現場總線技術在火電廠的應用

郝乾軍

（西安工程大學，陜西西安 710043）

0 引言

隨著智能儀表和計算機網絡的發展，現場總線技術在國內大型電廠逐漸開始應用，尤其近幾年對數字化智慧電廠建設的呼聲日益增高，現場總線技術和現場總線控制系統在電力行業中的廣泛應用提出新的挑戰。針對現場總線技術在火電廠中的應用，進行深入的探究與分析。

1 現場總線技術概述

現場總線是一個數字化的、串行、雙向傳輸、多分支結構的通信網絡系統，是用于工廠/車間儀表和控制設備的局域網，稱為現場總線。通俗地說，它是一種局域網（Local Area Network，LAN）。現場總線把單個分散的數字化、智能化的測量和控制設備作為網絡節點，用數據總線相連接，實現相互交換信息，并協同完成檢測、控制功能。現場總線是將通信功能投入到工作現場與工作設備的一種智能方式，通過全自動或半自動的優化來提升數據通信智能化程度，可以突出信號的傳輸功能，為電廠的工作設備做出技術優化。現場總線技術可以將電廠的設備進行智能互聯，通過互聯的方式將傳輸變得更加便捷與智能。

現場總線技術可以促進火電廠向數字化和智能化電廠進行轉換，通過計算機技術與網絡技術的發展，將電廠的監控系統、設備運行系統與信息系統進行綜合的分析與集成化的發展，運用數字化的智能手段，提升設備的硬件設施，智能數字化發電廠是未來的火電廠發展趨勢。

2 現場總線結構特點及優勢

2.1 高開發性和互操作性

現場總線的發展因為各廠家產品均自成系統，導致分布式控制系統（Distributed Control System，DCS）在形成過程內，無法將不同廠家的設備接連在一起，無法實現互換和互操作的目的。而現場總線技術則對DCS 內封閉的專用網絡系統來進行通信這一缺陷進行彌補，將專用的解決方案及封閉系統轉變為標準化的解決方案、公開式系統。也就是可將不同廠家但遵守同一協議規范的設備，利用現場總線技術將其連接成系統，對于綜合自動化的各項功能進行完成。

2.2 高分散性和可靠性

現場總線結構的最主要特點就是將火電廠的設備結構分散，安全系數得以提升。在火電廠的工作現場，智能化的數據分析可以對工作環境進行適應于提升，有較強的抗干擾能力，同時可以滿足設備的安全防爆需求。

2.3 全數字化和智能化

現場總線技術的另一個特點就是設備工作數據的智能數字化，數據更加可靠。自動的數字化技術將設備的工作狀態轉換成為數字信號，提升對于設備的掌控能力，提升工作數據的精準程度，將系統進行簡約化發展，提升系統的工作效率減少繁瑣不必要的程序是智能數字化的優勢發揮之處。

2.4 節省投資和安裝費用

電廠使用現場總線技術可以大量減少I/O 電纜，簡化設計，節省電纜、電纜橋架、敷設空間及安裝工作量。同時減少控制機柜數量，可節省電子間的空間。

2.5 提高故障診斷能力、維護更為靈活

現場設備自身具備自我診斷以及簡要故障處理的能力，同時可利用數字通信把有關診斷維護信息傳送到設備管理系統（Application Management System，AMS）記錄和積累設備運行狀態、診斷信息，預測設備故障，為設備狀態檢修和可靠性評估奠定了基礎。工作人員可對設備的運行情況進行查詢，對維護信息進行診斷，從而對故障原因進行分析并解決，可遠程對現場智能儀表進行調試，調試中可減少查驗點，遠程監視和診斷現場設備，節省工作量和時間。對于維護停工時間進行縮短，加之系統結構較為簡單，因此維護工作量大大減少，維護也更具靈活性。

3 主流總線技術及分類

在現如今的現場總線技術之中，主流的技術手段主要有基金會現場總線（Foundation Fieldbus，FF）、程序總線網絡（PROcess FIeld BUS，以下簡稱Profibus）、局部操作網（Lucal Operating Netwok，以下簡稱LonWorks）、控制器局域網絡（Controller Area Network，CAN）、傳感器總線系統（以下簡稱InterBus）等。其中，FF 與Profibus 是目前電力行業最具發展前景、最具競爭力的總線，兩者的共同點是低速總線都符合IEC/ICA 的物理層協議，都可以實現總線供電，有防爆功能適用于較危險的場合，兩者都有得到用戶與生產上的國際組織支持，都是運用數字信號進行工作，都可以實現多點掛接，可以節約電纜并且節約成本，但是兩者還是具有不同的特點。

首先，FF 總線具有開放的數字通信功能可以與多樣的通信網絡進行互相連接，FF 的系統是較為開放的，可以由不同的制造商設備進行組成，可靠性較高，可以采用數字傳輸技術，提升通信的抗干擾能力，具有更高的精準程度，工程造價較低，可以實現高度的智能與功能的自主性。總線的操作協議較為復雜，因此在實際的現場總線技術中應用較少。

其次，Profibus 是應用最廣泛的一種主流技術，在火電廠的發展中也是主流技術手段，全世界已經有超過250 家企業可以生產超過2000 中支持Profibus 系統的控制設備。Profibus 可以適用于高速的信息傳遞，時間上可以縮短很多，對于大范圍的復雜通信場合有更強的處理能力。對于不同的應用對象，Profibus可以選取不同規格的總線系統，不需要增添轉換裝置。Profibus的數據傳遞更加的安全，安全系數更高，其進入我國的時間盡管還不太長，但是應用范圍與日俱增。

再次，DP 總線（Profibus 的高速數據傳輸形式）具備以下特點。首先由于其是全數字調速裝置，且操作十分簡單，可應用于各種場合具備經濟性及靈活性。同時對于主動系統及總線系統壓力進行減輕，具備較少的電纜但抗干擾度極高，同時具有保護機制，各個從站都具備獨立的控制定時器，在一定監測時間內，假如數據傳輸有偏差定時器則會超時。超時現象發生后，用戶會立即得到信息，加強了系統整體的可靠性。

最后，PA 總線（Profibus 的過程自動化控制系統）具備以下特點：使不同廠家生產的現場設備具備交換性；總線站點的去除與增加，在本站安全區域也不會對其他站產生影響；過程自動化的PA 段與制造業自動化的DP 總線段經藕合器連接，可實現兩段間的透明通信。

4 現場總線術在火電廠的應用

4.1 現場總線技術在電廠的應用情況

現場總線技術在電廠的主、輔系統中廣泛應用。下面以某電廠應用的Profibus 總線技術為例進行介紹。

火電廠系統具有控制任務集中而復雜的特點，不同的控制回路之間往往存在相互的聯系。本工程在現場設備層采用現場總線技術，所有的設備控制策略在控制系統控制器中集中處理。控制器采用成熟的具有總線接口的冗余控制器，不考慮將控制任務分散到現場智能設備的方式，以免造成總線結構復雜、總線通信負荷率增大等缺陷。

現場總線在主控系統的應用原則：凡出現故障將直接危急機組安全運行、主機和主要輔機保護的功能不納入現場總線，如鍋爐安全監視系統（Furnace Safety Supervisory System，FSSS）、汽機數字電液控制系統（Digital Electric Hydraulic Control System，DEH）、汽輪機緊急跳閘系統（Emergency Trip System，ETS）、給水泵汽機控制系統（Manufacturing Execution System，MES）等；要求快速控制檢測的對象和要求時間分辯率高的檢測參數，不納入現場總線系統，如旁路控制系統、事故順序記錄（Sequence Of Event，SOE）等。

（1）主控系統。現場總線的應用范圍包括鍋爐、汽輪發電機及其輔助系統的部分監測、控制（溫度、壓力、流量、液位等），其中包括調節型電動執行機構、開關型閥門電動裝置、氣動調節門、氣動開關門、部分380 V 電機等。

（2）輔控系統。均采用基于Profibus 現場總線協議的PLC 系統，這些輔助公共系統具體涵蓋除塵車間、化學車間、污水處理車間、輸煤車間、空壓機等車間，此類車間內部監控信號多以開關量為主，而模擬量調節項目極少，所以大部分均采取PLC 可編程控制器來進行系統控制及監視。利用Profibus 現場總線通信標準，對全廠建立輔助公共系統的PLC 監控網絡，由于Profibus 可以對信息進行快速傳遞，在通信復雜的場合具備極強的處理能力，同時對于不同對象有針對性的選取不同規格的總線系統，無需加入轉換裝置，對數據進行傳遞時更為安全可靠。因此在對車間工作站進行現場維護及調試時，可對監控點進行集中管理、分散進行控制，從而經由通信接口把信息傳輸至廠級控制網絡。

4.2 智能設備管理應用

現場總線設備監控管理系統，采集現場總線設備豐富的信息，以數據挖掘技術為核心，為用戶提供設備遠程實時監控、故障診斷、設備檢修（維護）指導、設備缺陷單管理、設備運行狀況的統計分析、歷史數據管理分析等功能，實現了全廠現場總線設備的統一監管。現場總線設備監控管理系統的應用，實現了全廠現場總線設備的統一監控和管理。有效地利用了現場總線設備的狀態和診斷數據，進行設備故障預測，并提出維護/維修指導，變“故障檢修”為“預測檢修”，變“就地巡檢”為“遠程巡檢”，降低了設備的維護成本，提高了設備的可用率，為電廠的安全穩定運行提供了有力的保障。

AMS 以FF 或Profibus 協議為基礎，以EDDL、FDT 為技術手段，集數據采集和數據分析于一體，為現場總線智能儀表提供統一管理平臺，將多種類型儀表統一集成管理。它采用開放的標準協議，對于不同協議、不同廠商、不同類型、不同接入方式的多種儀表設備提供相同的操作方式和相同的界面顯示。從而為智能設備預防性維護、預測性維護及前攝性維護提供一體化解決方案。

該平臺可集成儀表的遠程配置與診斷信息，提供了豐富的儀表設備信息和故障診斷信息，通過對設備的狀態監測及診斷，對設備進行主動性維護和預測性維護，提高整個工廠設備的可靠性與可用性。

提供的設備管理與維護功能，使智能設備發揮最大效益，減少儀表的損耗并降低維護成本。可遠程對現場智能儀表進行調試，完全可替代傳統的手操器功能。智能設備涵蓋智能傳感器、執行器、變送器和通信接口設備等。由于未來戰斗系統（Future Combat Systems，FCS）現場設備具備智能化的特點，將其應用于火電廠中，可選擇性的對一些控制點及測量點單位進行調節，利用智能化設備來對現場進行控制。智能化設備可利用現場總線對數字信號進行傳遞，其中包含設備制造商提供的基本信息以及生產過程參數實際測量信息，例如：被測量參數的設備型號、量程、材料等，不但對于設備具備的共性進行描述，某些特定設備也有相應的特有描述。例如溫度傳感器，可能涵蓋熱元件型號、允許測量范圍、連接方式等信息，經由智能化設備傳遞其設備自身信息，電廠設備管理系統可對其進行合理有效的管控。當下，大部分智能化設備均遵循可尋址遠程傳感器高速通信協議標準（Highway Addressable Remote Transducer，HART），利用遵循該協議標準的現場儀表來對設備進行校驗，則可快速完成檢查及校驗工作，利用總線通信將數據信息傳輸至上層管理系統，從而達到科學管理的目的。

4.3 與MIS 接口及數據傳輸

目前，AMS 里大量的故障診斷信息數據在“沉睡”，沒有真正發揮現場總線技術的故障診斷能力和優勢。只有將AMS 里豐富的故障診斷信息數據鏡像傳輸到管理信息大區里的管理信息系統（Management Information System，MIS），才可以為基于設備的狀態檢修的大數據智能綜合分析提供基礎數據和技術手段。

由于AMS 部署在生產控制大區，而MIS 部署在管理信息大區，但生產控制大區與管理信息大區之間存在數據單向傳輸網閘隔離，不能進行數據雙向傳輸。所以需要在生產控制大區部署AMS 接口機并開發數據傳輸接口程序，解決數據單向傳輸訪問受限問題。由于AMS 里的故障診斷信息數據存儲在關系型數據庫里，所以接口程序首先要從AMS 定時取出數據，并具備數據緩存功能，然后打包成用戶數據報（User Datagram Protocol，UDP）協議類型的數據包，通過虛擬IP 地址穿越網閘，把數據傳輸存儲到MIS 的關系型數據庫里。相當于在管理信息大區做了AMS 的數據鏡像，并定期更新數據，這樣可以解決了在管理信息大區不能穿越網閘直接訪問生產控制大區的數據問題，從而為基于設備的狀態檢修大數據智能綜合診斷奠定數據基礎。

4.4 故障診斷信息管理應用

現場總線技術在火力發電廠的應用過程中，故障診斷信息管理應用是現場總線技術的核心，為設備的運行狀態檢修提供技術手段。故障的診斷信息管理的發展需要對所有運行設備進行常規的日常狀態監控，也就說俗稱的預防性檢查，計劃性的對投入使用的所有設備進行狀態的監控。

由于現場總線AMS 里存儲著大量的智能儀表基礎信息和故障診斷信息，把這些故障診斷信息與MIS 系統里的設備檢修維護記錄、定期試驗記錄、點巡檢記錄、設備可靠性記錄以及與安全儀表系統（Safety Instrumented System，SIS）的實時數據和性能指標數據項結合綜合分析、充分利用，可以為基于設備的狀態檢修的大數據綜合智能分析提供基礎數據和技術手段。

機械設備都具有相應的數據來進行常規的狀態監測，電壓、電流、氣壓、溫度、振動等不同的數據來進行狀態分析。這些數據有一定的標準范圍，例如在火電廠的發電過程中，電壓超出標準的范圍將會被物聯網技術的傳感器提供故障警示，通知管理人員及時的進行修理與檢查。在進行多次檢修的過程中可以根據不同的數據異常形成一套專業故障診斷辦法，通過對數據的專業化分析來形成故障診斷信息管理的專業化升級，以此來促進對于設備狀態檢修方面的應用，提升火電廠的智能化管理水平。

4.5 設備狀態檢修方面的應用

在設備的轉臺檢修之中根據維護檢修管理的方式主要的檢修策略可以分為3 種：首先是基于時間的定期檢修。這是一種傳統的檢修方式，不過多的考慮到設備的運行應用狀態問題，定期進行設備的檢修，這是最主要的檢修方式；其次，根據設備的使用狀態進行檢修。這是一種較為先進的檢修方式，根據開關的開合次數、馬達的啟停次數以及設備的運行時間等數據的結合來確定設備的工作狀態，這種檢修周期往往較長，檢查也較為復雜；最后，針對設備的運行狀態來進行檢修。這是一種基于設備的運行具體數據來進行設備的檢修，以此來預估設備的運行狀態，根據設備的運行健康來安全檢修。利用電子傳感技術與微電子技術的不斷應用，對故障檢修提供更多的便利。與此同時，現場總線技術的智能化應用可以對機械設備的各項數據進行存檔，形成巨大的數據庫，方便日后對于電廠內的所有機械設備進行分析與整合，判斷設備的運行狀態。例如：基于現場總線技術和SIS 設備的檢修應用，通過智能化現場儀表為基本的應用，具有維護簡單、自動診斷、校正等管理方面的功能，進行管理自動化與診斷功能的進一步開發，以此降低運行維修成本。對于設備故障知識進行積累并對其進行分析，某些難點重點問題采取專題討論的形式，從而找出科學合理的辦法，有效解決問題。

5 總結

綜上所述，現場總線技術在新建火電廠的主、輔設備中廣泛應用，但大量的設備故障診斷數據還在“沉睡”，沒有真正發揮現場總線技術的優勢。在火電廠的發展中，需要喚醒“沉睡”的大量數據，為設備的狀態檢修提供技術手段。只有更多地嘗試新型科技技術帶來的便利，才能促進火電廠向數字化和智能化發展，有利于我國的科技技術創新升級。因此，在現如今的現場總線技術發展過程中，需要為自動化領域進行未來發展的投入，做到有針對性的技術升級。