成：该对象通过PM125通讯模块对外提供单DP接口，通过Y-LINK实现与冗余S7-400H的通讯。在控制器侧对PM-125进行软硬件配置；如安装GSD文件、硬件组态PM-125、相应的I/O、设定各自的起始地址、软件设置控制器与SMPT-1000之间需要通讯的参数、定义双方收发字节数和发送的命令字等。

2 实教平台的实践教学

2.1实践教学内容

针对电站自动化的应用技术，在实教平台上可以开展专业基础实验、专业综合性实践和工程能力训练等多项递阶实践活动，如图2所示。

图2 实验平台的递阶实践活动

1)专业基础实验

专业基础实验主要包括“控制网络”课程的HART、FF、DP、PA、PROFINET等总线技术实验，“分散控制系统”课程的系统认识、分散控制系统DCS(Distributed Control System)硬件和网络组态、I/O接线与测试等实验以及“低压电器与执行器”课程的MM420变频器的设置与使用实验，这些实验以理解、掌握专业理论知识为目标。

2)专业综合性实践

综合性实践主要包括“分散控制系统”课程的故障诊断及排除、DCS综合能力训练等综合性实验，以及仪表实习、过程控制系统课程设计、顺序控制系统课程设计等实践环节，它们以培养学生的综合性实践能力、拓宽知识面为目标。

3)工程能力训练

工程能力训练主要包括毕业设计、本科生科研训练和学科竞赛等环节，它们以实际工程项目的综合控制系统设计、开发为内容，以提高知识综合运用能力、培养工程设计开发能力和创新精神为目标。目前在实教平台上开展了“燃煤锅炉燃烧控制系统的研究与工程化应用”、“基于PCS7的自然循环锅炉控制系统的设计”和“DCS与现场总线仪表通信”等项目的本科生科研训练；此外，从2013年开始，通过在实教平台上的训练，我校学生连续5年参加了“西门子”杯全国大学生工业自动化挑战赛的过程控制赛项，均取得了良好的成绩。

2.2应用实例

这里以科研训练项目“燃煤锅炉燃烧控制系统的研究与工程化应用”为例说明。该项目首先要了解锅炉燃烧系统的工艺过程、控制任务和动态特性，并确定被控量、控制量和控制方案，然后进行工程实施。

根据生产过程自动化的相关流程，项目实施的主要内容包括：①确定I/O信号，检测仪表、执行机构的选型；②硬件选型及FCS构建。通过对实教平台的重组和模块化组合，确定系统体系结构如图3所示；③系统组态；④控制策略组态和监控画面组态；⑤系统调试及投运。

该项目覆盖了自动化工程的各个关键环节，学生通过综合应用所学知识经过发现问题、解决问题的训练，启发了科学思维方法，培养了学生的创新意识，提高了学生的工程技术能力。

图3 FCS的体系结构

3 实教平台的功能及特色

实践证明，该平台为实验教学改革提供了良好的支撑条件。

(1)实教平台的构建是以电站生产过程的信号检测、信号处理和控制为主线，以先进的FCS构建为基础，加强了电站背景自动化专业核心课程(“自动检测技术”、“低压电器与执行器”、“控制网络”、“DCS”、“过程控制系统”、“顺序控制系统”)之间的联系，提高了学生培养质量。

(2)实教平台结构开放，且采用模块化设计，常规仪表、现场总线设备、被控对象相互独立，可根据需要灵活选择模块，模拟FCS在电站的各种应用。

(3)分层次研发了基础型、综合型、设计型，以及创新型和探索型实验。其中以综合性、设计性和创新性实验为主，适合于本科生和研究生的实验研究、课程设计、毕业设计、科研训练和学科竞赛等，重在锻炼学生的创新创业能力，而探索型实验则侧重于教师从事多种现场总线互联通讯领域先进控制算法在FCS中的应用研究等课题的科学研究。

4 结语

凭借FCS实验教学平台提供的课内实验、课程设计、毕业设计等综合性进阶实践项目，学生获得了综合实践的机会，达到了工程实践的目的，逐步掌握了电站自动化的先进技术；实教平台还用于校级科研条件的训练、大学生创新创业项目的训练、赛事训练，锻炼学生的创新创业能力；教师也可进一步发掘平台的功能，开发出更多具有创新性和探索性的实验，推动教学改革，也可针对现场存在的问题进行相应的科学研究，提高科研能力并将其应用到教学活动中。

(冯江涛等文)

本实教平台下一步要解决的问题是深层次地进行现场总线设备信息的开发与利用，提升现场级设备的信息化水平，为电站运行和维护提供支持。

[1] 颜渝坪,崔逸群,王春利等.火电厂现场总线控制系统的成功应用[J].北京:中国电力,2007,40(3):56-60.

[2] 杨新民,肖勇,陈丰.现场总线技术在火电厂的应用[J].西安:热力发电,2014,43(9):76-81,82.

[3] 王凯，袁立宏，李林章.SCR烟气脱硝现场总线控制系统设计[J].上海:自动化仪表,2014,35(4):67-71.

[4] 宋美艳，田爽，赵江明等.现场总线控制系统在超临界火电机组辅助车间的应用[J].西安:热力发电,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

山西省教育厅教学研究项目(晋教财[2015]41号)；山西省科技厅基金项目(2015091005-0101)

冯江涛(1969-)，女，硕士，副教授，主要从事电站计算机控制的教学与研究, E-mail：fengjiangtao@sxu.edu.cn

G642.0

A

1008-0686(2017)05-0120-04