現場總線技術在數字化電廠中的應用

楊 浚，姜春敏

（1.昆明理工大學，云南 昆明 650500；2.華能煙臺發電廠，山東 煙臺 264002）

0 引言

近幾年，數字化電廠建設受到廣泛關注。數字化電廠就是將所有電力生產過程信息和管理內容數字化，利用網絡技術，實現可靠而準確的數字化信息交換和資源實時共享，利用智能專家系統提供各種生產經營操作指導和優化決策，從而提高電力生產的安全可靠性，降低運營成本，滿足現代企業管理和電力改革發展需要。

數字化電廠網絡構架可劃分為現場設備層、直接控制層、管控一體化層和管理決策層。20世紀90年代起，直接控制層已逐步實現數字化。近期新建電廠也普遍建立了廠級SIS和MIS網絡構架，配置了故障診斷、狀態檢修及性能優化、資源計劃系統（ERP）等監控和管理軟件。而最基礎的現場設備層數字化進程卻相對滯后，現場設備信息仍采用傳統的一對一模擬量信號或開關量信號上傳到直接控制層的DCS/PLC各子系統。由于信號采集方式的限制，許多對現場設備進行故障預測、診斷和狀態檢修及遠程調校和維護、優化決策必需的設備狀態實時信息不能采集到系統里去，成了數字化電廠發展的瓶頸。

要實現電廠數字化，必須把數字化擴展到現場設備級。基于現場總線技術和現場智能設備的現場總線控制系統的應用，有效地解決了這個難題。

1 現場總線控制系統概況

1.1 現場總線控制系統概念及優勢

根據國際電工委員會IEC61158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。由現場總線與現場智能設備組成的控制系統稱為現場總線控制系統FCS（Fieldbus Control System）。 與傳統 DCS相比，FCS優越性概括起來有以下幾方面。

1）開放性的互聯結構。它突破了DCS系統采用的專用通信網絡的局限，采用了公開化、標準化、全分布式結構的解決方案。當需要增加現場總線設備時，可就近連接在現有現場總線網段上。

2）可互操作性。用戶可以選擇不同廠商、不同品牌的各種設備接入現場總線系統。當產品符合相應的標準和規范，并通過驗證測試后，即可實現不同產品間的互操作。

3）全數字化通信。信息傳輸全數字化，免去了D/A、A/D轉換，信息量大大增加，傳輸抗干擾能力強，減少了傳輸誤差，提高系統的可靠性。

4）現場設備智能化。 傳感測量、補償計算、工程量處理與基本控制等功能可在現場總線設備中完成，縮短控制周期。

5）可靠性高、維護性好。對現場設備可以進行遠程診斷、維護和組態，便于安裝運行維護。

6）降低系統及工程成本。 原來需要大量電纜進行點對點連接的設備信號通過一根網絡電纜來傳輸，大大減少DCS的I/O卡件、控制電纜數量，節省了安裝工程費用和調試時間。

1.2 常用現場總線標準及控制系統

國際電工委員會IEC61158現場總線的標準有10多種，但廣泛應用于火電廠過程控制的現場總線有FF（Foundation Fieldbus）現場總線和PROFIBUS（Process Fieldbus）現場總線兩種。兩種總線標準相比較，FF較適用于連續量控制，PROFIBUS較適用于離散量控制，也可用于連續量控制，但在連續量控制方面略遜于FF總線。

1.3 現場總線設備情況

現場總線設備是FCS的硬件支撐，現階段可供選擇的、電廠常用的場總線設備也逐步增多，現場設備限制現場總線應用的問題基本解決。

現場總線型執行機構。 現場總線型進口電動執行機構品牌較多，ROTORK電動執行機構現場總線模塊有PROFIBUS和FF模塊；SIPOS 5 Flash電動執行機構帶有PROFIBUS-DP總線接口；AUMA電動執行機構現場總線接口板可提供PROFIBUSFMS、PROFIBUS-DP、INTERBUS-S、MODBUS-RTU現場總線協議。

在電廠常用的氣動調節閥閥位定位器產品中，美國FISHER-ROSEMOUNT公司的FIELDVUE DVC系列智能閥門定位器支持FF現場總線；ABB公司TZID-C系列智能閥門定位器和德國西門子公司SIPART PS2閥門定位器支持FF和PROFIBUS-PA；日本山武公司SVP3000智能定位器支持FF總線。

現場總線智能儀表及變送器。各大儀表廠家都相繼推出了現場總線型儀表及變送器，支持FF和PROFIBUS現場總線地變送器主要有Rosemount公司的3051系列、Siemens公司的SITRANS P系列、Yokogawa公司的 EJA、ABB公司的 2600T系列、Honeywell公司的ST3000系列等。

電氣現場智能化設備。電廠電氣系統的發變壓器組保護、起備變保護、自動同期裝置、廠用電切換裝置、勵磁調節器等保護和控制裝置及6 kV開關、380 kV開關控制器均采用了微機型，智能化程度高，能方便地與計算機控制系統進行雙向通信。常用總線接口類型有 RS485、CAN、PROFIBUS和LONWORKS。

2 現場總線控制系統的應用

現場總線技術應用在國內電廠試點已進行了十多年，控制范圍從最初的輔助車間部分系統到全部系統，已逐步擴展到機組主控系統。現場總線的應用，不僅確保了機組的安全經濟性，而且提高了電廠的控制水平和企業管理水平、節省了基建投資和調試時間，取得了良好的試點效果，為現場總線技術在電廠推廣應用奠定基礎。

華電萊城電廠 3、4號機組采用西門子TELEPERM-XP分散控制系統，每臺機組有83臺400 V及以下（配套SIMOCODE控制保護）的電動機及電加熱器通過PROFIBUS現場總線與DCS相連，是國內第一個局部采用現場總線技術的電廠。

云南宣威電廠六期工程（2×300 MW）、貴州納雍二電廠（4×300 MW）、甘肅張掖電廠（2×300 MW）等率先采用LonWorks現場總線技術的CSPA-2000系統，實現對高、低壓開關柜的全數字、分層開環監控，把上萬點的電氣設備管理信息引入獨立的電氣監控系統（ECMS）進行監控和維護。

華能玉環電廠（4×1 000 MW）是國內第一個在輔助車間全面采用現場總線控制系統的電廠，鍋爐補給水控制系統、電廠化學凈水及廢水控制系統采用現場總線控制系統 （西門子 PCS7 417H）、Profibus-DP和PA通信網絡、現場總線儀表和設備。總監控點數為502點，其中486點以現場總線方式接入。

華能金陵電廠（2×1 000 MW）是國內目前最大的數字化電廠試點工程，主控系統采用西門子基于PROFIBUS現場總線技術的SPPA-3000控制系統，納入現場總線控制范圍的包括鍋爐、汽機多個復雜工藝子系統，總線設備達900多臺。輔助車間采用基于現場總線技術的國產FCS165和NT6000現場總線控制系統，電氣監控系統采用國產ECSTAR6000。

華能秦嶺電廠（2×600 MW）機組全廠主控及輔控系統全部采用基于Profibus現場總線技術的FCS165現場總線控制系統一體化控制。全廠主控系統現場總線控制設備426臺（套），輔控系統現場總線控制設備579臺（套）。是首個應用在大型火力發電機組的國產現場總線控制系統。

3 現場總線控制系統配置方案

現場總線技術在單元機組控制應用目前仍處在起步階段，在遵守《火力發電廠設計技術規程》和有關電力生產相關技術規定前提下，新建發電機組建議采用DCS加現場總線的控制系統模式。

3.1 機組主控系統

影響機組安全運行的主機和主要輔機保護采用成熟的常規控制方式，不納入現場總線，熱工主輔保護和重要聯鎖的信號保留硬接線，如鍋爐安全監視系統（FSSS）、汽機數字電液控制系統（DEH）、汽輪機緊急跳閘系統（ETS）、旁路控制系統（BPS）、事故順序記錄（SOE）等。

用于聯鎖保護的開關型氣動閥門、電磁閥，建議采用常規的方式接入DCS。 用于非重要調節回路的調節型電（氣）動執行機構可納入現場總線。重要調節回路如給水、汽溫、送、引風、磨煤機等采用常規硬接線方式。用于非重要系統的開關型閥門電動裝置納入現場總線，用于重要系統的保護聯鎖的通過硬接線完成。

現場總線型智能儀表及變送器以現場總線方式接入。溫度信號因沒有過多的診斷信息，且帶總線接口的智能溫度變送器價格較高，建議采用傳統方式；主機/輔機金屬溫度測點，仍采用遠程I/O方式。

開關量儀表如壓力開關、液位開關、溫度開關等不納入現場總線。

所有機組電動機及主廠房內重要電源開關的分/合指令、狀態反饋信號等電氣量采用硬接線方式進入DCS。

3.2 電氣監控制系統

在DCS控制系統中，電氣設備信號采用硬接線進入，需大量電氣模擬量變送器和控制電纜，而且受信號采集方式及DCS的I/O點數的限制，電氣設備實時信息不能全部送入DCS。由于信息不完整，不能滿足電氣設備故障分析、狀態診斷、設備管理等數字化電廠高級應用的需要。因此采用現場總線技術的發電廠電氣監控管理系統（簡稱ECMS）也已成為當前主流設計。

ECMS將原先獨立運行、數量眾多的繼電保護裝置、測控裝置、自動裝置等通過現場總線連接起來，從現場電氣智能設備得到更多的實時信息；控制方式從單純DCS控制逐步向具備故障分析、信息管理、設備管理、自動抄表、仿真培訓等運行管理功能的方向發展，具有廠用系統電能量管理功能、廠用系統五防閉鎖功能、電廠繼電保護故障分析整定管理功能，為企業生產經營管理提供全面的電氣系統信息。

單元機組電氣設備監控系統同樣采用硬接線加現場總線控制系統相結合的技術方案：所有主廠房內重要電源開關的分/合控制指令及參與聯鎖所需要的位置狀態經硬接線送至DCS的DI、DO卡件；機組運行必須監視的回路電流、電壓、保護動作報警信號則以現場總線通信方式經ECMS通信管理機送入DCS；電氣系統分析管理信息如保護定值、故障時電流和電壓波形等數據，經ECMS系統分析處理不送入DCS，通過獨立的通信接口接入SIS和 MIS。

3.3 全廠輔助車間控制系統

火電廠輔助車間設備的監控信息主要是開關量，模擬量調節系統相對較少。采用由于進口DCS控制造價偏高，輔助車間控制系統建議采用總線型PLC或國產DCS加現場總線模式，構成對輔助車間工藝系統進行集中監控的控制系統，并通過通信接口將現場設備的實時信息通信到廠級網絡。

4 影響現場總線技術推廣應用的因素

4.1 統一總線標準困難

現場總線國際標準種類較多，但沒有一種標準能夠覆蓋所有的應用面。不同現場總線的通信協議有很大差異，實現不同總線產品的互連比較困難，使得FCS的開放性，分散性和可互操作性等特點不能充分體現。

4.2 實時數據的管理和分析沒有有效利用

從投產的發電機組看，雖然現場設備解決了數字化問題，但大部分電廠實際使用時沒有真正把遠程診斷功能和管理自動化一起納入監控系統；企業經營決策的管理軟件（如ERP）雖廣泛應用但功能尚在健全中；廠級SIS和MIS中優化控制、狀態診斷需進一步完善充實。實時數據的管理和分析沒有效利用，影響了企業推廣應用現場總線技術的積極性。

4.3 快速性與安全性需進一步驗證

電廠過程控制回路相關度高、控制功能復雜、安全性和穩定性要求高，目前工程技術人員對現場總線技術還沒切實掌握，需要實踐驗證。如PROFIBUS總線和FF總線可以滿足機組控制對一般輸入、輸出信號處理的實時性的要求，但無法滿足快速處理回路的時間要求。為安全或快速響應而設置的開關量信號，還必須考慮采用常規DCS的I/O模件來處理。

4.4 現場總線型設備的選擇范圍相對較小

目前能提供現場總線設備的生產廠家越來越多，但由于沒有完善的準入機制，設備質量參差不齊，支持現場總線的成熟的國產設備很少，尤其是針對電廠開發的智能設備，現場總線型設備的選擇范圍相對較小。

4.5 在電氣與熱控控制系統規劃方面需進一步優化

在新建電廠施工設計中，ECMS和FCS是按（電氣/熱控）專業劃分范圍、采用不同現場總線系統又相對獨立的模式搭建的。ECMS與DCS之間采用通信模式進行信息交換，受通信方式和通信速率的限制，響應速度慢會對被控制設備的實時性和控制系統本身的安全性產生不良影響。因此充分重視全廠自動化和信息化方案的總體規劃，做好專業間的接口模式優化，實現熱工電氣控制一體化，也是數字化電廠建設必須解決的問題。

5 結語

現場總線技術代表了自動化發展方向。建設數字化電廠是今后發電企業發展的必由之路。十多年的工程試點表明FCS可滿足大型發電機組運行控制要求，而且實現了現場設備數字化，解決了制約數字化電廠發展的一個難題。

目前，FCS在單元機組控制中推廣應用還處在起步階段，有許多需要解決完善的問題，在工程實施中可能遇到意想不到的情況，應用現場總線控制系統時不僅要考慮到造價、功能、效益，還必須兼顧技術和安全性，在新建電廠工程設計階段就必須做好數字化電廠規劃。