淺談現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)及其應(yīng)用

摘要：現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)設(shè)備作為智能電廠的智能設(shè)備，可以確保熱控檢修維護(hù)人員大量消減的條件下機(jī)組依然能夠安全穩(wěn)定運(yùn)行，大幅減少校驗(yàn)和日常的維護(hù)工作量，是智能電廠不可或缺的重要設(shè)備。

關(guān)鍵詞：智能電廠;智能設(shè)備;FCS;現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)

引言

FCS作為新一代控制系統(tǒng)，克服了DCS系統(tǒng)專(zhuān)用的通信網(wǎng)絡(luò)弊端，把DCS的集中與分散相結(jié)合的結(jié)構(gòu)升級(jí)成新型全分布式結(jié)構(gòu)，同時(shí)把控制功能徹底下放到現(xiàn)場(chǎng)。開(kāi)放性、分散性以及數(shù)字通訊是現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)系統(tǒng)最顯著的特征。

現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)（FCS）是一種分散型、全開(kāi)放、全數(shù)字的新型控制手段，它完成了現(xiàn)場(chǎng)級(jí)設(shè)備的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化，它的根本目的是讓涉及整個(gè)機(jī)組工藝流程的信息均實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，特別是來(lái)自基層控制級(jí)的信息可以準(zhǔn)確、及時(shí)地把握。 現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的意義取決于數(shù)目龐大的現(xiàn)場(chǎng)級(jí)設(shè)備數(shù)字化狀態(tài)信號(hào)傳輸至集控室，可以實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)故障預(yù)測(cè)和在線(xiàn)檢修，大量的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備實(shí)時(shí)信息為運(yùn)行決策提供了憑據(jù)與根基[1]。

1 現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)分類(lèi)

1.1 基金會(huì)（FF）現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)：

基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)FF是非商業(yè)性的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織，其宗旨是制定單一的國(guó)際現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)，無(wú)專(zhuān)利許可要求，供任何人使用。

FF的通信模型由四層構(gòu)成，即物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層及用戶(hù)層，在OSI模型基礎(chǔ)上增加了用戶(hù)層。FF物理層分低速H1和高速H2兩級(jí)總線(xiàn)，前者支持總線(xiàn)供電和本質(zhì)安全防爆環(huán)境。

FF總線(xiàn)采用兩線(xiàn)制，適用于連續(xù)量控制，多用于電廠中的溫度、壓力、液位、流量、分析儀表以及氣動(dòng)閥門(mén)定位器、電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、離散開(kāi)關(guān)等信號(hào)傳輸。由于FF總線(xiàn)宏周期一般在100ms～1s之間，無(wú)法滿(mǎn)足電廠快速處理回路50ms的要求，故工藝系統(tǒng)中需快速響應(yīng)和處理的開(kāi)關(guān)量信號(hào)還是采用常規(guī)DCS的I/O模塊處理。

1.2 Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)

Profibus是德國(guó)聯(lián)邦科技部按照ISO/OSI參考模型制訂的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)德國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，后成為歐洲的總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)（EN50170）。

Profibus根據(jù)應(yīng)用特點(diǎn)，主要包括：最高傳輸速率可達(dá)12M的高速總線(xiàn)Profibus DP;用于過(guò)程控制的本安型低速總線(xiàn)Profibus PA，用于對(duì)安全性要求高的場(chǎng)合及總線(xiàn)供電的站點(diǎn);另外，用于生產(chǎn)車(chē)間的Profibus FMS，可完成車(chē)間級(jí)通用性通信任務(wù)和中等傳輸速度的循環(huán)和非循環(huán)通信任務(wù)。Profibus既適合于自動(dòng)化系統(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)單元的通訊，也可用于連接帶有智能卡件的變送器、執(zhí)行器等其它現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備[2]。

2 現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)

現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)是網(wǎng)絡(luò)通信、微型機(jī)、儀器儀表和測(cè)試、超大規(guī)模集成電路、全過(guò)程控制和生產(chǎn)管理等等現(xiàn)代高新技術(shù)高速發(fā)展的集中產(chǎn)物，由此現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的概念已經(jīng)不再是指一種通訊標(biāo)準(zhǔn)或單根通信線(xiàn)?，F(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的控制系統(tǒng)在可靠性、精確度、經(jīng)濟(jì)性等諸多方面都要比往常的普通控制系統(tǒng)要卓越很多，其主要特點(diǎn)如下;

1）系統(tǒng)的開(kāi)放性。

在現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(tǒng)中，設(shè)備終端同時(shí)靠接現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)和局域網(wǎng)兩層網(wǎng)絡(luò)上，可以同其它網(wǎng)絡(luò)或控制系統(tǒng)進(jìn)行快速信息交換，完成資源共享。現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)系統(tǒng)對(duì)所有制造商和用戶(hù)開(kāi)放它的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行技術(shù)共享，其它設(shè)備或系統(tǒng)只要遵守與現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)相同的標(biāo)準(zhǔn)就可以和現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)無(wú)縫連接。

2）通訊的廣泛交互性

現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)通訊豐富，設(shè)備間、系統(tǒng)間不僅可以信息互聯(lián)，進(jìn)行信息交換和P2P數(shù)字通訊，而且能夠?qū)崿F(xiàn)不同廠家的相似設(shè)備之間的通用與互換，為后期的使用和維護(hù)提供了方便。

3）就地設(shè)備的功能自主性與智能化

現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)采用雙向數(shù)字通訊，它將傳統(tǒng)的許多任務(wù)，例如數(shù)據(jù)處理與控制、傳感測(cè)量、補(bǔ)償計(jì)算等下放到現(xiàn)場(chǎng)，單體設(shè)備即可完成自動(dòng)控制的功能，并且能進(jìn)行實(shí)時(shí)診斷，進(jìn)而完成控制系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控裝置的遠(yuǎn)程維護(hù)與管理。

4）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性

在現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)系統(tǒng)中，就地的單體設(shè)備已經(jīng)具有自動(dòng)控制的性能，由這些裝置組成的控制系統(tǒng)便是全分散式體系結(jié)構(gòu)，精簡(jiǎn)了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了穩(wěn)定性。

5）現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的多適應(yīng)性

現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)傳輸功能強(qiáng)大，常見(jiàn)的很多傳輸介質(zhì)，例如光纜、雙絞線(xiàn)、射頻、同軸電纜、紅外線(xiàn)等都可以支持，同時(shí)其抗干擾性能更加優(yōu)越，現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)采用兩線(xiàn)制實(shí)現(xiàn)供電與信號(hào)傳輸，并且滿(mǎn)足本安型防爆需求。

6）數(shù)字化電廠的可行性

現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)可提供完整的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備在線(xiàn)信息，進(jìn)而完成準(zhǔn)確可靠的數(shù)字化信息互換、跨平臺(tái)的實(shí)時(shí)資源互享，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)電站工作對(duì)象的全壽命周期分析、量化、決策與控制。

3 全廠現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)設(shè)計(jì)設(shè)想

從目前現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)應(yīng)用實(shí)例可以看出，分散控制系統(tǒng)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的工程一般是采用Profibus DP和FF、Profibus DP和Profibus PA兩種總線(xiàn)方式，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備如總線(xiàn)儀表、定位器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)根據(jù)控制系統(tǒng)類(lèi)型確定。

1）總線(xiàn)范圍

使用依托于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(tǒng)，設(shè)備順序控制邏輯與控制回路的控制策略仍然由DCS控制系統(tǒng)的控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)，而如若有一些回路簡(jiǎn)單，過(guò)程較為單一，非重要又不影響整個(gè)機(jī)組安全的系統(tǒng)，其控制功能則可選擇用現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)系統(tǒng)的相應(yīng)設(shè)備來(lái)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。

現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)在脫硫系統(tǒng)中當(dāng)有著較為廣泛的應(yīng)用，除系統(tǒng)中的6kV電動(dòng)機(jī)、鍋爐煙氣進(jìn)出口擋板、吸收塔排空門(mén)、真空皮帶機(jī)、煙氣分析儀器與電磁閥外，其他設(shè)備當(dāng)都可采用現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)。

2）經(jīng)濟(jì)分析

依據(jù)某工程現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)設(shè)計(jì)范圍應(yīng)用原則，全廠現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)設(shè)備共約1500點(diǎn)。

采用現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)后，分散控制系統(tǒng)、現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、閥島、現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)儀表等設(shè)備所需的電纜、匯線(xiàn)槽、橋架、機(jī)柜及安裝成本和土建成本與常規(guī)相比大量減少，其中節(jié)約電纜差額340千米（減少控制電纜，增加總線(xiàn)電纜），節(jié)約橋架約70噸，但總線(xiàn)設(shè)備投資比常規(guī)設(shè)備有所增加。采用現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)方案比常規(guī)方案投資成本稍有增加[3]。

另外進(jìn)一步拓展現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)數(shù)據(jù)的應(yīng)用，利用其中的有效信息判斷設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，需要有適合的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)應(yīng)用平臺(tái)。

4 結(jié)語(yǔ)

在實(shí)際工程中可在主輔系統(tǒng)全面采用現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)，并在設(shè)備招、投標(biāo)過(guò)程落實(shí)有關(guān)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)方案的技術(shù)要求，確?？偩€(xiàn)方案在設(shè)備采購(gòu)、設(shè)計(jì)、施工、調(diào)試中順利實(shí)施，機(jī)組投產(chǎn)后切實(shí)將現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)應(yīng)用于設(shè)備的維護(hù)和管理、遠(yuǎn)程故障診斷等方面，顯著提高機(jī)組的運(yùn)行管理水平，進(jìn)而完成準(zhǔn)確可靠的數(shù)字化信息交換以及跨平臺(tái)的實(shí)時(shí)資源共享，為火電站向智能化轉(zhuǎn)型奠定基礎(chǔ)，為實(shí)現(xiàn)對(duì)電廠控制對(duì)象的全壽命周期分析、量化、控制和決策提供可靠的參考。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：謝進(jìn)安，（1984—），性別男，籍貫寧夏石嘴山市，職稱(chēng)工程師，學(xué)歷本科，研究方向火電廠熱工控制。

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