淺析現(xiàn)場總線在電廠的應(yīng)用范圍及存在的問題

　　摘要：本文著眼于目前現(xiàn)場總線發(fā)展，并結(jié)合當(dāng)前國內(nèi)電廠的實際情況，提出了現(xiàn)場總線技術(shù)在電廠中的具體應(yīng)用范圍，并提出了目前現(xiàn)場總線在電廠應(yīng)用中需要注意的一些問題，對當(dāng)前現(xiàn)場總線的產(chǎn)品選型進(jìn)行了合理分析。
　　
　　前言
　　
　　電廠控制系統(tǒng)對運行可靠性有特殊要求，電廠系統(tǒng)具有I/O測點密集、現(xiàn)場裝置密集、設(shè)備立體布置、控制功能和控制策略復(fù)雜等特點。電廠控制系統(tǒng)還存在自動化監(jiān)控系統(tǒng)復(fù)雜；機爐協(xié)調(diào)控制涉及設(shè)備多、信息量大、控制復(fù)雜；汽機控制、SOE要求毫秒級響應(yīng)速度等一系列問題。基于以上原因，只有在充分理解現(xiàn)場總線機理、與DCS及PLC差異，以及運用中可能存在的難題，充分考慮協(xié)調(diào)安全性和經(jīng)濟性的原則下，才能將現(xiàn)場總線技術(shù)運用于工程，體現(xiàn)現(xiàn)場總線的*性。
　　
　　現(xiàn)場總線并不是在所有的控制場合下都能發(fā)揮優(yōu)勢。對于火電廠測點密集、現(xiàn)場裝置密集、設(shè)備立體布置、數(shù)字量與模擬量混合的大型系統(tǒng)，采用現(xiàn)場總線控制分散的特點來實施控制，由于需要多臺設(shè)備才能實現(xiàn)，則顯得繁瑣，降低其可靠性。相反DCS在此反顯得有*性。但現(xiàn)場總線的雙向數(shù)字通信現(xiàn)場總線信號制技術(shù)，又是DCS所不及的。所以應(yīng)采取DCS與現(xiàn)場總線共存發(fā)揮兩者各自的優(yōu)勢。
　　
　　一、現(xiàn)場總線適用范圍建議：
　　
　　（l）由于國產(chǎn)DCS系統(tǒng)少有大規(guī)模應(yīng)用現(xiàn)場總線實例，并且支持現(xiàn)場總線種類有限，因此可采用PLC可編程控制器實現(xiàn)監(jiān)控的全廠輔助公用系統(tǒng)，選用遵循現(xiàn)場總線通信協(xié)議的PLC可編程控制器，對多個輔助公用系統(tǒng)實現(xiàn)監(jiān)控，通過現(xiàn)場總線通信技術(shù)，建立全廠輔助公用系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，提高監(jiān)控和管理水平。
　　
　　（2）地域分散的單沖量調(diào)節(jié)項目。
　　
　　（3）地域分散的獨立的電動閥或電動機。
　　
　　二、應(yīng)用現(xiàn)場總線系統(tǒng)建議
　　
　　（l）影響機組安全運行的主機和主要輔機保護(hù)采用成熟的常規(guī)控制方式，不納入現(xiàn)場總線，主初廠輔機保護(hù)和重要聯(lián)鎖的信號保留硬接線。如：
　　
　　鍋爐安全監(jiān)視系統(tǒng)（FSSS）；
　　
　　汽機數(shù)字電液控制系統(tǒng)（DEH）；
　　
　　汽輪機緊急跳閘系統(tǒng)（ETS）；
　　
　　旁路控制系統(tǒng)（BPS）；
　　
　　事故順序記錄（SOE）。SOE要求有l(wèi)ms的分辨率，目前設(shè)計中接入SOE的多為主、輔機的跳閘接點信號和電氣開關(guān)量，主、輔機跳閘首出原因由控制器邏輯判斷。為保證SOE的分辨率，建議仍采用常規(guī)DI卡或SOE卡。
　　
　　（2）用于聯(lián)鎖保護(hù)的開關(guān)型氣動閥門、電磁閥，不納入現(xiàn)場總線。由于主廠房內(nèi)電磁閥控制的二位式氣動閥門布置較為分散，如采用帶總線接口的閥島進(jìn)行控制不太合適，建議采用常規(guī)的方式接入DCS。
　　
　　（3）國產(chǎn)電動執(zhí)行機構(gòu)不納入現(xiàn)場總線。由于目前國產(chǎn)現(xiàn)場總線電動執(zhí)行機構(gòu)因接口不完善，缺少工程應(yīng)用實踐，尚未有成熟的應(yīng)用業(yè)績，而進(jìn)口現(xiàn)場總線電動執(zhí)行機構(gòu)與國產(chǎn)電動執(zhí)行機構(gòu)的差價較大。為從根本上降低工程造價，國產(chǎn)電動執(zhí)行機構(gòu)采用常規(guī)珊方式接入DCS。
　　
　　（4）開關(guān)量儀表如壓力開關(guān)、液位開關(guān)、溫度開關(guān)等不納入現(xiàn)場總線。
　　
　　（5）調(diào)節(jié)型氣動執(zhí)行機構(gòu)，用于非重要調(diào)節(jié)回路的，可以考慮納入現(xiàn)場總線，采用帶現(xiàn)場總線接口的智能定位器。重要回路，可采用常規(guī)硬接線＋Hart儀表方式，如給水、汽溫、送、引風(fēng)、磨煤機。
　　
　　（6）調(diào)節(jié)型電動執(zhí)行機構(gòu)，用于非重要調(diào)節(jié)回路的，可以考慮納入現(xiàn)場總線，用于重要回路（給水、汽溫、送、引風(fēng)）的，采用硬接線方式。
　　
　　（7）開關(guān)型閥門電動裝置，用于非重要系統(tǒng)的，可以考慮納入現(xiàn)場總線；用于重要系統(tǒng)的，控制功能、保護(hù)、聯(lián)鎖功能通過硬接線完成。
　　
　　（8）變送器均采用現(xiàn)場總線型智能變送器接入DCS，以便在機組DCS中利用現(xiàn)場總線設(shè)備診斷和管理軟件，實現(xiàn)設(shè)備管理和故障診斷。可使用帶有Hart通訊功能的智能變送器。
　　
　　（9）400V及以下電動機采用現(xiàn)場總線，所有信號通過現(xiàn)場總線與控制系統(tǒng)連接，6KV電動機也可納人現(xiàn)場總線，啟、停指令信號及電機已啟、已停信號采用硬接線，其它信號采用總線方式。出于機組安全考慮，所有機組電動機及主廠房內(nèi)重要電源開關(guān)的分/合指令信號、狀態(tài)反饋信號還是通過硬接線方式進(jìn)入DCS，其它信號通過通信接口接入機組DCS。機組廠用電動機和廠用電監(jiān)控系統(tǒng)雖然采用現(xiàn)場總線（CAN、LONWORKS、Modbu，等標(biāo)準(zhǔn)），大多數(shù)并非采用FF、Profibus等現(xiàn)場總線。條件允許的情況下，也可對廠用電動及考慮采用具有Profibus-DP接口的智能馬達(dá)控制器（類似西門子公司的SIMOCODE產(chǎn)品）。需注意西門子SIMOCODE損均視象，主要是現(xiàn)場環(huán)境不良及維護(hù)不善造成。另外采取SIMOCODE與系統(tǒng)通訊的抗干擾隔離措施，加裝Profibus有源抗干擾模件，增加適量接口設(shè)備（如Y型切換器、光電轉(zhuǎn)換器等）等措施防止通訊中斷。
　　
　　（10）主機/輔機的溫度測點，可采用遠(yuǎn)程I/O。采用現(xiàn)場總線技術(shù)之后，對于現(xiàn)場相對集中的溫度測點，考慮采用現(xiàn)場總線型智能變送單元或沿用目前常規(guī)的遠(yuǎn)程訓(xùn)方式接入DCS。由于目前帶總線接口的智能溫度變送器價格仍較貴，如全部溫度測點采用總線方式會增加較大工程投資。且對溫度信號而言，采用總線方式接入增加的信息內(nèi)容也不明顯。因此對于溫度測點考慮采用常規(guī)方式接入控制系統(tǒng)。
　　
　　（11）僅用于監(jiān)視的測量信號，可采用現(xiàn)場總線。
　　
　　（12）廠用電電源系統(tǒng)可采用現(xiàn)場總線。
　　
　　（13）閉環(huán)控制功能和功能組順序控制邏輯在控制器中完成。
　　
　　（14）變頻器采用特殊的抗干擾隔離措施后也可考慮采用現(xiàn)場總線。
　　
　　（15）鍋爐補給水、凝結(jié)水精處理、廢水處理等系統(tǒng)可優(yōu)先考慮采用現(xiàn)場總線技術(shù)。
　　
　　三、應(yīng)用現(xiàn)場總線需注意問題
　　
　　（1）現(xiàn)場總線噪音問題
　　
　　現(xiàn)場總線應(yīng)用涉及到系統(tǒng)噪音問題，由于所有的現(xiàn)場設(shè)備*連接到現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)中，連接處使用TAP接頭，接頭長期處于現(xiàn)場惡劣環(huán)境，會出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)噪音現(xiàn)象，繼而出現(xiàn)設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)連接錯誤報警，所以現(xiàn)場總線對現(xiàn)場的衛(wèi)生條件，現(xiàn)場的振動條件都有嚴(yán)格的要求。接頭每次停機都要進(jìn)行檢查，但檢查后不能*消除噪音。
　　
　　（2）冗余問題
　　
　　現(xiàn)場總線設(shè)計思想，低速部分不需冗余，因為現(xiàn)場總線分散了危險，現(xiàn)場儀表在現(xiàn)場可以自成調(diào)節(jié)回路而自主調(diào)節(jié)。由于沒有冗余，一旦總線故障就地雖然可以完成調(diào)節(jié)，但運行人員無法監(jiān)視系統(tǒng)運行狀況，按照熱控檢修標(biāo)準(zhǔn)無法監(jiān)視控制機組主要運行參數(shù)就應(yīng)該停止機組運行，所以必須冗余設(shè)計。
　　
　　（3）故障影響性
　　
　　現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計至關(guān)重要，要根據(jù)系統(tǒng)I/O點規(guī)模和設(shè)備地理分布、功能的相關(guān)性等因素。設(shè)計各層網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，支路的數(shù)量，支路及分支的長度、各分支的設(shè)備數(shù)量等，這些設(shè)計對系統(tǒng)的性能、硬件配置等都有重要影響。因此，在工程應(yīng)用中各工藝子系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)工藝相關(guān)性和現(xiàn)場布置位置情況進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)分段設(shè)計。進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)分段設(shè)計時遵循以下原則：每個網(wǎng)段上掛接的現(xiàn)場總線數(shù)量6-10個；冗余設(shè)置的現(xiàn)場儀表應(yīng)接入不同網(wǎng)段；工藝上并列運行或冗余配置的設(shè)備其相關(guān)驅(qū)動裝置應(yīng)連接不同網(wǎng)段。控制系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)工藝流程合理配置總線數(shù)量和掛接的現(xiàn)場設(shè)備，確保任何一條總線故障時，只產(chǎn)生系統(tǒng)的局部故障，不會引起機組的危急狀態(tài)，造成整個系統(tǒng)停運，并將這一影響限制到zui小。
　　
　　（4）傳輸時間和安全性
　　
　　總線的傳輸速度要求越快越好，但是傳輸速度不能僅靠提高傳輸速率來解決。總線系統(tǒng)傳輸必須具有確定的時間，即控制器發(fā)出控制值的時間間隔及接收現(xiàn)場總線設(shè)備實際值的時間間隔必須是一個定值，這樣才能保證完成控制和調(diào)節(jié)的任務(wù)。在選擇總線系統(tǒng)時必須注意到傳輸效率，在傳輸效率高的前提下，可以選擇比較低的傳輸速率。因為低傳輸速率數(shù)據(jù)通信，有較高的抗*力，而且傳輸距離長（如500K的傳輸速率，zui大傳輸距離為400米；而12M的傳輸速率，zui大距離是100米）。
　　
　　（5）傳輸媒介和連接方式
　　
　　完整的現(xiàn)場總線系統(tǒng)，除了構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)的范圍（即zui大距離）是一個重要的指標(biāo)外，能否在總線系統(tǒng)中實現(xiàn)不同總線段間采用不同的傳輸媒介，也是重要的因素。它使系統(tǒng)的構(gòu)成更為靈活，更符合工況實際的要求。串聯(lián)傳輸方法在設(shè)計、安裝、調(diào)式以及連接技術(shù)上有明顯的優(yōu)點，但在通信方面，如傳輸時間、實時時間、循環(huán)時間、傳輸?shù)拇_定性以及診斷等遜于并聯(lián)傳輸方式。
　　
　　（6）維修成本較高
　　
　　使用現(xiàn)場總線技術(shù)的DCS系統(tǒng)和現(xiàn)場智能設(shè)備承擔(dān)的調(diào)節(jié)功能增加也會使其造價的成本增加。維修中，更換儀表都會有很昂貴的費用。因此要選擇信譽較好的廠家、性能號的設(shè)備以達(dá)到降低生產(chǎn)成本的效果，改善設(shè)備運行性能。
　　
　　（7）現(xiàn)場智能儀表的功能設(shè)計
　　
　　采用現(xiàn)場總線面臨的一個較大工作是現(xiàn)場智能儀表的功能設(shè)計。采用DCS時，輸入、輸出信號制、I/O點數(shù)確定后，DCS的選擇與現(xiàn)場儀表關(guān)系不大。采用現(xiàn)場總線時DCS許多控制功能轉(zhuǎn)移到現(xiàn)場智能儀表中完成，因此現(xiàn)場總線選型、功能的設(shè)計與現(xiàn)場智能儀表緊密地。設(shè)計時要先確定統(tǒng)一的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)場總線及現(xiàn)場智能儀表都要遵守此協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)；然后根據(jù)現(xiàn)場智能儀表的工藝分布情況、防爆等級要求、測量參數(shù)范圍及完成的功能等確定一個初步的現(xiàn)場總線結(jié)構(gòu)，計算采用網(wǎng)絡(luò)段的個數(shù)，確定每段所帶現(xiàn)場智能儀表和設(shè)備的數(shù)量及每段的通信速率；zui后根據(jù)工藝運行要求定義每個現(xiàn)場智能儀表的控制功能，通過工程師站對整個控制系統(tǒng)進(jìn)行功能塊組態(tài)設(shè)計。上述工作已打破原控制功能的設(shè)計界限，把控制室設(shè)備及現(xiàn)場智能儀表作為一個整體來考慮，合理的現(xiàn)場總線結(jié)構(gòu)和控制方案可能需要經(jīng)過多次的重復(fù)計算、比較才能確定。
　　
　　現(xiàn)場的總線還存在著一定的缺陷，所以多數(shù)監(jiān)視系統(tǒng)和外圍設(shè)備上應(yīng)用廣泛，原因就是外圍設(shè)備的缺陷和停運不會對生產(chǎn)造成影響，同時總線用于外圍設(shè)備控制可以使控制系統(tǒng)設(shè)計簡潔明快。
　　
　　（8）對機組保護(hù)設(shè)計應(yīng)重點考慮
　　
　　機組保護(hù)要嚴(yán)格設(shè)計，防止保護(hù)誤動、拒動，要在控制系統(tǒng)I/O卡件以及設(shè)備上要求采用三取二，現(xiàn)場設(shè)備分別進(jìn)入不同的I/O卡件，不同I/O卡件分屬不同的控制站，達(dá)到保護(hù)不因為一個設(shè)備、一個I/O卡件、一個控制站故障導(dǎo)致的保護(hù)誤動。
　　
　　現(xiàn)場總線對這方面應(yīng)著重考慮，由于現(xiàn)場總線現(xiàn)場布置需要我們改變這種設(shè)計，否則就要增加費用，如就地設(shè)備需要在就地完成三取二功能，而且信號要分別與三條就地總線到達(dá)三個控制柜，這會增加了工作量和費用，但這樣才能達(dá)到設(shè)計要求。
　　
　　四、現(xiàn)場總線選型分析
　　
　　（l）控制系統(tǒng)
　　
　　目前國外主流DCS廠商基本支持Profibus和FF總線協(xié)議，還有各自的管理軟件，但因300MW級機組目前DCS越來越多的采用國產(chǎn)DCS，國內(nèi)DCS廠商如和利時、GE新華、浙江中控、國電智深、上自儀等也支持Profibus協(xié)議，但從調(diào)研情況看，事實上對現(xiàn)場總線支持不夠，在建設(shè)安裝期間的水平以及使用現(xiàn)場總線后的信息管理方面都不具備優(yōu)勢，并且國內(nèi)廠商沒有大規(guī)模應(yīng)用的工程能力和相關(guān)的管理軟件。近年較大規(guī)模及大規(guī)模采用現(xiàn)場總線的大型火電機組，基本采用國外設(shè)備。因此如使用國產(chǎn)DCS系統(tǒng)，在單元機組及主廠房區(qū)域內(nèi)使用現(xiàn)場總線技術(shù)尚部成熟。
　　
　　國外主流PLC廠商支持Profibus等總線協(xié)議，并有較多規(guī)模工程實例，并且自去年以來，國外PLC價格下降較快，如輔助車間控制采用現(xiàn)場總線設(shè)備，從價格、工程實施及效益情況看，可采用現(xiàn)場總線技術(shù)。
　　
　　（2）現(xiàn)場設(shè)備
　　
　　智能一體化電動執(zhí)行機構(gòu)主要有SIPOS5-Flash系列、AUMA-MATIC系列、ROTORK-IQ系列（還支持FF總線標(biāo)準(zhǔn)、EMG-DREHMO系列、LimitorqueMX系列、上海自動化儀表十一廠AI、MI系列、溫州瑞基測控RQM和RA系列、揚州恒春CKD系了列等支持Profibus，因國內(nèi)外產(chǎn)品價格差別較多，應(yīng)根據(jù)實際情況對比，從了解到的工程使用情況看，現(xiàn)場總線執(zhí)行機構(gòu)應(yīng)采用國外產(chǎn)品，否則使用國產(chǎn)不具備現(xiàn)場總線功能執(zhí)行機構(gòu)，高低搭配，可取得較好效果。
　　
　　目前有很多國內(nèi)外儀表支持Hart協(xié)議，并且價格差別不大，同時國內(nèi)DCS廠商基本支持Hart協(xié)議，因此可在主廠房及輔助車間較多規(guī)模使用形式設(shè)備。
　　
　　五、結(jié)束語
　　
　　鑒于目前現(xiàn)場總線在單元機組控制應(yīng)用中處在起步階段，可能在工程實施中遇到意想不到的情況。現(xiàn)場總線的應(yīng)用，不僅要考慮到造價、功能、效益和方便性，還必須兼顧技術(shù)和安全性；雖然現(xiàn)場總線技術(shù)在電廠中開始廣泛應(yīng)用，但還有很多問題沒有完*，所以現(xiàn)場總線并沒有*應(yīng)用到現(xiàn)場DCS系統(tǒng)中，但隨著現(xiàn)場總線技術(shù)越來越成熟，相應(yīng)產(chǎn)品越來越完善，現(xiàn)場總線技術(shù)必將是今后電廠自動化的潮流趨勢。