現(xiàn)場總線技術在火力發(fā)電廠的應用

沈軍

【摘要】本文敘述了現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的結構特點和優(yōu)勢，并對現(xiàn)場總線技術在火力發(fā)電廠的應用上提出幾種應用思路，以及對應用過程中可能存在的問題和策略進行探討。

【關鍵詞】現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)；結構特點；火電廠；應用；存在的問題；策略

【中圖分類號】TK323；TM769 【文獻標識碼】A 【文章編號】1672-5158（2013）01—0055—02

1、引言

隨著控制技術、計算機技術和通信技術的快速發(fā)展，數(shù)字化作為一種趨勢正在從工業(yè)生產過程的決策層、管理層、監(jiān)控層和控制層一直發(fā)展到現(xiàn)場設備。現(xiàn)場總線的出現(xiàn)，使數(shù)字通信技術迅速占領工業(yè)過程控制系統(tǒng)中模擬量信號的最后一塊領地。一種全數(shù)字化、全開放式的、可互操作的新型控制系統(tǒng)——現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)正向我們走來。現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的出現(xiàn)代表了工業(yè)自動化領域中一個新紀元的開始，并將對該領域的發(fā)展產生深遠的影響。

目前在工業(yè)生產中廣泛應用的DCS系統(tǒng)采用分散式的體系結構，專利型的網絡支撐和模擬式的現(xiàn)場信號，但隨著各種智能傳感器、變送器和執(zhí)行器的出現(xiàn)，數(shù)字化到現(xiàn)場、控制功能到現(xiàn)場、設備管理到現(xiàn)場的趨勢越來越明顯，一種新的過程控制系統(tǒng)——現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)已呈現(xiàn)在我們面前。

2、現(xiàn)場總線的結構特點和優(yōu)勢

2.1.結構特點

2.1.1 現(xiàn)場總線最核心的部分是總線協(xié)議，總線協(xié)議是一種數(shù)字通信協(xié)議，圍繞總線協(xié)議構成一種應用于生產現(xiàn)場、在智能化控制設備之間實行雙向串行通信、多節(jié)點的數(shù)字通信系統(tǒng)，一種開放的、數(shù)字化的、多點通信的低層控制網絡。它使得自控系統(tǒng)和設備有了通信的能力。

2.1.2 現(xiàn)場總線的基礎部分是數(shù)字智能現(xiàn)場裝置。通過數(shù)字通信總線將所有的數(shù)字智能現(xiàn)場裝置連成一個控制網絡，構成現(xiàn)場總線的硬件支撐。

2.1.3現(xiàn)場總線的關鍵部分是信息管理。上位機與數(shù)字智能現(xiàn)場裝置在信息管理上的分工合作達到高度的集中和統(tǒng)一、分散和和諧。做到信息處理現(xiàn)場化和信息管理系統(tǒng)化。

2.2 現(xiàn)場總線的優(yōu)勢

2.2.1 簡化了控制系統(tǒng)的結構。信鼠處理實行現(xiàn)場化，減少了計算機控制系統(tǒng)I/O卡件的使用量和簡化了功能組態(tài)。

2.2.2 節(jié)省了I/O電纜的投資。數(shù)字智能現(xiàn)場裝置完成信息處理，只通過單一的數(shù)字通信總線實現(xiàn)網絡信息共享，使過程I/O電纜的使用量大大減少。

2.2.3 提高了I/O信號的可靠性和精度。信息處理實行現(xiàn)場化，避免了小信號的長距離傳送，使信號的保真度大大提高；采用數(shù)字通信技術，抗干擾能力增強了，也確保了信號的傳遞可靠。

2.2.4 信息管理和控制更系統(tǒng)化和專業(yè)化。通過大量的數(shù)字智能現(xiàn)場裝置的數(shù)字通信技術，使計算機控制系統(tǒng)的信息管理擁有充足的信息，進一步在信息化的基礎上實現(xiàn)信息管理系統(tǒng)化、控制專業(yè)化、系統(tǒng)診斷專家化。

3、現(xiàn)場總線技術在火電廠中應用思路

目前，現(xiàn)場總線技術已被廣泛認知，并逐步應用于部分實際工業(yè)過程控制中。下面試結合火電廠自動化技術的發(fā)展，提出將現(xiàn)場總線技術應用于全廠輔助公用系統(tǒng)監(jiān)控網絡、智能化現(xiàn)場設備的應用以及智能化設備狀態(tài)檢修管理方面的應用思路。

3.1 全廠輔助公用系統(tǒng)監(jiān)控網絡

在火電廠中，相對獨立的輔助公用系統(tǒng)大約有10-15個，這些輔助公用系統(tǒng)包括化學車間、工業(yè)用水車間、污水處理車間、輸煤車間、除灰車間、除渣車間、除塵車間、空壓機車間、制氫站、油庫等等，這些車間的監(jiān)控信號主要是以開關量為主，模擬量調節(jié)項目較少，因此多數(shù)都是采用PLC可編程控制器來實現(xiàn)系統(tǒng)的監(jiān)視和控制的。通過采用PROFIBUS現(xiàn)場總線通信標準或MODBUS通信協(xié)議標準，建立全廠輔助公用系統(tǒng)的PLC監(jiān)控網絡，并設置車間工作站（主要用于現(xiàn)場調試和維護）和中央工作站，以達到集中監(jiān)控點，分散控制，并通過通信接口將信息向上通信至廠級控制網絡。

3.2 智能化現(xiàn)場設備的應用

智能化現(xiàn)場設備包括智能化的傳感器、變送器、執(zhí)行器以及通信接口設備等。根據(jù)生產過程控制的需要，通過嵌入在智能化現(xiàn)場設備中的功能塊軟件組態(tài)，對需要監(jiān)控的生產過程對象，實現(xiàn)測量信號處理、開方、加減、PID運算、函數(shù)運算等功能，將控制指令傳至智能化執(zhí)行器中，自動在現(xiàn)場完成生產過程對象的調節(jié)和控制。正因為FCS現(xiàn)場設備具有智能化功能，在火電廠的應用中，可以有選擇的將一些測量點和控制點的單位調節(jié)采用智能化現(xiàn)場設備，來實現(xiàn)現(xiàn)場控制。

3.3 智能化設備狀態(tài)檢修管理

智能化設備通過現(xiàn)場總線傳遞數(shù)字信號，不僅包括反映生產過程參數(shù)的測量信息，還包括設備制造商提供的原始信息，如：被測量參數(shù)的單位、量程、阻尼、設備型號、版本號，材料等等，除了這些設備通常具有的共性外，對于一些特定設備，還有一些特定的描述。如：溫度傳感器，可以包括有熱元件型號、連接方式、允許測量范圍等信息通過智能化設備傳的設備本體信鼠，電廠的設備管理系統(tǒng)可以對智能化設備進行有效的管理。目前多數(shù)智能化設備遵循HART通信協(xié)議標準，通過專用的遵循HART通信協(xié)議標準的現(xiàn)場儀表校驗設備，就可以方便的完成設備的定期檢查和校驗，再通過總線通信，將數(shù)據(jù)信息傳送到上層設備管理系統(tǒng)，從而實現(xiàn)科學管理。

4、火電廠應用現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)存在的問題和策略

目前大型火力發(fā)電（300-600MW）機組十分復雜，具有測點多（一般單臺300MW機組有5000多點）、參數(shù)變化快及控制對象數(shù)量多（一般400-600個）、子系統(tǒng)之間關聯(lián)性強等特點。另外火電廠控制系統(tǒng)通常包括自動檢測、自動控制、順序控制和自動保護等任務，因此控制系統(tǒng)地穩(wěn)定性和可靠性對機組安全和經濟運行至關重要。雖然現(xiàn)場總線有很多優(yōu)點，但在使用中仍有不少擔憂，主要有冗余和故障隔離、高級控制、企業(yè)資源規(guī)劃、現(xiàn)有設備向現(xiàn)場總線升級等問題，下面我們就問題逐一列出并制定對策：

4.1 DCS系統(tǒng)整體升級到現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的方法不可取

雖然可對目前的部分DCS系統(tǒng)通過增加現(xiàn)場總線接口卡件和網關等方法實現(xiàn)現(xiàn)場總線功能，但軟件也需升級，費用相當昂貴，并且限于DCS的網絡結構，硬件組成，通信模式，升級后的效果也存在許多問題。

4.2 積極穩(wěn)妥的推進現(xiàn)場總線技術的運用

當前，必須大力開展現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的研究、開發(fā)和應用。對現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)在電廠自動化系統(tǒng)中應用的問題及解決辦法，應不斷地實踐、總結、提高。

4.3 全面采用現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)可能會存在的問題

4.3.1 高級復雜控制的問題。電廠中最復雜的控制系統(tǒng)是協(xié)調控制系統(tǒng)，通常包含負荷控制、主蒸汽壓力控制、主蒸汽溫度控制以及汽包水位控制等內容。若采用現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的典型做法，將控制和處理功能下移到智能現(xiàn)場設備處理，由于各子控制系統(tǒng)之間相互關聯(lián)，必然導致H1與上層網絡HSE之間通信的信息量劇增，會增大控制系統(tǒng)的處理周期，建議應采用集成控制發(fā)式，將高級復雜的控制系統(tǒng)經TCP/IP等聯(lián)入系統(tǒng)中。

4.3.2 聯(lián)鎖保護、順序邏輯控制中的問題。對于處在協(xié)調級的SCS、APS系統(tǒng)，其SCS的作用是控制機組啟停，而APS是全廠機爐大聯(lián)鎖。在采用現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)時，響應時間是關鍵因素。在實際使用上可以采用以下措施進行控制：①采用PROFIBUS DP或通過MODBUS可實現(xiàn)開關量的監(jiān)控，還需增加前端的智能I/O。②利用PLC及遠程I/O設備掛接到現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)上。

4.4 300MW及以上機組應用現(xiàn)場總線的建議

在300MW及以上的運行機組上，可在部分輔助車間的系統(tǒng)上進行試用，以便于我們從中積累現(xiàn)場總線應用的經驗，具體方法是將原有控制系統(tǒng)上增加現(xiàn)場總線接口卡件，但會造成綜合性能下降，且系統(tǒng)越改越復雜，因此建議在化水車間、循環(huán)水系統(tǒng)，除灰系統(tǒng)等相對獨立的工藝流程，采用開關總量線技術；另外在高、低壓加熱器，除氧器等系統(tǒng)中采用FF H1技術。

4.5 現(xiàn)場總線系統(tǒng)中的智能設備管理

在選擇現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)時，應充分考慮該系統(tǒng)是否具有軟件界面友好、功能豐富的智能設備管理功能?，F(xiàn)場總線技術只是一種國際標準，不同廠家的系統(tǒng)功能與實現(xiàn)手段各不相同，因此，我們必須考慮現(xiàn)場總線系統(tǒng)的同時，評估相應的智能現(xiàn)場設備以及監(jiān)控、診斷和管理軟件性能的高低。

4.6 建議選擇有成熟經驗、管控一體化的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)

火電廠生產管理的特殊性突出的表現(xiàn)在對安全可靠的高度重視，甚至還會因此放慢采用新技術的步伐。因此在選擇現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)方案時，必須慎重地考慮其系統(tǒng)和方案是否有過成功地應用經驗，系統(tǒng)地結構是否具有良好的互聯(lián)性和開放性，是否有機的集成了過程控制和設備管理以及信息管理系統(tǒng)。

在各種現(xiàn)場總線技術發(fā)展地同時，統(tǒng)一的TCP/IP協(xié)議使得以太網技術得到了快速發(fā)展，并逐漸應用到工業(yè)控制領域，而不再局限于傳統(tǒng)得IT領域，并由此產生了系列工業(yè)以太網產品，高速以太網也越來越多得應用到過程自動化得監(jiān)控網絡中。

5 結束語

由于現(xiàn)場總線適應了過程工業(yè)控制向智能化、數(shù)字化、網絡化和分散化的發(fā)展方向，作為工業(yè)過程控制的發(fā)電企業(yè)，應該適時引入基于總線技術的控制系統(tǒng)。但考慮到火電廠主輔設備和系統(tǒng)的復雜性和運行監(jiān)控的特點，必須解決一系列電廠復雜控制特有的問題，否則很難取得預期的效果，而這一過程也是現(xiàn)場總線技術發(fā)展和完善的過程，但隨著技術的不斷深化和發(fā)展，相信現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)在火電廠自動化領域的應用也會繼DCS系統(tǒng)之后，再創(chuàng)火電廠自動化控制的輝煌。

參考文獻

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