现场总线技术在火力发电厂的应用

【摘要】本文叙述了现场总线控制系统的结构特点和优势，并对现场总线技术在火力发电厂的应用上提出几种应用思路，以及对应用过程中可能存在的问题和策略进行探讨。

【关键词】现场总线控制系统；结构特点；火电厂；应用；存在的问题；策略

【中图分类号】TK323；TM769 【文献标识码】A 【文章编号】1672-5158（2013）01―0055―02

1、引言

随着控制技术、计算机技术和通信技术的快速发展，数字化作为一种趋势正在从工业生产过程的决策层、管理层、监控层和控制层一直发展到现场设备。现场总线的出现，使数字通信技术迅速占领工业过程控制系统中模拟量信号的最后一块领地。一种全数字化、全开放式的、可互操作的新型控制系统――现场总线控制系统正向我们走来。现场总线控制系统的出现代表了工业自动化领域中一个新纪元的开始，并将对该领域的发展产生深远的影响。

目前在工业生产中广泛应用的DCS系统采用分散式的体系结构，专利型的网络支撑和模拟式的现场信号，但随着各种智能传感器、变送器和执行器的出现，数字化到现场、控制功能到现场、设备管理到现场的趋势越来越明显，一种新的过程控制系统――现场总线控制系统已呈现在我们面前。

2、现场总线的结构特点和优势

2.1.结构特点

2.1.1 现场总线最核心的部分是总线协议，总线协议是一种数字通信协议，围绕总线协议构成一种应用于生产现场、在智能化控制设备之间实行双向串行通信、多节点的数字通信系统，一种开放的、数字化的、多点通信的低层控制网络。它使得自控系统和设备有了通信的能力。

2.1.2 现场总线的基础部分是数字智能现场装置。通过数字通信总线将所有的数字智能现场装置连成一个控制网络，构成现场总线的硬件支撑。

2.1.3现场总线的关键部分是信息管理。上位机与数字智能现场装置在信息管理上的分工合作达到高度的集中和统一、分散和和谐。做到信息处理现场化和信息管理系统化。

2.2 现场总线的优势

2.2.1 简化了控制系统的结构。信鼠处理实行现场化，减少了计算机控制系统I/O卡件的使用量和简化了功能组态。

2.2.2 节省了I/O电缆的投资。数字智能现场装置完成信息处理，只通过单一的数字通信总线实现网络信息共享，使过程I/O电缆的使用量大大减少。

2.2.3 提高了I/O信号的可靠性和精度。信息处理实行现场化，避免了小信号的长距离传送，使信号的保真度大大提高；采用数字通信技术，抗干扰能力增强了，也确保了信号的传递可靠。

2.2.4 信息管理和控制更系统化和专业化。通过大量的数字智能现场装置的数字通信技术，使计算机控制系统的信息管理拥有充足的信息，进一步在信息化的基础上实现信息管理系统化、控制专业化、系统诊断专家化。

3、现场总线技术在火电厂中应用思路

目前，现场总线技术已被广泛认知，并逐步应用于部分实际工业过程控制中。下面试结合火电厂自动化技术的发展，提出将现场总线技术应用于全厂辅助公用系统监控网络、智能化现场设备的应用以及智能化设备状态检修管理方面的应用思路。

3.1 全厂辅助公用系统监控网络

在火电厂中，相对独立的辅助公用系统大约有10-15个，这些辅助公用系统包括化学车间、工业用水车间、污水处理车间、输煤车间、除灰车间、除渣车间、除尘车间、空压机车间、制氢站、油库等等，这些车间的监控信号主要是以开关量为主，模拟量调节项目较少，因此多数都是采用PLC可编程控制器来实现系统的监视和控制的。通过采用PROFIBUS现场总线通信标准或MODBUS通信协议标准，建立全厂辅助公用系统的PLC监控网络，并设置车间工作站（主要用于现场调试和维护）和中央工作站，以达到集中监控点，分散控制，并通过通信接口将信息向上通信至厂级控制网络。

3.2 智能化现场设备的应用

智能化现场设备包括智能化的传感器、变送器、执行器以及通信接口设备等。根据生产过程控制的需要，通过嵌入在智能化现场设备中的功能块软件组态，对需要监控的生产过程对象，实现测量信号处理、开方、加减、PID运算、函数运算等功能，将控制指令传至智能化执行器中，自动在现场完成生产过程对象的调节和控制。正因为FCS现场设备具有智能化功能，在火电厂的应用中，可以有选择的将一些测量点和控制点的单位调节采用智能化现场设备，来实现现场控制。

3.3 智能化设备状态检修管理

智能化设备通过现场总线传递数字信号，不仅包括反映生产过程参数的测量信息，还包括设备制造商提供的原始信息，如：被测量参数的单位、量程、阻尼、设备型号、版本号，材料等等，除了这些设备通常具有的共性外，对于一些特定设备，还有一些特定的描述。如：温度传感器，可以包括有热元件型号、连接方式、允许测量范围等信息通过智能化设备传的设备本体信鼠，电厂的设备管理系统可以对智能化设备进行有效的管理。目前多数智能化设备遵循HART通信协议标准，通过专用的遵循HART通信协议标准的现场仪表校验设备，就可以方便的完成设备的定期检查和校验，再通过总线通信，将数据信息传送到上层设备管理系统，从而实现科学管理。

4、火电厂应用现场总线控制系统存在的问题和策略

目前大型火力发电（300-600MW）机组十分复杂，具有测点多（一般单台300MW机组有5000多点）、参数变化快及控制对象数量多（一般400-600个）、子系统之间关联性强等特点。另外火电厂控制系统通常包括自动检测、自动控制、顺序控制和自动保护等任务，因此控制系统地稳定性和可靠性对机组安全和经济运行至关重要。虽然现场总线有很多优点，但在使用中仍有不少担忧，主要有冗余和故障隔离、高级控制、企业资源规划、现有设备向现场总线升级等问题，下面我们就问题逐一列出并制定对策：

4.1 DCS系统整体升级到现场总线控制系统的方法不可取

虽然可对目前的部分DCS系统通过增加现场总线接口卡件和网关等方法实现现场总线功能，但软件也需升级，费用相当昂贵，并且限于DCS的网络结构，硬件组成，通信模式，升级后的效果也存在许多问题。

4.2 积极稳妥的推进现场总线技术的运用

当前，必须大力开展现场总线控制系统的研究、开发和应用。对现场总线控制系统在电厂自动化系统中应用的问题及解决办法，应不断地实践、总结、提高。

4.3 全面采用现场总线控制系统可能会存在的问题

4.3.1 高级复杂控制的问题。电厂中最复杂的控制系统是协调控制系统，通常包含负荷控制、主蒸汽压力控制、主蒸汽温度控制以及汽包水位控制等内容。若采用现场总线控制系统的典型做法，将控制和处理功能下移到智能现场设备处理，由于各子控制系统之间相互关联，必然导致H1与上层网络HSE之间通信的信息量剧增，会增大控制系统的处理周期，建议应采用集成控制发式，将高级复杂的控制系统经TCP/IP等联入系统中。

4.3.2 联锁保护、顺序逻辑控制中的问题。对于处在协调级的SCS、APS系统，其SCS的作用是控制机组启停，而APS是全厂机炉大联锁。在采用现场总线控制系统时，响应时间是关键因素。在实际使用上可以采用以下措施进行控制：①采用PROFIBUS DP或通过MODBUS可实现开关量的监控，还需增加前端的智能I/O。②利用PLC及远程I/O设备挂接到现场总线控制系统上。

4.4 300MW及以上机组应用现场总线的建议

在300MW及以上的运行机组上，可在部分辅助车间的系统上进行试用，以便于我们从中积累现场总线应用的经验，具体方法是将原有控制系统上增加现场总线接口卡件，但会造成综合性能下降，且系统越改越复杂，因此建议在化水车间、循环水系统，除灰系统等相对独立的工艺流程，采用开关总量线技术；另外在高、低压加热器，除氧器等系统中采用FF H1技术。

4.5 现场总线系统中的智能设备管理

在选择现场总线控制系统时，应充分考虑该系统是否具有软件界面友好、功能丰富的智能设备管理功能。现场总线技术只是一种国际标准，不同厂家的系统功能与实现手段各不相同，因此，我们必须考虑现场总线系统的同时，评估相应的智能现场设备以及监控、诊断和管理软件性能的高低。

4.6 建议选择有成熟经验、管控一体化的现场总线控制系统

火电厂生产管理的特殊性突出的表现在对安全可靠的高度重视，甚至还会因此放慢采用新技术的步伐。因此在选择现场总线控制系统方案时，必须慎重地考虑其系统和方案是否有过成功地应用经验，系统地结构是否具有良好的互联性和开放性，是否有机的集成了过程控制和设备管理以及信息管理系统。

在各种现场总线技术发展地同时，统一的TCP/IP协议使得以太网技术得到了快速发展，并逐渐应用到工业控制领域，而不再局限于传统得IT领域，并由此产生了系列工业以太网产品，高速以太网也越来越多得应用到过程自动化得监控网络中。

5 结束语

由于现场总线适应了过程工业控制向智能化、数字化、网络化和分散化的发展方向，作为工业过程控制的发电企业，应该适时引入基于总线技术的控制系统。但考虑到火电厂主辅设备和系统的复杂性和运行监控的特点，必须解决一系列电厂复杂控制特有的问题，否则很难取得预期的效果，而这一过程也是现场总线技术发展和完善的过程，但随着技术的不断深化和发展，相信现场总线控制系统在火电厂自动化领域的应用也会继DCS系统之后，再创火电厂自动化控制的辉煌。

参考文献

[1]分散控制系统与现场总线控制系统――基础、选评、设计和应用，白焰、吴鸿、杨国田编著，2001年3月第一版、2004年3月第三次印刷，北京中国电力出版社

[2]现场总线技术及其应用，阳宪惠主编，1999年第一版，北京清华大学出版社

[3]现场总线控制，周明，2002年第一版，北京中国电力出版社

[4]现场总线的现状和发展，斯可克，2000年第四版，中国自动化博览会

[5]Profibus现场总线智能从站通信接口设计，刑建春、王双庆，2002年第一版，工业仪表与自动化装置