現(xiàn)場總線技術(shù)在火力發(fā)電廠的應(yīng)用

1、現(xiàn)場總線技術(shù)在火力發(fā)電廠的應(yīng)用沈 軍（大唐洛陽熱電廠設(shè)備管理部）摘 要：本文敘述了現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點和優(yōu)勢，并對現(xiàn)場總線技術(shù)在火力發(fā)電廠的應(yīng)用上提出幾種應(yīng)用思路，以及對應(yīng)用過程中可能存在的問題和策略進行探討。關(guān)鍵詞：現(xiàn)場總線控制系統(tǒng) 結(jié)構(gòu)特點 火電廠 存在的問題1 引言隨著控制技術(shù)、計算機技術(shù)和通信技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)字化作為一種趨勢正在從工業(yè)生產(chǎn)過程的決策層、管理層、監(jiān)控層和控制層一直發(fā)展到現(xiàn)場設(shè)備。現(xiàn)場總線的出現(xiàn)，使數(shù)字通信技術(shù)迅速占領(lǐng)工業(yè)過程控制系統(tǒng)中模擬量信號的最后一塊領(lǐng)地。一種全數(shù)字化、全開放式的、可互操作的新型控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)正向我們走來?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的出現(xiàn)代表了

2、工業(yè)自動化領(lǐng)域中一個新紀元的開始，并將對該領(lǐng)域的發(fā)展產(chǎn)生深遠的影響。目前在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用的DCS系統(tǒng)采用分散式的體系結(jié)構(gòu)，專利型的網(wǎng)絡(luò)支撐和模擬式的現(xiàn)場信號，但隨著各種智能傳感器、變送器和執(zhí)行器的出現(xiàn)，數(shù)字化到現(xiàn)場、控制功能到現(xiàn)場、設(shè)備管理到現(xiàn)場的趨勢越來越明顯，一種新的過程控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)已呈現(xiàn)在我們面前。2 現(xiàn)場總線的結(jié)構(gòu)特點和優(yōu)勢2.1 結(jié)構(gòu)特點（1）現(xiàn)場總線最核心的部分是總線協(xié)議，總線協(xié)議是一種數(shù)字通信協(xié)議，圍繞總線協(xié)議構(gòu)成一種應(yīng)用于生產(chǎn)現(xiàn)場、在智能化控制設(shè)備之間實行雙向串行通信、多節(jié)點的數(shù)字通信系統(tǒng)，一種開放的、數(shù)字化的、多點通信的低層控制網(wǎng)絡(luò)。它使得自控系統(tǒng)和設(shè)備有了通

3、信的能力。（2）現(xiàn)場總線的基礎(chǔ)部分是數(shù)字智能現(xiàn)場裝置。通過數(shù)字通信總線將所有的數(shù)字智能現(xiàn)場裝置連成一個控制網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)成現(xiàn)場總線的硬件支撐。（3）現(xiàn)場總線的關(guān)鍵部分是信息管理。上位機與數(shù)字智能現(xiàn)場裝置在信息管理上的分工合作達到高度的集中和統(tǒng)一、分散和和諧。做到信息處理現(xiàn)場化和信息管理系統(tǒng)化。2.2 現(xiàn)場總線的優(yōu)勢（1）簡化了控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。信息處理實行現(xiàn)場化，減少了計算機控制系統(tǒng)I/O卡件的使用量和簡化了功能組態(tài)。（2）節(jié)省了I/O電纜的投資。數(shù)字智能現(xiàn)場裝置完成信息處理，只通過單一的數(shù)字通信總線實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)信息共享，使過程I/O電纜的使用量大大減少。（3）提高了I/O信號的可靠性和精度。信息處理實行

4、現(xiàn)場化，避免了小信號的長距離傳送，使信號的保真度大大提高；采用數(shù)字通信技術(shù)，抗干擾能力增強了，也確保了信號的傳遞可靠。（4）信息管理和控制更系統(tǒng)化和專業(yè)化。通過大量的數(shù)字智能現(xiàn)場裝置的數(shù)字通信技術(shù)，使計算機控制系統(tǒng)的信息管理擁有充足的信息，進一步在信息化的基礎(chǔ)上實現(xiàn)信息管理系統(tǒng)化、控制專業(yè)化、系統(tǒng)診斷專家化。3 現(xiàn)場總線技術(shù)在火電廠中應(yīng)用思路目前，現(xiàn)場總線技術(shù)已被廣泛認知，并逐步應(yīng)用于部分實際工業(yè)過程控制中。下面試結(jié)合火電廠自動化技術(shù)的發(fā)展，提出將現(xiàn)場總線技術(shù)應(yīng)用于全廠輔助公用系統(tǒng)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)、智能化現(xiàn)場設(shè)備的應(yīng)用以及智能化設(shè)備狀態(tài)檢修管理方面的應(yīng)用思路。3.1 全廠輔助公用系統(tǒng)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)在火電廠中

5、，相對獨立的輔助公用系統(tǒng)大約有1015個，這些輔助公用系統(tǒng)包括化學車間、工業(yè)用水車間、污水處理車間、輸煤車間、除灰車間、除渣車間、除塵車間、空壓機車間、制氫站、油庫等等，這些車間的監(jiān)控信號主要是以開關(guān)量為主，模擬量調(diào)節(jié)項目較少， 因此多數(shù)都是采用PLC可編程控制器來實現(xiàn)系統(tǒng)的監(jiān)視和控制的。通過采用PROFIBUS現(xiàn)場總線通信標準或MODBUS通信協(xié)議標準，建立全廠輔助公用系統(tǒng)的PLC監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，并設(shè)置車間工作站（主要用于現(xiàn)場調(diào)試和維護）和中央工作站，以達到集中監(jiān)控點，分散控制，并通過通信接口將信息向上通信至廠級控制網(wǎng)絡(luò)。3.2 智能化現(xiàn)場設(shè)備的應(yīng)用智能化現(xiàn)場設(shè)備包括智能化的傳感器、變送器、執(zhí)行器

6、以及通信接口設(shè)備等。根據(jù)生產(chǎn)過程控制的需要，通過嵌入在智能化現(xiàn)場設(shè)備中的功能塊軟件組態(tài)，對需要監(jiān)控的生產(chǎn)過程對象，實現(xiàn)測量信號處理、開方、加減、PID運算、函數(shù)運算等功能，將控制指令傳至智能化執(zhí)行器中，自動在現(xiàn)場完成生產(chǎn)過程對象的調(diào)節(jié)和控制。正因為FCS現(xiàn)場設(shè)備具有智能化功能，在火電廠的應(yīng)用中，可以有選擇的將一些測量點和控制點的單位調(diào)節(jié)采用智能化現(xiàn)場設(shè)備，來實現(xiàn)現(xiàn)場控制。3.3 智能化設(shè)備狀態(tài)檢修管理智能化設(shè)備通過現(xiàn)場總線傳遞數(shù)字信號，不僅包括反映生產(chǎn)過程參數(shù)的測量信息，還包括設(shè)備制造商提供的原始信息，如：被測量參數(shù)的單位、量程、阻尼、設(shè)備型號、版本號，材料等等，除了這些設(shè)備通常具有的共性外，

7、對于一些特定設(shè)備，還有一些特定的描述。如：溫度傳感器，可以包括有熱元件型號、連接方式、允許測量范圍等信息通過智能化設(shè)備傳的設(shè)備本體信息，電廠的設(shè)備管理系統(tǒng)可以對智能化設(shè)備進行有效的管理。目前多數(shù)智能化設(shè)備遵循HART通信協(xié)議標準，通過專用的遵循HART通信協(xié)議標準的現(xiàn)場儀表校驗設(shè)備，就可以方便的完成設(shè)備的定期檢查和校驗，再通過總線通信，將數(shù)據(jù)信息傳送到上層設(shè)備管理系統(tǒng)，從而實現(xiàn)科學管理。4 火電廠應(yīng)用現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)存在的問題和策略目前大型火力發(fā)電（300600MW）機組十分復雜，具有測點多（一般單臺300MW機組有5000多點）、參數(shù)變化快及控制對象數(shù)量多（一般400600個）、子系統(tǒng)之間關(guān)

8、聯(lián)性強等特點。另外火電廠控制系統(tǒng)通常包括自動檢測、自動控制、順序控制和自動保護等任務(wù)，因此控制系統(tǒng)地穩(wěn)定性和可靠性對機組安全和經(jīng)濟運行至關(guān)重要。雖然現(xiàn)場總線有很多優(yōu)點，但在使用中仍有不少擔憂，主要有冗余和故障隔離、高級控制、企業(yè)資源規(guī)劃、現(xiàn)有設(shè)備向現(xiàn)場總線升級等問題，下面我們就問題逐一列出并制定對策：4.1 DCS系統(tǒng)整體升級到現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的方法不可取雖然可對目前的部分DCS系統(tǒng)通過增加現(xiàn)場總線接口卡件和網(wǎng)關(guān)等方法實現(xiàn)現(xiàn)場總線功能，但軟件也需升級，費用相當昂貴，并且限于DCS的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，硬件組成，通信模式，升級后的效果也存在許多問題。4.2 積極穩(wěn)妥的推進現(xiàn)場總線技術(shù)的運用當前，必須大力開

9、展現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的研究、開發(fā)和應(yīng)用。對現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)在電廠自動化系統(tǒng)中應(yīng)用的問題及解決辦法，應(yīng)不斷地實踐、總結(jié)、提高。4.3 全面采用現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)可能會存在的問題（1）高級復雜控制的問題。電廠中最復雜的控制系統(tǒng)是協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，通常包含負荷控制、主蒸汽壓力控制、主蒸汽溫度控制以及汽包水位控制等內(nèi)容。若采用現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的典型做法，將控制和處理功能下移到智能現(xiàn)場設(shè)備處理，由于各子控制系統(tǒng)之間相互關(guān)聯(lián)，必然導致H1與上層網(wǎng)絡(luò)HSE之間通信的信息量劇增，會增大控制系統(tǒng)的處理周期，建議應(yīng)采用集成控制發(fā)式，將高級復雜的控制系統(tǒng)經(jīng)TCP/IP等聯(lián)入系統(tǒng)中。（2）聯(lián)鎖保護、順序邏輯控制中的問題。對于

10、處在協(xié)調(diào)級的SCS、APS系統(tǒng)，其SCS的作用是控制機組啟停，而APS是全廠機爐大聯(lián)鎖。在采用現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)時，響應(yīng)時間是關(guān)鍵因素。在實際使用上可以采用以下措施進行控制：采用PROFIBUS DP或通過MODBUS可實現(xiàn)開關(guān)量的監(jiān)控，還需增加前端的智能I/O。利用PLC及遠程I/O設(shè)備掛接到現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)上。4.4 300MW及以上機組應(yīng)用現(xiàn)場總線的建議在300MW及以上的運行機組上，可在部分輔助車間的系統(tǒng)上進行試用，以便于我們從中積累現(xiàn)場總線應(yīng)用的經(jīng)驗，具體方法是將原有控制系統(tǒng)上增加現(xiàn)場總線接口卡件，但會造成綜合性能下降，且系統(tǒng)越改越復雜，因此建議在化水車間、循環(huán)水系統(tǒng)，除灰系統(tǒng)等相對獨

11、立的工藝流程，采用開關(guān)總量線技術(shù)；另外在高、低壓加熱器，除氧器等系統(tǒng)中采用FF H1技術(shù)。4.5 現(xiàn)場總線系統(tǒng)中的智能設(shè)備管理在選擇現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)時，應(yīng)充分考慮該系統(tǒng)是否具有軟件界面友好、功能豐富的智能設(shè)備管理功能?，F(xiàn)場總線技術(shù)只是一種國際標準，不同廠家的系統(tǒng)功能與實現(xiàn)手段各不相同，因此，我們必須考慮現(xiàn)場總線系統(tǒng)的同時，評估相應(yīng)的智能現(xiàn)場設(shè)備以及監(jiān)控、診斷和管理軟件性能的高低。4.6 建議選擇有成熟經(jīng)驗、管控一體化的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)火電廠生產(chǎn)管理的特殊性突出的表現(xiàn)在對安全可靠的高度重視，甚至還會因此放慢采用新技術(shù)的步伐。因此在選擇現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)方案時，必須慎重地考慮其系統(tǒng)和方案是否有過成功

12、地應(yīng)用經(jīng)驗，系統(tǒng)地結(jié)構(gòu)是否具有良好的互聯(lián)性和開放性，是否有機的集成了過程控制和設(shè)備管理以及信息管理系統(tǒng)。在各種現(xiàn)場總線技術(shù)發(fā)展地同時，統(tǒng)一的TCP/IP協(xié)議使得以太網(wǎng)技術(shù)得到了快速發(fā)展，并逐漸應(yīng)用到工業(yè)控制領(lǐng)域，而不再局限于傳統(tǒng)得IT領(lǐng)域，并由此產(chǎn)生了系列工業(yè)以太網(wǎng)產(chǎn)品，高速以太網(wǎng)也越來越多得應(yīng)用到過程自動化得監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中。5 結(jié)束語由于現(xiàn)場總線適應(yīng)了過程工業(yè)控制向智能化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和分散化的發(fā)展方向，作為工業(yè)過程控制的發(fā)電企業(yè)，應(yīng)該適時引入基于總線技術(shù)的控制系統(tǒng)。但考慮到火電廠主輔設(shè)備和系統(tǒng)的復雜性和運行監(jiān)控的特點，必須解決一系列電廠復雜控制特有的問題，否則很難取得預期的效果，而這一過程也

13、是現(xiàn)場總線技術(shù)發(fā)展和完善的過程，但隨著技術(shù)的不斷深化和發(fā)展，相信現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)在火電廠自動化領(lǐng)域的應(yīng)用也會繼DCS系統(tǒng)之后，再創(chuàng)火電廠自動化控制的輝煌?！緟⒖嘉墨I】【1】白焰、吳鴻、楊國田編著，分散控制系統(tǒng)與現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)基礎(chǔ)、選評、設(shè)計和應(yīng)用，2001年3月第一版、2004年3月第三次印刷，北京中國電力出版社；【2】陽憲惠主編，現(xiàn)場總線技術(shù)及其應(yīng)用，1999年第一版，北京清華大學出版社；【3】周明，現(xiàn)場總線控制，2002年第一版，北京中國電力出版社；【4】斯可克，現(xiàn)場總線的現(xiàn)狀和發(fā)展，2000年第四版，中國自動化博覽會；【5】刑建春、王雙慶，Profibus現(xiàn)場總線智能從站通信接口設(shè)計，2002年第一版，工業(yè)儀表與自動化裝置。【作者簡介】姓 名：沈軍工作單位：大唐洛陽熱電廠設(shè)備管理部單位地址：河南省洛陽市澗西區(qū)華山路2號個人簡歷：本人1993年9月畢業(yè)于河南省電力工業(yè)學校電氣運行與檢