現(xiàn)場總線技術在電廠控制中的應用簡介

華能重慶兩江燃機發(fā)電有限責任公司 李 濤

現(xiàn)場總線技術在電廠控制中的應用簡介

華能重慶兩江燃機發(fā)電有限責任公司 李 濤

本文以某電廠現(xiàn)場總線技術的應用為例，對現(xiàn)場總線技術作了應用以及經濟性方面的分析，從現(xiàn)場總線技術的選取和技術特點的層面闡述了總線技術的標準配置和應用范圍，最后通過分析當今現(xiàn)場總線存在的實際問題，提出具有一定指導意義的預防以及處理對策。

現(xiàn)場總線；采集控制；技術分析

現(xiàn)場總線控制技術作為一種新興技術，廣泛成功地應用在石化、化工、冶金、醫(yī)藥、市政工程、樓宇、建材等多個行業(yè)。與其形成鮮明對照的是，現(xiàn)場總線技術在電廠過程控制中的實質性實施卻始終不多，不過隨著認識的提高和技術的發(fā)展，這樣的局面近期已有所改變。如某電廠在化水系統(tǒng)、尿素系統(tǒng)、鍋爐和汽機系統(tǒng)中成功實現(xiàn)了現(xiàn)場總線技術的應用。事實上，目前各大發(fā)電集團都十分關注電廠熱控自動化新技術的應用和由此產生的巨大效益。著眼于領導先進技術潮流、合理控制工程造價、全面提升電廠自動化水平，華能確定了某工程在機組控制中大面積應用現(xiàn)場總線技術，這在整個發(fā)電廠系統(tǒng)中是第一次。

1 現(xiàn)場總線的選取及應用層面

1.1 現(xiàn)場總線的選取

這些年來，通過現(xiàn)場總線在不同行業(yè)中的逐步深入應用，專業(yè)技術人員對各種總線標準應用場合的認識日益清晰。比較一致的結論是：對過程控制應用來說，PROFIBUS和FF總線比較適合。兩種總線標準相比而言，F(xiàn)F較適用于連續(xù)量控制(取代4～20 mA模擬量)，而PROFIBUS較適用于離散量控制[1]。

大量的工程實踐證明，PROFIBUS和FF現(xiàn)場總線標準能夠滿足電廠過程控制的應用要求。因此，某電廠控制系統(tǒng)原則上采用上述兩種現(xiàn)場總線標準。

1.2 現(xiàn)場總線的應用層面

火電廠機組控制功能從簡單到復雜分布很廣，有單回路、串級調節(jié)回路，也有多輸入多輸出的交叉耦合控制系統(tǒng)，還有可靠性要求很高的快速保護連鎖邏輯。FF現(xiàn)場總線設備具有一定的控制和運算功能，能夠完成較單純的單回路或串級調節(jié)任務，但是對于存在多回路耦合的復雜控制，需要在不同網段間傳輸數(shù)據，就可能影響控制的實時性。Profibus現(xiàn)場總線的現(xiàn)場智能設備本身基本不具備控制功能。通過與Emerson公司的技術交流，某電廠最終確定在現(xiàn)場設備層全面采用現(xiàn)場總線技術，調節(jié)回路控制策略和設備控制邏輯仍按照工藝系統(tǒng)劃分在不同DCS控制器中集中處理，基本不減少DCS控制器的配置[2]。

目前，國內火電廠采用的主流DCS基本上都已提供了各自的現(xiàn)場總線解決方案。如Siemens公司的T-3000支持PROFIBUS現(xiàn)場總線標準；Emerson公司的OVATION提供了FF和PROFIBUS-DP現(xiàn)場設備的接入。這些著名DCS品牌產品無一例外地均是在原有DCS的基礎上，提供對智能現(xiàn)場儀表和控制執(zhí)行機構的現(xiàn)場總線支持。可以這樣說，火電廠現(xiàn)場總線的應用將更側重于現(xiàn)場設備的數(shù)字化及由此數(shù)字化而帶來的種種益處，而不在于純粹意義上的FCS應用。

1.3 現(xiàn)場總線設備基本情況

1.3.1 現(xiàn)場總線型電動執(zhí)行機構。

現(xiàn)場總線型電動執(zhí)行機構品牌較多，其中主要為：恒春、科遠、ROTORK、Siemens。這些品牌的產品基本上以支持PROFIBUS-DP總線標準為主。

1.3.2 現(xiàn)場總線型變送器。

目前，世界各大儀表生產廠都相繼推出了現(xiàn)場總線型變送器，目前，支持FF和PROFIBUS現(xiàn)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等等，上述產品在電廠過程控制中已廣泛使用。

表1 某廠FF網段設備配置

1.3.3 現(xiàn)場總線型執(zhí)行機構。

某電廠主要用到的總線型電動執(zhí)行器有恒春、ROTORK、科遠等電動執(zhí)行機構和電磁閥控制的氣動執(zhí)行機構。

2 實施方案和技術經濟分析

2.1 方案設想及應用技術分析

推行現(xiàn)場總線在機組控制中的應用，應重點考慮以幾個方面的問題：

2.1.1 可靠性和可用性。

電廠發(fā)電機組連續(xù)安全穩(wěn)定運行是至關重要的，而控制系統(tǒng)的可靠性是保證機組可用率的重要因素。為了提高系統(tǒng)的可靠性，現(xiàn)場總線技術(FF和PROFIBUS)已經采用了多項措施，常用的主要有分散和冗余二項。

分散方面：對FCS系統(tǒng)而言，主要通過網絡分散和控制分散來提高可用性。某電廠主要控制策略還是采用常規(guī)DCS應用方式，按工藝系統(tǒng)分散在不同的控制器內實現(xiàn)，故功能分散能夠滿足要求。火電廠機組控制中存在大量控制回路之間的相互連鎖、信號交換。故在現(xiàn)場總線網段劃分設計時，原則上工藝相關的設備掛接同一網段上，以確保該網段總線故障只影響局部工藝系統(tǒng)而不影響到機組整體的安全性。

冗余方面：現(xiàn)場總線系統(tǒng)通過主站網絡冗余、總線電源冗余、鏈路設備冗余、控制器冗余等實現(xiàn)，其中鏈路設備冗余、電源、主站網絡和操作員站冗余是現(xiàn)場總線系統(tǒng)常用的冗余措施。某電廠對所有具有冗余總線接口的電動執(zhí)行機構、馬達驅動控制裝置等設備均采用冗余總線連接；控制系統(tǒng)中所有總線電源也冗余配置。目前PROFIBUS-DP已實現(xiàn)了網段介質冗余。

通過診斷可以提高系統(tǒng)的可用性。這是FF和PROFIBUS設備管理中對現(xiàn)場設備本身的基本管理，因為現(xiàn)場總線設備具備多種自診斷信息，有利于發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場設備本身及其它工藝設備的故障，從而確定其輕重級別和真實性[3]。

2.1.2 實時性。

在火電廠機組控制運用現(xiàn)場總線控制技術，現(xiàn)場總線的實時性是一個需要關注的內容。對此，我們對一些潛在供貨商的控制系統(tǒng)進行了了解。其中，PROFIBUS-DP總線的數(shù)據為：

PROFIBUS-DP總線的傳輸速率可達12Mbit/s。

一個PROFIBUS-DP從站的響應時間＜0.3 ms。

PROFIBUS總線系統(tǒng)中一條DP分支的查詢循環(huán)周期是2 ms。

對于FF總線，有關廠家技術人員提供了一個網段上配置不同數(shù)量設備及應用情況下的執(zhí)行時間數(shù)據，具體如表1所示。

常規(guī)DCS技術規(guī)范中對現(xiàn)場信號的采集周期要求為：“所有模擬量輸入每s至少掃描和更新4次，所有數(shù)字量輸入每s至少掃描和更新10次。為滿足某些需要快速處理的控制回路要求，其模擬量輸入信號應達到每s掃描8次，數(shù)字量輸入信號應達到每s掃描20次”。由此可見，PROFIBUS 總線和FF總線完全能夠滿足機組控制對一般輸入、輸出信號處理的實時性的要求。鑒于目前PROFIBUS-PA及FF總線宏周期一般在100 ms至1 s之間，這還是無法滿足電廠機組控制中的快速處理回路的時間(50 ms左右)要求。因此，系統(tǒng)中為安全或快速響應而設置的開關量信號，我們還是考慮采用常規(guī)DCS的I/O模件來處理。

2.1.3 故障影響性。

現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的網絡設計至關重要，不僅要根據系統(tǒng)I/O點的規(guī)模，而且要根據設備的地理分布、功能的相關性等因素，設計各層網絡的覆蓋范圍、支路的數(shù)量、支路及分支的長度、各分支的設備數(shù)量等，這些設計對系統(tǒng)的性能、硬件配置等都有重要影響[4]。因此，某電廠各工藝子系統(tǒng)將根據工藝相關性和現(xiàn)場布置位置進行網絡分段設計。

某電廠中每個網段上掛接的現(xiàn)場總線數(shù)量以不超過該標準規(guī)定最大數(shù)量的40%～50%為宜；冗余設置的現(xiàn)場儀表應接入不同網段；工藝上并列運行或冗余配置的設備，其相關驅動裝置應連接在不同的網段上；控制邏輯相關的儀表測點和控制對象原則上掛接在同一總線段上。控制系統(tǒng)將根據工藝流程合理配置總線數(shù)量和掛接的現(xiàn)場設備，確保任何一條總線故障時，只產生工藝系統(tǒng)的局部故障，不會引起機組的危急狀態(tài)，造成整個工藝系統(tǒng)停運，并將這一影響限制到最小。

2.1.4 系統(tǒng)配置方案。

整個機組控制系統(tǒng)按照工藝過程劃分為多個子系統(tǒng)，其中包括鍋爐汽水取樣系統(tǒng)，鍋爐部分壓力、溫度及閥門，脫銷系統(tǒng)，化學治水系統(tǒng)，除鐵過濾器系統(tǒng)，發(fā)電機溫度等，上述各子系統(tǒng)均采用現(xiàn)場總線技術。鑒于對機組安全運行至關重要的系統(tǒng)，回路處理速度要求高，某電廠還是采用成熟的常規(guī)控制方式。

某電廠變送器總體上均采用現(xiàn)場總線型智能變送器接入DCS，電動執(zhí)行機構總線主要用在脫銷、化學治水、鍋爐排空和疏水上。由于氣動閥比較分散，不易管理。因此某電廠還是采用常規(guī)I/O方式接入DCS。

為充分發(fā)揮現(xiàn)場總線設備具有的故障自診斷和網絡化管理能力，DCS應配套設置現(xiàn)場總線設備診斷和管理軟件。設備管理人員通過軟件查詢所有現(xiàn)場設備（儀表、執(zhí)行機構等）的運行情況，診斷維護信息，尋查故障，現(xiàn)場設備狀況始終處于維護人員的遠程監(jiān)控之中。同時，根據該軟件提供的信息準確地制定大修或搶修的作業(yè)計劃和備件儲備，節(jié)約維修費用，降低生命周期成本。

2.2 工程造價分析

目前階段在機組控制中全面采用現(xiàn)場總線技術，除了在技術上可行外，還必須對其設備投資與常規(guī)DCS控制方式進行比較。為此，針對DCS本身以及涉及到的現(xiàn)場儀表、執(zhí)行機構、電纜及電纜橋架等，市場價格情況作了一個初步分析。

2.2.1 DCS。

某電廠調節(jié)回路控制策略和設備控制邏輯仍在DCS控制器中集中處理，故DCS控制器配置數(shù)量與常規(guī)機組相當。

采用現(xiàn)場總線后，控制系統(tǒng)中多數(shù)閥門執(zhí)行機構和電動機，它們是以“對象”為單位掛接在總線上，某電廠應用方案中總線接口卡件加常規(guī)的I/O卡件總數(shù)比常規(guī)DCS的I/O卡件大幅減少，DCS機柜數(shù)量也因此相應削減，這是采用現(xiàn)場總線技術之后DCS硬件的主要節(jié)省部分。由于某電廠還保留了一定數(shù)量的常規(guī)控制應用，而且采用現(xiàn)場總線之后，系統(tǒng)還需配置現(xiàn)場總線電源模塊、現(xiàn)場總線通訊柜、現(xiàn)場總線電纜（光纜）以及總線分線盒，采用現(xiàn)場總線后DCS價格與常規(guī)DCS持平。

2.2.2 電動執(zhí)行機構。

近年來新建工程項目中的電動執(zhí)行機構大多數(shù)已要求采用智能一體化產品，在這種情況下，通過進一步明確現(xiàn)場設備應符合的總線標準，即可將設備接入現(xiàn)場總線系統(tǒng)，成本增加不大。經了解，平均每個現(xiàn)場總線電動執(zhí)行機構約比智能一體化執(zhí)行機構貴5000元人民幣左右。

2.2.3 變送器。

目前帶現(xiàn)場總線接口的智能變送器較常規(guī)智能變送器貴出約500元人民幣。

2.2.4 電纜及電纜橋架。

采用現(xiàn)場總線技術可以較大程度上節(jié)約電纜、電纜橋架等安裝材料，當然也相應減少了施工工程量。根據某電廠現(xiàn)場總線控制對象數(shù)量估算，采用現(xiàn)場總線后計算機電纜和控制電纜約減少約30%。

為具體比較運用現(xiàn)場總線與采用常規(guī)DCS在工程造價方面的差異，下面以某電廠工程量為例分析如表2所示，各類控制對象匯總(1號機組及鍋爐補給水系統(tǒng))。

通過分析，我們可以看到：采用現(xiàn)場總線之后，整個機組控制系統(tǒng)的投資費用較采用常規(guī)DCS增加約50萬，但這一投資增加量占整個工程中熱控設備材料投資額的比例很小。此外，上述分析并未計及由于電纜、橋架減少以及雙絞線接線節(jié)省的現(xiàn)場安裝施工工程量。考慮到應用現(xiàn)場總線技術將帶來全廠管控數(shù)字化和全生命周期的設計、安裝、調試、運行維護成本節(jié)約等有利因素，如此程度的投資增加是可以接受的。

3 現(xiàn)場總線技術應用存在的問題和預防措施

3.1 存在的問題

3.1.1 與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)相比現(xiàn)場總線系統(tǒng)優(yōu)勢的發(fā)揮。

以智能化現(xiàn)場儀表為基礎的現(xiàn)場總線技術的應用，其優(yōu)點不僅在節(jié)省電纜、安裝、調試等工程量，更多的在于維護簡單、具有自動診斷、校正等管理功能。目前雖然國內已開始把管理自動化和遠程診斷功能集成在一起納入監(jiān)控系統(tǒng)，在一定程度上發(fā)揮現(xiàn)場總線系統(tǒng)降低運行維修成本的優(yōu)勢，但還沒有達到期望的高性能和對火電機組的充分適應，有待進一步提高。

3.1.2 工程安裝和調試技術要求提高。

現(xiàn)場總線系統(tǒng)的安裝工作量減少，但技術要求提高。有的需要使用專用設備和工具，有的需要特殊的工藝和方法。此外，由于現(xiàn)場總線技術包含許多新的技術內容，組態(tài)參數(shù)很多，不容易掌握，在工程調試和運行時常會遇到困難，因此，需要有一支較強的技術隊伍來解決調試運行中產生的技術難題。

3.1.3 現(xiàn)場總線產品可選范圍相對較小。

現(xiàn)場總線仍在發(fā)展過程中，其智能現(xiàn)場設備的規(guī)范和品種比起常規(guī)儀表來說，還是比較少，特別是針對電廠開發(fā)的現(xiàn)場總線高性能智能現(xiàn)場設備較少，因而在設計系統(tǒng)時選擇的余地不大。

表2 工程量分析

3.1.4 工藝設備成套配供設備的協(xié)調較難。

國內電廠設計中會碰到較多的工藝設備配供控制裝置，這些廠家長期形成的習慣做法對現(xiàn)場總線的實施將是一個巨大的挑戰(zhàn)。他們的設計人員中對現(xiàn)場總線技術概念還很少接觸，這方面的困難尤為突出。

3.2 現(xiàn)場總線技術應用問題的應對措施

為了使工程設計達到預期的目標，工程建設各方應加強技術儲備和廣泛開展多方位的技術交流。工程技術人員應努力學習現(xiàn)場總線技術的有關知識，加深對現(xiàn)場總線的理解，逐步形成現(xiàn)場總線控制技術的工程應用能力。

對于實際操作過程，應從技術角度出發(fā)，根據工程的特點和需要，對各種現(xiàn)場總線系統(tǒng)的技術性能、產品配套程度、國內技術支持程度、供貨商信譽、售后服務、價格和兼容性以及與其他系統(tǒng)接口的難易程度等進行綜合比較，從而選擇和確定現(xiàn)場總線系統(tǒng)的類型。采用產品性能優(yōu)越的現(xiàn)場總線產品，這類產品可以保證使用者的投資具有長期效益。

為確保工程的有效、順利實施，在工程設計之前應積極開展與DCS廠家之間的技術交流，以便在技術上進行充分的準備。同時，由于現(xiàn)場總線設計應用與現(xiàn)場儀表、控制設備的布置位置關系密切，在設計過程中要充分考慮設備的物理安裝位置和網絡分段對工藝系統(tǒng)運行的影響。所以，設計工作一旦開展，DCS廠家與設計院應緊密配合，相互協(xié)調。

DCS廠家應按確定的總線標準，提供他們在以往工程實踐具有良好應用業(yè)績的變送器、分析儀表、執(zhí)行機構、馬達控制器等現(xiàn)場總線設備的廠商名單。

4 結語

現(xiàn)場總線系統(tǒng)技術極大地簡化了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)繁瑣且技術含量較低的布線工作量，使其系統(tǒng)檢測和控制單元的分布更趨合理。更重要的是從原來的面向設備選擇控制和通信設備轉變成為基于網絡選擇設備。現(xiàn)場總線相比于傳統(tǒng)通訊更加穩(wěn)定，不易受干擾，在臺賬完善的情況下查詢更加直觀、便捷。事實上，目前各大發(fā)電集團都十分關注電廠熱控自動化新技術的應用和由此產生的巨大效益。著眼于領導先進技術潮流、全面提升電廠自動化水平，現(xiàn)場總線的實施無疑是一個很好的平臺。

[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、選評、設計和應用[J].北京，中國電力出版社,2001年3月第一版、2004年3月第三次印刷

[2] 陽憲惠主編.現(xiàn)場總線技術及其應用[J].北京，清華大學出版社，1999年第一版

[3] 周明.現(xiàn)場總線控制[J].北京，中國電力出版社，2002年第一版

[4] 王鑫鑫.現(xiàn)場總線控制技術在電廠中的應用研究[J].電站系統(tǒng)工程,2001(7)