现场总线技术在电厂控制中的应用简介

华能重庆两江燃机发电有限责任公司 李 涛

现场总线技术在电厂控制中的应用简介

华能重庆两江燃机发电有限责任公司 李 涛

本文以某电厂现场总线技术的应用为例，对现场总线技术作了应用以及经济性方面的分析，从现场总线技术的选取和技术特点的层面阐述了总线技术的标准配置和应用范围，最后通过分析当今现场总线存在的实际问题，提出具有一定指导意义的预防以及处理对策。

现场总线；采集控制；技术分析

现场总线控制技术作为一种新兴技术，广泛成功地应用在石化、化工、冶金、医药、市政工程、楼宇、建材等多个行业。与其形成鲜明对照的是，现场总线技术在电厂过程控制中的实质性实施却始终不多，不过随着认识的提高和技术的发展，这样的局面近期已有所改变。如某电厂在化水系统、尿素系统、锅炉和汽机系统中成功实现了现场总线技术的应用。事实上，目前各大发电集团都十分关注电厂热控自动化新技术的应用和由此产生的巨大效益。着眼于领导先进技术潮流、合理控制工程造价、全面提升电厂自动化水平，华能确定了某工程在机组控制中大面积应用现场总线技术，这在整个发电厂系统中是第一次。

1 现场总线的选取及应用层面

1.1 现场总线的选取

这些年来，通过现场总线在不同行业中的逐步深入应用，专业技术人员对各种总线标准应用场合的认识日益清晰。比较一致的结论是：对过程控制应用来说，PROFIBUS和FF总线比较适合。两种总线标准相比而言，FF较适用于连续量控制(取代4～20 mA模拟量)，而PROFIBUS较适用于离散量控制[1]。

大量的工程实践证明，PROFIBUS和FF现场总线标准能够满足电厂过程控制的应用要求。因此，某电厂控制系统原则上采用上述两种现场总线标准。

1.2 现场总线的应用层面

火电厂机组控制功能从简单到复杂分布很广，有单回路、串级调节回路，也有多输入多输出的交叉耦合控制系统，还有可靠性要求很高的快速保护连锁逻辑。FF现场总线设备具有一定的控制和运算功能，能够完成较单纯的单回路或串级调节任务，但是对于存在多回路耦合的复杂控制，需要在不同网段间传输数据，就可能影响控制的实时性。Profibus现场总线的现场智能设备本身基本不具备控制功能。通过与Emerson公司的技术交流，某电厂最终确定在现场设备层全面采用现场总线技术，调节回路控制策略和设备控制逻辑仍按照工艺系统划分在不同DCS控制器中集中处理，基本不减少DCS控制器的配置[2]。

目前，国内火电厂采用的主流DCS基本上都已提供了各自的现场总线解决方案。如Siemens公司的T-3000支持PROFIBUS现场总线标准；Emerson公司的OVATION提供了FF和PROFIBUS-DP现场设备的接入。这些著名DCS品牌产品无一例外地均是在原有DCS的基础上，提供对智能现场仪表和控制执行机构的现场总线支持。可以这样说，火电厂现场总线的应用将更侧重于现场设备的数字化及由此数字化而带来的种种益处，而不在于纯粹意义上的FCS应用。

1.3 现场总线设备基本情况

1.3.1 现场总线型电动执行机构。

现场总线型电动执行机构品牌较多，其中主要为：恒春、科远、ROTORK、Siemens。这些品牌的产品基本上以支持PROFIBUS-DP总线标准为主。

1.3.2 现场总线型变送器。

目前，世界各大仪表生产厂都相继推出了现场总线型变送器，目前，支持FF和PROFIBUS现场总线地变送器主要有Rosemount公司的3051系列、Siemens公司的SITRANS P系列、Yokogawa公司的EJA等等，上述产品在电厂过程控制中已广泛使用。

表1 某厂FF网段设备配置

1.3.3 现场总线型执行机构。

某电厂主要用到的总线型电动执行器有恒春、ROTORK、科远等电动执行机构和电磁阀控制的气动执行机构。

2 实施方案和技术经济分析

2.1 方案设想及应用技术分析

推行现场总线在机组控制中的应用，应重点考虑以几个方面的问题：

2.1.1 可靠性和可用性。

电厂发电机组连续安全稳定运行是至关重要的，而控制系统的可靠性是保证机组可用率的重要因素。为了提高系统的可靠性，现场总线技术(FF和PROFIBUS)已经采用了多项措施，常用的主要有分散和冗余二项。

分散方面：对FCS系统而言，主要通过网络分散和控制分散来提高可用性。某电厂主要控制策略还是采用常规DCS应用方式，按工艺系统分散在不同的控制器内实现，故功能分散能够满足要求。火电厂机组控制中存在大量控制回路之间的相互连锁、信号交换。故在现场总线网段划分设计时，原则上工艺相关的设备挂接同一网段上，以确保该网段总线故障只影响局部工艺系统而不影响到机组整体的安全性。

冗余方面：现场总线系统通过主站网络冗余、总线电源冗余、链路设备冗余、控制器冗余等实现，其中链路设备冗余、电源、主站网络和操作员站冗余是现场总线系统常用的冗余措施。某电厂对所有具有冗余总线接口的电动执行机构、马达驱动控制装置等设备均采用冗余总线连接；控制系统中所有总线电源也冗余配置。目前PROFIBUS-DP已实现了网段介质冗余。

通过诊断可以提高系统的可用性。这是FF和PROFIBUS设备管理中对现场设备本身的基本管理，因为现场总线设备具备多种自诊断信息，有利于发现现场设备本身及其它工艺设备的故障，从而确定其轻重级别和真实性[3]。

2.1.2 实时性。

在火电厂机组控制运用现场总线控制技术，现场总线的实时性是一个需要关注的内容。对此，我们对一些潜在供货商的控制系统进行了了解。其中，PROFIBUS-DP总线的数据为：

PROFIBUS-DP总线的传输速率可达12Mbit/s。

一个PROFIBUS-DP从站的响应时间＜0.3 ms。

PROFIBUS总线系统中一条DP分支的查询循环周期是2 ms。

对于FF总线，有关厂家技术人员提供了一个网段上配置不同数量设备及应用情况下的执行时间数据，具体如表1所示。

常规DCS技术规范中对现场信号的采集周期要求为：“所有模拟量输入每s至少扫描和更新4次，所有数字量输入每s至少扫描和更新10次。为满足某些需要快速处理的控制回路要求，其模拟量输入信号应达到每s扫描8次，数字量输入信号应达到每s扫描20次”。由此可见，PROFIBUS 总线和FF总线完全能够满足机组控制对一般输入、输出信号处理的实时性的要求。鉴于目前PROFIBUS-PA及FF总线宏周期一般在100 ms至1 s之间，这还是无法满足电厂机组控制中的快速处理回路的时间(50 ms左右)要求。因此，系统中为安全或快速响应而设置的开关量信号，我们还是考虑采用常规DCS的I/O模件来处理。

2.1.3 故障影响性。

现场总线控制系统的网络设计至关重要，不仅要根据系统I/O点的规模，而且要根据设备的地理分布、功能的相关性等因素，设计各层网络的覆盖范围、支路的数量、支路及分支的长度、各分支的设备数量等，这些设计对系统的性能、硬件配置等都有重要影响[4]。因此，某电厂各工艺子系统将根据工艺相关性和现场布置位置进行网络分段设计。

某电厂中每个网段上挂接的现场总线数量以不超过该标准规定最大数量的40%～50%为宜；冗余设置的现场仪表应接入不同网段；工艺上并列运行或冗余配置的设备，其相关驱动装置应连接在不同的网段上；控制逻辑相关的仪表测点和控制对象原则上挂接在同一总线段上。控制系统将根据工艺流程合理配置总线数量和挂接的现场设备，确保任何一条总线故障时，只产生工艺系统的局部故障，不会引起机组的危急状态，造成整个工艺系统停运，并将这一影响限制到最小。

2.1.4 系统配置方案。

整个机组控制系统按照工艺过程划分为多个子系统，其中包括锅炉汽水取样系统，锅炉部分压力、温度及阀门，脱销系统，化学治水系统，除铁过滤器系统，发电机温度等，上述各子系统均采用现场总线技术。鉴于对机组安全运行至关重要的系统，回路处理速度要求高，某电厂还是采用成熟的常规控制方式。

某电厂变送器总体上均采用现场总线型智能变送器接入DCS，电动执行机构总线主要用在脱销、化学治水、锅炉排空和疏水上。由于气动阀比较分散，不易管理。因此某电厂还是采用常规I/O方式接入DCS。

为充分发挥现场总线设备具有的故障自诊断和网络化管理能力，DCS应配套设置现场总线设备诊断和管理软件。设备管理人员通过软件查询所有现场设备（仪表、执行机构等）的运行情况，诊断维护信息，寻查故障，现场设备状况始终处于维护人员的远程监控之中。同时，根据该软件提供的信息准确地制定大修或抢修的作业计划和备件储备，节约维修费用，降低生命周期成本。

2.2 工程造价分析

目前阶段在机组控制中全面采用现场总线技术，除了在技术上可行外，还必须对其设备投资与常规DCS控制方式进行比较。为此，针对DCS本身以及涉及到的现场仪表、执行机构、电缆及电缆桥架等，市场价格情况作了一个初步分析。

2.2.1 DCS。

某电厂调节回路控制策略和设备控制逻辑仍在DCS控制器中集中处理，故DCS控制器配置数量与常规机组相当。

采用现场总线后，控制系统中多数阀门执行机构和电动机，它们是以“对象”为单位挂接在总线上，某电厂应用方案中总线接口卡件加常规的I/O卡件总数比常规DCS的I/O卡件大幅减少，DCS机柜数量也因此相应削减，这是采用现场总线技术之后DCS硬件的主要节省部分。由于某电厂还保留了一定数量的常规控制应用，而且采用现场总线之后，系统还需配置现场总线电源模块、现场总线通讯柜、现场总线电缆（光缆）以及总线分线盒，采用现场总线后DCS价格与常规DCS持平。

2.2.2 电动执行机构。

近年来新建工程项目中的电动执行机构大多数已要求采用智能一体化产品，在这种情况下，通过进一步明确现场设备应符合的总线标准，即可将设备接入现场总线系统，成本增加不大。经了解，平均每个现场总线电动执行机构约比智能一体化执行机构贵5000元人民币左右。

2.2.3 变送器。

目前带现场总线接口的智能变送器较常规智能变送器贵出约500元人民币。

2.2.4 电缆及电缆桥架。

采用现场总线技术可以较大程度上节约电缆、电缆桥架等安装材料，当然也相应减少了施工工程量。根据某电厂现场总线控制对象数量估算，采用现场总线后计算机电缆和控制电缆约减少约30%。

为具体比较运用现场总线与采用常规DCS在工程造价方面的差异，下面以某电厂工程量为例分析如表2所示，各类控制对象汇总(1号机组及锅炉补给水系统)。

通过分析，我们可以看到：采用现场总线之后，整个机组控制系统的投资费用较采用常规DCS增加约50万，但这一投资增加量占整个工程中热控设备材料投资额的比例很小。此外，上述分析并未计及由于电缆、桥架减少以及双绞线接线节省的现场安装施工工程量。考虑到应用现场总线技术将带来全厂管控数字化和全生命周期的设计、安装、调试、运行维护成本节约等有利因素，如此程度的投资增加是可以接受的。

3 现场总线技术应用存在的问题和预防措施

3.1 存在的问题

3.1.1 与传统控制系统相比现场总线系统优势的发挥。

以智能化现场仪表为基础的现场总线技术的应用，其优点不仅在节省电缆、安装、调试等工程量，更多的在于维护简单、具有自动诊断、校正等管理功能。目前虽然国内已开始把管理自动化和远程诊断功能集成在一起纳入监控系统，在一定程度上发挥现场总线系统降低运行维修成本的优势，但还没有达到期望的高性能和对火电机组的充分适应，有待进一步提高。

3.1.2 工程安装和调试技术要求提高。

现场总线系统的安装工作量减少，但技术要求提高。有的需要使用专用设备和工具，有的需要特殊的工艺和方法。此外，由于现场总线技术包含许多新的技术内容，组态参数很多，不容易掌握，在工程调试和运行时常会遇到困难，因此，需要有一支较强的技术队伍来解决调试运行中产生的技术难题。

3.1.3 现场总线产品可选范围相对较小。

现场总线仍在发展过程中，其智能现场设备的规范和品种比起常规仪表来说，还是比较少，特别是针对电厂开发的现场总线高性能智能现场设备较少，因而在设计系统时选择的余地不大。

表2 工程量分析

3.1.4 工艺设备成套配供设备的协调较难。

国内电厂设计中会碰到较多的工艺设备配供控制装置，这些厂家长期形成的习惯做法对现场总线的实施将是一个巨大的挑战。他们的设计人员中对现场总线技术概念还很少接触，这方面的困难尤为突出。

3.2 现场总线技术应用问题的应对措施

为了使工程设计达到预期的目标，工程建设各方应加强技术储备和广泛开展多方位的技术交流。工程技术人员应努力学习现场总线技术的有关知识，加深对现场总线的理解，逐步形成现场总线控制技术的工程应用能力。

对于实际操作过程，应从技术角度出发，根据工程的特点和需要，对各种现场总线系统的技术性能、产品配套程度、国内技术支持程度、供货商信誉、售后服务、价格和兼容性以及与其他系统接口的难易程度等进行综合比较，从而选择和确定现场总线系统的类型。采用产品性能优越的现场总线产品，这类产品可以保证使用者的投资具有长期效益。

为确保工程的有效、顺利实施，在工程设计之前应积极开展与DCS厂家之间的技术交流，以便在技术上进行充分的准备。同时，由于现场总线设计应用与现场仪表、控制设备的布置位置关系密切，在设计过程中要充分考虑设备的物理安装位置和网络分段对工艺系统运行的影响。所以，设计工作一旦开展，DCS厂家与设计院应紧密配合，相互协调。

DCS厂家应按确定的总线标准，提供他们在以往工程实践具有良好应用业绩的变送器、分析仪表、执行机构、马达控制器等现场总线设备的厂商名单。

4 结语

现场总线系统技术极大地简化了传统控制系统繁琐且技术含量较低的布线工作量，使其系统检测和控制单元的分布更趋合理。更重要的是从原来的面向设备选择控制和通信设备转变成为基于网络选择设备。现场总线相比于传统通讯更加稳定，不易受干扰，在台账完善的情况下查询更加直观、便捷。事实上，目前各大发电集团都十分关注电厂热控自动化新技术的应用和由此产生的巨大效益。着眼于领导先进技术潮流、全面提升电厂自动化水平，现场总线的实施无疑是一个很好的平台。

[1] 白焰、吴鸿、杨国田编著.分散控制系统与现场总线控制系统——基础、选评、设计和应用[J].北京，中国电力出版社,2001年3月第一版、2004年3月第三次印刷

[2] 阳宪惠主编.现场总线技术及其应用[J].北京，清华大学出版社，1999年第一版

[3] 周明.现场总线控制[J].北京，中国电力出版社，2002年第一版

[4] 王鑫鑫.现场总线控制技术在电厂中的应用研究[J].电站系统工程,2001(7)