現場總線技術在電廠數字化進程中的應用

李金澤，趙卓，張瑞祥，郭孟，姜赫

（青島雙瑞海洋環境工程股份有限公司，山東 青島 266101）

電力系統對于經濟的發展至關重要，而電廠管控系統的數字化水平、管理決策的有效性及全面性都會在一定程度上影響電力系統的穩定。隨著智能化、信息化產業的不斷發展壯大，如何依托總線技術推進電廠的數字化轉型就成了重要的研究方向。我國火力發電廠的控制方式大致經歷了獨立控制、集中控制、集散控制三個發展階段。傳統的PLC、DCS等控制方式中，電廠各系統的設備層中，主要工藝設備均按程控步序自動運行，并設有故障報警及連鎖保護，同時，監控層設置操作員站進行集中監控、操作、管理和維護。現場設備的狀態反饋和控制信號均通過電纜或是通訊線接入控制系統中。該種控制方式中，各類電控設備、儀表、自動閥門的數字化程度較低，信號傳輸主要以模擬量、模數混合為主，設計及施工方案較為復雜。隨著總線技術的快速發展和完善，各類智能型的工業控制設備不斷涌現，這為電廠的數字化建設提供了重要的基礎和技術支撐。現場總線控制方案，可以將電廠的廠級監控管理系統、車間級控制系統與現場設備以數字化的通信網融合在一起，實現電廠大數據的全面整合，進一步提升電廠管理決策及運維的數字化水平。本文主要針對現場總線控制方案的應用進行探討，對比傳統的控制方式說明其優勢，并對智能化、大數據發展趨勢下的電廠建設及轉型提出建議。

1 控制方案

1.1 現場總線

相比傳統的數據通信網絡，現場總線具有開放性、數字化、多向通信、多站點、可互操作性等優點。自1984年開始制定現場總線標準至今，總線技術發展迅速，各大公司及行業協會相繼推出了自身具有代表性的總線。目前，國際上的主流總線有五種：FF、CAN、LONWORKS、PROFIBUS、HART。 其 中，PROFIBUS總線協議占據了全球總線市場的半壁江山，并已廣泛應用在了各領域自動化控制系統中。

PROFIBUS協議主要包括三大部分：PROFIBUSDP、PROFIBUS-PA和PROFIBUS-FMS。DP協議傳遞的數據量較大且速度快，主要用于車間級系統控制網絡與底層網絡或設備之間的通信，如控制室PLC與IO遠程站、變頻器等DP從站的通訊；PA協議傳遞的數據信息量小且速度較慢，主要用于過程自動化領域，如PLC與智能型變送器、傳感器的通訊；FMS主要用于車間級的監控網絡。

下文以PROFIBUS協議為例，簡單介紹如何現場總線控制方案在電廠中的應用。

1.2 基本要求

電廠中各類電控設備、儀表、自動閥門均按PROFIBUS總線控制的要求進行配置，主要采用PROFIBUS DP，PA協議，具體如下：（1）氣動開關閥的控制采用“閥島+DP總線接口”形式，與控制室的數據傳遞通過DP總線網絡進行；（2）氣動調節閥的控制采用帶PA通訊口的智能定位器，控制單元通過總線讀取其數據并控制閥的開度；（3）電動閥安裝帶DP通訊單元的執行器，控制室通過總線監測閥門參數并控制其動作；（4）各類帶遠傳功能的過程儀表均采用支持PA總線協議的智能型設備，所有的數據及運行參數均通過總線通信網絡在現場儀表與控制單元間傳遞；（5）電動機控制中心的控制采用支持DP協議的智能馬保或是變頻器實現；（6）各級控制中心采用DCS或PLC，并通過設置DP模塊、DP/PA耦合器等各類總線模塊實現系統各層級的數字化通信互聯。

1.3 基于PROFIBUS的網絡結構及對比

控制方案主要涉及廠級監控管理系統、車間級控制系統、現場設備層，共三個層級。

（1）監控管理層。該層主要包括SIS、MIS、ERP等系統，主要服務于電廠的生產運行、信息管理和資源的優化配置。目前，新建電廠已基本實現該層系統的數字化，現場設備層的有效信息可通過PROFIBUS協議送至該層系統中。

（2）控制層網絡。控制中心采用DCS/PLC，冗余配置，示意圖如圖1。控制系統可采用標準的工業以太網設計，上位機配置以太網卡，控制站配置以太網模塊，與上游控制系統單向或雙向通訊。同時，控制系統按需求設置DP主站、DP從站、DP/PA耦合器等，與下游的設備共同組成總線型、樹型或星型拓撲結構，通過總線連接，實現與上下游系統或設備之間的數字化通訊。設置操作員站和工程師站，用于對各系統的運行實時監控，并可按生產運行的需要控制設備動作、調整控制邏輯和設置參數。

圖1 控制層網絡示意圖

（3）設備層網絡。設備層是電廠控制系統的最底層，也是其實現數字化控制的基礎。電廠各系統中的電磁閥閥島、調節閥定位器、電動閥執行機構、馬達保護器、各類儀表等都屬于從站設備，按2.2要求配置的各DP從設備都可直接接入PROFIBUS總線網絡中，需要說明的是，對于智能型儀表等PA總線設備，需要通過DP/PA耦合器進行協議的轉換，最終接入網絡，示意圖如圖2。

對于系統中的遠程設備或IO站，可增加光電轉換器，利用光纖轉PROFIBUS-DP方式進行遠程通訊和控制。總線通訊的傳輸介質通常采用屏蔽雙絞線，若距離較遠或是遠距離通訊，可采用光纜。

圖2 總線網絡結構示意圖

（4）對比說明。傳統的DCS/PLC控制網絡架構如圖3，其基本配置與總線方案類似，主要區別在于其通訊網絡的數字化程度低。傳統方案的主要特點是點對點控制，信號傳輸主要以模擬量、模數混合為主，而總線方案是全數字信號。

圖3 DCS網絡示意圖

2 結果與討論

對比傳統DCS/PLC控制方式，總線控制方案具有以下優勢：

（1）數字化、多站、多向通信，控制全分散，抗干擾能力強。

（2）有效地節約了工程造價。總線方案對于電纜、橋架、埋管等電氣安裝材料的需求數量大大減少，也降低了設計和施工的工作量。

（3）具有強大的自診斷功能。總線設備、模塊或是通道若出現故障，各級診斷信息能夠及時、準確地送至上位機以及SIS等，方便操作人員迅速找到故障源并及時處理。

（4）系統的運維擴充方便。某一網段現場總線設備出現故障需要更換時，可以隨意更換具有現場總線功能的設備，不會影響同網段其他設備的正常運行。

與電廠傳統控制方式相比，現場總線技術可以將電廠的管理、控制系統與總線設備以數字化的通信網絡完美地融合在一起，實現電廠大數據的全面整合，使得電廠在管控數字化、施工運行方面更為方便，為電廠管理決策提供準確的依據。

3 結語

在智能制造和大數據蓬勃發展的大潮流下，電廠的控制和管理也要與時俱進，電廠在發展過程中不僅要做到控制的自動化，更要著眼于全系統管理的數字化、信息化，充分發揮現場總線技術的優勢，加速推進電廠朝著數字化、智能化、智慧化轉型。

本文主要對比傳統控制，對總線控制方案的優勢和它對電廠的數字化轉型的推動作用做了簡要說明。同時，也應當注意，現場總線尚未形成單一標準，控制方案的選擇既要考慮其成熟程度，又要考慮電站的整體需求。