現場總線在電廠輔助系統應用的經濟性分析

陳若春

(浙江省電力設計院，浙江 杭州 310012)

0 引言

根據國際電工委員會IEC 61158標準的定義，安裝在制造或生產過程區域的現場裝置與控制室內的自動控制裝置之間的數字式、串行、雙向、多點通信的數據總線稱為現場總線。基于現場總線的控制系統即為現場總線控制系統(fieldbus control system，FCS)。這種控制系統將通信標準統一的智能儀表和控制器掛在總線上，通過數字量的雙向傳遞來完成顯示、調節、邏輯運算和保護等功能。

現場總線控制系統的建立應具備兩個前提：①工業級的現場總線;②現場總線標準一旦被選定，所有測控設備都應具有遵循該通信總協議的能力。

1 電廠輔助系統的控制特點

燃煤電廠的輔助系統主要具有以下特點[1]。

①重要性，它關系到各輔助系統以及整個電廠的運行狀況。各系統一旦出現問題，必須及時處理，否則將影響全廠的安全經濟運行。

②分散性，電廠水處理系統、灰系統、輸煤系統等遍布于全廠。

③非連續性，除凝結水精處理高速混床、汽水取樣和加藥系統外，其余各系統幾乎都是采用間歇式運行方式。

④開關量控制為主，開關量控制是輔助系統控制的核心，大量的閥門、電磁閥、電動機等要受聯鎖條件的邏輯控制，以設備的狀態、閥門的開關、電機的啟停、壓力流量和料液位的限值等條件進行控制。

2 現場總線應用策略

大型電廠輔助系統已基本實現了基于DCS或PLC的集中控制。目前，現場總線技術在電廠輔助系統的應用采用的是集成的方式，包括現場總線與DCS的集成、現場總線與PLC的集成和現場總線與信息網絡的集成。

現場總線和DCS的集成一般有兩種方式：①現場設備通過現場總線與現場總線接口單元通信，現場總線接口單元再通過I/O總線與DCS通信;②現場設備通過總線與服務器通信，現場總線服務器直接掛在DCS網絡上。如今，PLC已廣泛應用于電廠輔助系統控制，現場總線中，像 ControlNet、Modbus、Profibus等都是PLC的主要供貨商所支持的。這些現場總線技術和產品已集成到PLC系統中，成為PLC系統中的一部分或者成為PLC的延伸部分。隨著以太網通信速率的不斷提高和全雙工交換式以太網的誕生，通過工業以太網可實現現場總線與信息網的集成。

現場總線的標準有十余種，要在電廠輔助系統應用現場總線技術，必須在總線選擇和工程系統設計方面考慮實時性和適用性因素。

實時性方面，包括快速性和確定性。對于快速性，總線主要用于過程自動化的信號采集及控制，滿足用戶快速通信的方案;對于確定性，包含了對特定對象的現場I/O級和控制級指令操作、反饋信息的傳輸和信息管理功能[2]。

適用性方面，現場總線采用數字信號取代點對點的常規信號傳遞方式，但是目前并非所有的測控設備都具有總線接口，或由于某些設備的局限，對這些設備的信號傳送仍采用常規的電纜連接方式。例如，在全面使用現場總線的德國Niederaussem電廠和我國華能玉環電廠水處理系統中，都是按這一方式處理的。

在電廠某一個輔助系統采用現場總線，應遵循同一種總線協議，并且要充分利用現場總線技術特點和優點。如水處理系統和灰系統，測控設備包括變送器、分析儀表、液位、溫度變送器、總線電磁閥島、執行器、智能馬達等，采用Profibus總線協議尤為合適。

對于電廠某一個范圍較大且又比較分散的輔助車間系統，各現場設備距離相對較遠時，如輸煤系統等，盡管采用現場總線原則上要求現場測控設備盡量是總線智能型，但在此系統中，拉繩開關、跑偏開關、速度開關、過程行程開關、限位開關和電機溫度信號等現場測控設備大都難以提供標準的總線接口。這時，采用非標準或非主流的總線協議(如ControlNet、Modubs)等現場總線協議支持的總線接口模塊接收現場I/O信號，再以總線方式進行傳送至控制室，也是可選的方案。

3 現場總線應用的經濟性分析

3.1 水處理控制系統中的應用

3.1.1 配置說明

電廠水處理、灰系統的工藝過程和信號特點具有相對的一致性。為便于進行經濟性分析，以電廠化學水系統采用Profibus現場總線控制系統為代表，首先確認現場總線控制系統與常規控制系統在配置上的差異性，再進行經濟上的比較。

現場總線與常規控制系統在配置上的差異主要表現在以下幾個方面。

①常規控制系統配置采用本地I/O，現場總線控制系統采用總線智能I/O;

②現場總線控制系統需要配置偶合器，常規配置則不需要;

③常規配置的現場儀表均為非智能型，現場總線控制系統需要配置基于Profibus-PA協議的智能型儀表;

④根據電纜量的不同，敷設工作量也不同;

⑤常規配置的電磁閥采用單個控制，現場總線控制系統需要配置基于Profibus-DP協議的電磁閥島;

⑥現場總線控制系統需要配置基于Profibus-DP協議的智能MCC;

⑦對于現場總線控制系統中配置的非智能型儀表，以常規連接方式接入系統。

現場總線控制系統與常規系統的配置差異如表1所示。

表1 現場總線控制系統與常規系統的配置差異Tab.1 Configuration difference between fieldbus control system(FCS)and conventional system

同樣，電廠灰系統采用現場總線控制系統與采用常規控制系統配置方案經濟性比較也可以參照上述方式獲得。現場總線控制系統的投資費用增加部分主要集中在現場智能設備;而投資費用減少主要集中在電纜和橋架的設備及安裝成本。通過上述比較可知，Profibus現場總線控制系統與常規配置的方案在投資上總體持平。

3.1.2 應用實例

華能玉環電廠(4×1 000 MW)在鍋爐補給水系統、凈水系統和廢水系統中采用Profibus現場總線技術[3]，構建了監控層網絡(冗余工業以太網)、控制層網絡(冗余工業以太網)、現場設備層網絡(Profibus-DP/PA)。系統采用了多種現場總線智能儀表和設備(流量、溫度、壓力、分析儀表、閥島、執行器、智能MCC)，集成了不同公司的Profibus產品，已于2006年3月投入商業運行。玉環電廠現場總線控制系統經濟性分析如表2所示。

表2 玉環電廠現場總線控制系統經濟性分析Tab.2 Economic analysis on FCS of Yuhuan power plant

目前，新疆華電昌吉新熱電(2×330 MW)工程在水處理系統采用基于Profibus的現場總線技術，工程正在實施過程中。而建設中的華能金陵電廠(2×1 000 MW)及華能九臺電廠(2×600 MW)，除了安全保護系統和對安全特性有特殊要求的自動控制任務(FSSS、DEH等)外，全廠均采用Profibus現場總線技術。

3.2 現場總線在輸煤系統中的應用

3.2.1 輸煤程控系統常規方案

電廠輸煤程控系統的常規控制方案即采用硬接線將現場信號連接到中控室的控制機柜或者轉運樓的遠程站，程控系統的通信總線延伸至各個遠程站所在的區域。通過合理配置采集信號和控制的遠程站，現場設備以標準的4～20 mA模擬量信號和24 VDC開關量信號就近接入相應的遠程站，而并非是將現場所有信號簡單的接入中控室。常規連接方案示意圖如圖1所示。

圖1 常規連接方案示意圖Fig.1 Diagram of conventional connection scheme

3.2.2 現場總線方案

電廠輸煤系統包括從碼頭卸船機(或火車卸煤)經皮帶和轉運站，到煤場堆取料機分流，再到電廠煤倉間進行配煤的全過程。其設備運行條件差且系統運轉距離長，現場總線技術經過這幾年的應用已經比較成熟。本方案考慮輸煤系統由現場工業級智能I/O模塊、現場傳輸總線以及相關的控制網絡組成。

Modbus總線是一種安裝在現場設備儀表與控制室內的自動控制裝置系統之間的串行通信數據總線，是實現現場級設備數字化通信的一種工業現場層網絡通信技術[4]。各節點經其接口通過通信鏈路與公共總線連接。任何節點的信息都可以沿總線傳輸，主機通過輪詢，向各個節點傳送或接收信息，結構簡單，擴展靈活。該方案有效地提高了控制系統的穩定性和數據的精度，以及信號傳輸過程中的抗干擾能力。

工業級智能模塊通過網絡接口模塊實現主機和各個前端I/O模塊之間的數據通信。智能模塊具有高精度、高抗干擾能力、高可靠性和低功耗等優點，并配置有微處理器，具有可編程能力，支持高級語言開發。工業級智能模塊具有良好的防塵、防潮、防震性能，適宜現場布置。現場總線方案示意圖如圖2所示。

圖2 現場總線方案示意圖Fig.2 Diagram of fieldbus scheme

3.2.3 方案經濟性分析

在對電廠輸煤控制系統進行經濟性分析前，確認采用Modbus現場總線控制系統與常規系統的配置差異，具體信息如表3所示。

表3 Modbus現場總線控制系統與常規系統的配置差異Tab.3 Configuration difference between Modbus FCS and conventional control system

表3僅對兩個配置方案的主要差異進行了比較和價格分析，并不說明整個控制系統的全面配置?，F場總線控制系統的投資費用增加部分主要集中在現場構建通信網絡帶來的通信單元和通信電纜上;而投資費用減少用主要是大量采用智能模塊后，節省了電纜和橋架的設備及安裝材料。通過上述比較可見，輸煤系統控制方案中現場總線較常規配置方案在投資上的優勢。

3.2.4 現場總線在輸煤控制系統的應用實例

在舟山六橫煤電基地項目中，輸煤系統皮帶有28條，皮帶沿線的現場信號均由皮帶沿線智能I/O設備讀取，通過Modbus總線送到控制系統。六橫煤電基地現場總線控制系統經濟性分析如表4所示。

表4 六橫煤電基地現場總線控制系統經濟性分析Tab.4 Economic analysis on FCS of Liuheng coal-fired power generation base

在鳳臺電廠(2×600MW)輸煤程控系統中，部分采用了安裝在現場的工業級現場總線智能模塊和智能設備，以主從網絡結構通過接口界面與監控層進行通信。鳳臺電廠于2008年投入商業運行。

4 應用前景分析

通過配置比較和經濟性分析，采用現場總線投資費用的增加主要在現場智能設備的安裝上，但電纜和橋架的設備及安裝敷設成本會大幅下降，總體不會增加基建階段的投資。

電廠主要輔助系統采用現場總線技術后，現場設備信息量大大增加[5]。智能設備提供給控制系統的信息不僅是實時的工程值，還包括智能設備附屬信息，以及制造商、設定值、故障狀態等信息，還可通過總線系統對現場智能設備進行遠程整定。也許是受限于電廠的運行水平、管理體制或設備維護模式，目前，多數電廠僅停留在“可用”的初期階段，尚不能充分發揮現場總線系統的智能化與功能自治性。

利用現場設備的智能自檢和通信功能實現預維護和前瞻性維護[6]，可以大大提高設備的可利用率和運行效能。由于設備原因的非計劃性停運和傳統的低效率維護方式都帶來電廠效益的降低，而利用預維護方式可以極大地改善以下狀況：①大修周期內的儀表校驗維護工作;②頻繁而低效率的現場巡檢;③儀表技術人員花費在書面記錄和文檔整理上大量的工作時間。

為滿足對現場設備(智能儀表，智能馬達等)的管理，以監控層為平臺，建立相匹配的設備維護管理系統，且與運行人員的MMI相互隔離。同時，應配置專門的人員，運用新技術帶來的數字化和信息化，針對智能測控設備做好二次開發和應用工作，為生產維護帶來革命性的改變。

這種改變主要體現在：①通過連續監測智能測控設備的健康狀況，及時發現設備問題所在，從而避免由于故障不能及時排除造成損失;②進行在線組態、校驗管理、診斷及數據統計工作;③減少維修人員從維修車間到現場的往返次數，減少大量的巡檢時間，使維修人員有更多的時間用于處理預測性維護事件;④提供設備故障判斷依據，從而減少備品備件投入;⑤建立維護與診斷工作站，在工作站實現對現場設備的檢查，對現場設備的設置通過網絡直接下載到現場設備中，并通過定期對參數的檢查間接確定設備是否故障，建立檢查記錄。

5 結束語

在電廠投產后若能真正建立基于現場總線控制系統的二次開發平臺，處理好現場總線應用過程中諸如接口穩定性、測控設備的局限性、總線可靠性等問題，利用總線控制系統的豐富參數和診斷信息進行設備診斷，優化設備運行、維護，發揮現場總線系統數據傳輸分層次、多變量的特點，將設備管理自動化和遠程診斷功能納入系統，指導電廠的生產管理，貫穿于電廠的全壽命周期，其潛在的經濟性將十分巨大。

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[3]顏渝坪，崔逸群，王春利，等.火電廠現場總線控制系統的成功應用[J].中國電力，2007(3)：56 －60.

[4]王佳承，費敏銳，王海寬.基于Modbus的多現場總線集成測控系統設計[J].自動化儀表，2009，30(6)：20 －22.

[5]孫茗.現場總線技術在火力發電廠電氣控制系統中的應用[J].電力勘測設計，2008(2)：51 －56.

[6]吳忠勝，曾衛東，白玉鋒，等.現場總線技術在火電廠輔控系統應用探討[J].熱力發電，2009(11)：15 －18.

[7]周明.現場總線控制[M].北京：中國電力出版社，2002.