现场总线在发电厂的应用

摘要：现场总线是沟通生产过程现场及控制设备之间及其与更高控制管理层次之间的联系的工厂数字通信网络的基础。它不但是一个基层网络，还是一种新型、开放式、全面的分布控制系统。现场总线的综合技术是指控制、计算机、智能传感器、数字通信技术为主要内容，受到了全世界的关注，导致自动化系统结构与设备发生了深刻的变革。本文介绍了火力发电厂的总线技术应用优点，并探讨了现场总线在火力发电厂的主要应用与发展趋势。

关键词：火力发电厂；总线技术；发展趋势

中图分类号： F407 文献标识码： A

现场总线（也称现场网络）是指以工厂内的测量和控制器间的数字通讯为主的网络，将传感器、控制器间的通讯及控制器之间的通讯进行特化的网络。本文以火力发电厂为例，简要介绍了现场总线的概念和国内发展现状，以及在火力发电厂的应用。

1 火力发电厂应用现场总线的技术优点

1.1节省硬件数量与投资

由于在现场总线设备前端中分散的智能设备能够直接执行多种控制、传感、报警以及计算功能, 它不再需要DCS 系统的信号转换、调理、隔离技术等功能单元及其复杂接线,也不再需要单独的计算单元、控制器等, 还可以用工控机作为操作站, 因而既可节省一大笔变送器和工控机等硬件设备的投资, 又可以减少工程师站及操作员站的占地面积。

1.2节省安装费用

现场总线系统的接线十分简单, 由于一对双绞线或一条电缆上通常可挂接多个设备, 因而电缆、端子、槽盒、桥架的用量大大减少,连线设计与接头校对的工作量也大大减少。当需要增加现场控制设备时, 无需增设新的电缆, 可就近连接在原有的电缆上, 既节省了投资, 也减少了设计、安装的工作量。据有关典型试验工程的测算资料, 可节约安装费用60%以上。

1.3节省维护开销

由于现场控制设备具有自诊断与简单故障处理的能力, 并通过数字通讯将相关的诊断维护信息送往控制室, 用户可以查询所有设备的运行, 诊断维护信息, 以便早期分析故障原因并快速排除。缩短了维护停工时间, 同时由于系统结构简化, 连线简单而减少了维护工作量。

2现场总线的结构特点

2.1 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。

2.2 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。

2.3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。

3 现场总线在火力发电厂的应用

火力发电厂系统I／O测点多，现场装置多且密集，设备立体布置，厂域高度集中，并要求运行高可靠性。火电厂主机DCS系统、脱硫DCS系统以及主要辅机程控系统，都存在可靠性要求高、监控设备和对象多而复杂、实时性要求高等特点。特别是主机DCS系统，涉及数百台压力和差压变送器，数百台电动或启动执行机构，数百个温度测点，系统要进行复杂的闭环控制、串级控制、三冲量控制、比率控制，要进行设备连锁控制，要进行复杂的锅炉燃烧管理、机炉协调控制，汽机控制、时间顺序控制(SOE)要求ms级响应速度。所有这些都需要有高可靠性的控制系统来保证整个生产过程的安全、稳定、可靠运行，但目前的现场总线系统(FCS)还不能完全满足这些要求。

随着DCS和FCS的发展， 目前两种系统在技术上已进行了充分的融合，大部分DCS系统生产厂商，提供并生产的控制系统(控制器)，均具备接入传统I／O模件与现场总线接口模件，使得DCS系统的数字通讯功能延伸至现场智能设备，这一通讯功能的扩展，使得DCS可以通过现场总线采集现场智能设备的更多信息，如启动次数、寿命计算、故障诊断报警等信息。这些信息是传统DCS系统用传统方式不能得到的。这样融合两种技术优点的DCS系统为火力发电厂自动化系统提供了更好的选择。在技术层面上，由于在DCS系统中采用现场总线大大提高了系统信号的抗干扰能力，提高了系统整体可靠性；同时现场总线的使用，也使得从热工过程到系统的信号转换环节减少，系统整体精度提高另外现场总线预制电缆的使用，大大减少了传统手工作业的镙钉端子数量，从而提高了系统的整体安全性。在运行层面上，由于采用现场总线系统，系统的监控范围从传统的系统端子排扩展到全厂，真正实现了全厂监控；同时由于可方便采集设备的管理、诊断及维修信息，使系统具有完善有效的设备诊断功能，真正实现现场设备的远程编程和维护，真正实现了全厂数据的集中管理，使设备的状态检修成为可能，提供更多的设备信息使操作和维护得到优化。在投资层面上，由于采用现场总线，大幅减少了控制柜的数量，大幅减少了电缆数量和电缆桥架的数量，从而大幅减少了施工和工程的费用。同时缩短了工程调试周期并减少了维护量，因此减少了项目的综合投资。

但目前还有以下主要问题制约着基于现场总线的控制系统在火电厂中的广泛应用：

1）现场总线标准很难在几年内得到统一，使之配套的产品无法做到通用性，使得在进行设备选型和备件储备上增加困难。

2）现场总线技术尚未普及应用，在实际工程应用中技术配套将有阻碍。设备厂家、设计、安装、调试单位及电厂专业人员对现场总线技术的掌握都十分有限。

3）现场总线虽然可以实现总线供电，但由于其供电能力有限，不能满足多个设备的需要，在这样的应用场合，还需要提供另外的供电电缆和相应的配电器。采用同一总线供电的设备，当其中一台电源系统故障，有可能影响与之相连的所有设备，降低了系统的可靠性。

4）现场总线设备由于运算能力与DCS相比差的很大，对电厂机组的高级控制策略需要DCS完成，只有简单的控制策略在现场总线设备完成，在标准不统一的情况下，DCS很难做到兼容各种标准，也给实际的设计、调试带来很大的困难，现场维护人员也很难将设备系统维护好。

4 现场总线技术展望与发展趋势

现场总线技术的发展应体现为两个方面: 一个是低速现场总线领域的继续发展和完善; 另一个是高速现场总线技术的发展。目前现场总线产品主要是低速总线产品, 应用于运行速率较低的领域, 对网络的性能要求较低。从当前使用情况看, 大部分现场总线, 都能很好地实现低速率要求的过程控制。因此, 在低速现场总线控制领域, 哪个工控厂家都很难统一整个市场。而现场总线的关键技术之一是实现现场总线技术的统一, 实现各厂家现场总线产品互操作性是所有生产厂商和用户十分关心的问题。高速现场总线主要应用于控制网内的互连, 连接控制计算机、PLC 等智能程度较高、处理速度快的设备, 以及实现低速现场总线网桥间的互联, 它为实现系统的全分散控制结构提供了必要的保证。目前高速现场总线技术比较薄弱。因此, 高速现场总线的开发、设计将是竞争十分激烈的领域, 这也将是现场总线技术实现统一的重要机会。而选择什么样的网络技术作为高速现场总线的整体框架将是其首要内容。发展现场总线技术已成为电力行业广为关注的热点课题, 国际上现场总线的开发、研究, 使测控系统冲破了长期封闭系统的禁锢, 走上开放发展的征程,这对我国现场总线控制系统的发展是个极好的机会, 也是一次严峻的挑战。自动化系统的网络化是发展的大趋势, 现场总线技术受计算机网络技术的影响是十分深刻的。

5 结语

目前, 现场总线技术在国内火电厂中的应用尚处于起步阶段, 存在一些局限性, 但由于现场总线技术所具有的信息化、数字化和控制分散的特点顺应了建立数字化电厂和降低工程造价两方面的需求,现场总线技术在国内火电厂大规模应用是必然趋势。随着现场总线技术在组态、设计、安装、调试等方面经验的不断积累以及国内电力行业智能现场设备的不断发展, 现场总线技术将在国内火力电厂中将会获得更为广泛的应用。

参考文献

[1]王金全, 贾东升, 徐晔. 现场总线应用技术探讨[ J]. 自动化与仪器仪表, 2008, 8.

[2]邬宽明．现场总线技术应用选编[M]．北京航空航天大学出版社．2004，1.