现场总线技术在火电厂的应用

郝乾军

（西安工程大学，陕西西安 710043）

0 引言

随着智能仪表和计算机网络的发展，现场总线技术在国内大型电厂逐渐开始应用，尤其近几年对数字化智慧电厂建设的呼声日益增高，现场总线技术和现场总线控制系统在电力行业中的广泛应用提出新的挑战。针对现场总线技术在火电厂中的应用，进行深入的探究与分析。

1 现场总线技术概述

现场总线是一个数字化的、串行、双向传输、多分支结构的通信网络系统，是用于工厂/车间仪表和控制设备的局域网，称为现场总线。通俗地说，它是一种局域网（Local Area Network，LAN）。现场总线把单个分散的数字化、智能化的测量和控制设备作为网络节点，用数据总线相连接，实现相互交换信息，并协同完成检测、控制功能。现场总线是将通信功能投入到工作现场与工作设备的一种智能方式，通过全自动或半自动的优化来提升数据通信智能化程度，可以突出信号的传输功能，为电厂的工作设备做出技术优化。现场总线技术可以将电厂的设备进行智能互联，通过互联的方式将传输变得更加便捷与智能。

现场总线技术可以促进火电厂向数字化和智能化电厂进行转换，通过计算机技术与网络技术的发展，将电厂的监控系统、设备运行系统与信息系统进行综合的分析与集成化的发展，运用数字化的智能手段，提升设备的硬件设施，智能数字化发电厂是未来的火电厂发展趋势。

2 现场总线结构特点及优势

2.1 高开发性和互操作性

现场总线的发展因为各厂家产品均自成系统，导致分布式控制系统（Distributed Control System，DCS）在形成过程内，无法将不同厂家的设备接连在一起，无法实现互换和互操作的目的。而现场总线技术则对DCS 内封闭的专用网络系统来进行通信这一缺陷进行弥补，将专用的解决方案及封闭系统转变为标准化的解决方案、公开式系统。也就是可将不同厂家但遵守同一协议规范的设备，利用现场总线技术将其连接成系统，对于综合自动化的各项功能进行完成。

2.2 高分散性和可靠性

现场总线结构的最主要特点就是将火电厂的设备结构分散，安全系数得以提升。在火电厂的工作现场，智能化的数据分析可以对工作环境进行适应于提升，有较强的抗干扰能力，同时可以满足设备的安全防爆需求。

2.3 全数字化和智能化

现场总线技术的另一个特点就是设备工作数据的智能数字化，数据更加可靠。自动的数字化技术将设备的工作状态转换成为数字信号，提升对于设备的掌控能力，提升工作数据的精准程度，将系统进行简约化发展，提升系统的工作效率减少繁琐不必要的程序是智能数字化的优势发挥之处。

2.4 节省投资和安装费用

电厂使用现场总线技术可以大量减少I/O 电缆，简化设计，节省电缆、电缆桥架、敷设空间及安装工作量。同时减少控制机柜数量，可节省电子间的空间。

2.5 提高故障诊断能力、维护更为灵活

现场设备自身具备自我诊断以及简要故障处理的能力，同时可利用数字通信把有关诊断维护信息传送到设备管理系统（Application Management System，AMS）记录和积累设备运行状态、诊断信息，预测设备故障，为设备状态检修和可靠性评估奠定了基础。工作人员可对设备的运行情况进行查询，对维护信息进行诊断，从而对故障原因进行分析并解决，可远程对现场智能仪表进行调试，调试中可减少查验点，远程监视和诊断现场设备，节省工作量和时间。对于维护停工时间进行缩短，加之系统结构较为简单，因此维护工作量大大减少，维护也更具灵活性。

3 主流总线技术及分类

在现如今的现场总线技术之中，主流的技术手段主要有基金会现场总线（Foundation Fieldbus，FF）、程序总线网络（PROcess FIeld BUS，以下简称Profibus）、局部操作网（Lucal Operating Netwok，以下简称LonWorks）、控制器局域网络（Controller Area Network，CAN）、传感器总线系统（以下简称InterBus）等。其中，FF 与Profibus 是目前电力行业最具发展前景、最具竞争力的总线，两者的共同点是低速总线都符合IEC/ICA 的物理层协议，都可以实现总线供电，有防爆功能适用于较危险的场合，两者都有得到用户与生产上的国际组织支持，都是运用数字信号进行工作，都可以实现多点挂接，可以节约电缆并且节约成本，但是两者还是具有不同的特点。

首先，FF 总线具有开放的数字通信功能可以与多样的通信网络进行互相连接，FF 的系统是较为开放的，可以由不同的制造商设备进行组成，可靠性较高，可以采用数字传输技术，提升通信的抗干扰能力，具有更高的精准程度，工程造价较低，可以实现高度的智能与功能的自主性。总线的操作协议较为复杂，因此在实际的现场总线技术中应用较少。

其次，Profibus 是应用最广泛的一种主流技术，在火电厂的发展中也是主流技术手段，全世界已经有超过250 家企业可以生产超过2000 中支持Profibus 系统的控制设备。Profibus 可以适用于高速的信息传递，时间上可以缩短很多，对于大范围的复杂通信场合有更强的处理能力。对于不同的应用对象，Profibus可以选取不同规格的总线系统，不需要增添转换装置。Profibus的数据传递更加的安全，安全系数更高，其进入我国的时间尽管还不太长，但是应用范围与日俱增。

再次，DP 总线（Profibus 的高速数据传输形式）具备以下特点。首先由于其是全数字调速装置，且操作十分简单，可应用于各种场合具备经济性及灵活性。同时对于主动系统及总线系统压力进行减轻，具备较少的电缆但抗干扰度极高，同时具有保护机制，各个从站都具备独立的控制定时器，在一定监测时间内，假如数据传输有偏差定时器则会超时。超时现象发生后，用户会立即得到信息，加强了系统整体的可靠性。

最后，PA 总线（Profibus 的过程自动化控制系统）具备以下特点：使不同厂家生产的现场设备具备交换性；总线站点的去除与增加，在本站安全区域也不会对其他站产生影响；过程自动化的PA 段与制造业自动化的DP 总线段经藕合器连接，可实现两段间的透明通信。

4 现场总线术在火电厂的应用

4.1 现场总线技术在电厂的应用情况

现场总线技术在电厂的主、辅系统中广泛应用。下面以某电厂应用的Profibus 总线技术为例进行介绍。

火电厂系统具有控制任务集中而复杂的特点，不同的控制回路之间往往存在相互的联系。本工程在现场设备层采用现场总线技术，所有的设备控制策略在控制系统控制器中集中处理。控制器采用成熟的具有总线接口的冗余控制器，不考虑将控制任务分散到现场智能设备的方式，以免造成总线结构复杂、总线通信负荷率增大等缺陷。

现场总线在主控系统的应用原则：凡出现故障将直接危急机组安全运行、主机和主要辅机保护的功能不纳入现场总线，如锅炉安全监视系统（Furnace Safety Supervisory System，FSSS）、汽机数字电液控制系统（Digital Electric Hydraulic Control System，DEH）、汽轮机紧急跳闸系统（Emergency Trip System，ETS）、给水泵汽机控制系统（Manufacturing Execution System，MES）等；要求快速控制检测的对象和要求时间分辩率高的检测参数，不纳入现场总线系统，如旁路控制系统、事故顺序记录（Sequence Of Event，SOE）等。

（1）主控系统。现场总线的应用范围包括锅炉、汽轮发电机及其辅助系统的部分监测、控制（温度、压力、流量、液位等），其中包括调节型电动执行机构、开关型阀门电动装置、气动调节门、气动开关门、部分380 V 电机等。

（2）辅控系统。均采用基于Profibus 现场总线协议的PLC 系统，这些辅助公共系统具体涵盖除尘车间、化学车间、污水处理车间、输煤车间、空压机等车间，此类车间内部监控信号多以开关量为主，而模拟量调节项目极少，所以大部分均采取PLC 可编程控制器来进行系统控制及监视。利用Profibus 现场总线通信标准，对全厂建立辅助公共系统的PLC 监控网络，由于Profibus 可以对信息进行快速传递，在通信复杂的场合具备极强的处理能力，同时对于不同对象有针对性的选取不同规格的总线系统，无需加入转换装置，对数据进行传递时更为安全可靠。因此在对车间工作站进行现场维护及调试时，可对监控点进行集中管理、分散进行控制，从而经由通信接口把信息传输至厂级控制网络。

4.2 智能设备管理应用

现场总线设备监控管理系统，采集现场总线设备丰富的信息，以数据挖掘技术为核心，为用户提供设备远程实时监控、故障诊断、设备检修（维护）指导、设备缺陷单管理、设备运行状况的统计分析、历史数据管理分析等功能，实现了全厂现场总线设备的统一监管。现场总线设备监控管理系统的应用，实现了全厂现场总线设备的统一监控和管理。有效地利用了现场总线设备的状态和诊断数据，进行设备故障预测，并提出维护/维修指导，变“故障检修”为“预测检修”，变“就地巡检”为“远程巡检”，降低了设备的维护成本，提高了设备的可用率，为电厂的安全稳定运行提供了有力的保障。

AMS 以FF 或Profibus 协议为基础，以EDDL、FDT 为技术手段，集数据采集和数据分析于一体，为现场总线智能仪表提供统一管理平台，将多种类型仪表统一集成管理。它采用开放的标准协议，对于不同协议、不同厂商、不同类型、不同接入方式的多种仪表设备提供相同的操作方式和相同的界面显示。从而为智能设备预防性维护、预测性维护及前摄性维护提供一体化解决方案。

该平台可集成仪表的远程配置与诊断信息，提供了丰富的仪表设备信息和故障诊断信息，通过对设备的状态监测及诊断，对设备进行主动性维护和预测性维护，提高整个工厂设备的可靠性与可用性。

提供的设备管理与维护功能，使智能设备发挥最大效益，减少仪表的损耗并降低维护成本。可远程对现场智能仪表进行调试，完全可替代传统的手操器功能。智能设备涵盖智能传感器、执行器、变送器和通信接口设备等。由于未来战斗系统（Future Combat Systems，FCS）现场设备具备智能化的特点，将其应用于火电厂中，可选择性的对一些控制点及测量点单位进行调节，利用智能化设备来对现场进行控制。智能化设备可利用现场总线对数字信号进行传递，其中包含设备制造商提供的基本信息以及生产过程参数实际测量信息，例如：被测量参数的设备型号、量程、材料等，不但对于设备具备的共性进行描述，某些特定设备也有相应的特有描述。例如温度传感器，可能涵盖热元件型号、允许测量范围、连接方式等信息，经由智能化设备传递其设备自身信息，电厂设备管理系统可对其进行合理有效的管控。当下，大部分智能化设备均遵循可寻址远程传感器高速通信协议标准（Highway Addressable Remote Transducer，HART），利用遵循该协议标准的现场仪表来对设备进行校验，则可快速完成检查及校验工作，利用总线通信将数据信息传输至上层管理系统，从而达到科学管理的目的。

4.3 与MIS 接口及数据传输

目前，AMS 里大量的故障诊断信息数据在“沉睡”，没有真正发挥现场总线技术的故障诊断能力和优势。只有将AMS 里丰富的故障诊断信息数据镜像传输到管理信息大区里的管理信息系统（Management Information System，MIS），才可以为基于设备的状态检修的大数据智能综合分析提供基础数据和技术手段。

由于AMS 部署在生产控制大区，而MIS 部署在管理信息大区，但生产控制大区与管理信息大区之间存在数据单向传输网闸隔离，不能进行数据双向传输。所以需要在生产控制大区部署AMS 接口机并开发数据传输接口程序，解决数据单向传输访问受限问题。由于AMS 里的故障诊断信息数据存储在关系型数据库里，所以接口程序首先要从AMS 定时取出数据，并具备数据缓存功能，然后打包成用户数据报（User Datagram Protocol，UDP）协议类型的数据包，通过虚拟IP 地址穿越网闸，把数据传输存储到MIS 的关系型数据库里。相当于在管理信息大区做了AMS 的数据镜像，并定期更新数据，这样可以解决了在管理信息大区不能穿越网闸直接访问生产控制大区的数据问题，从而为基于设备的状态检修大数据智能综合诊断奠定数据基础。

4.4 故障诊断信息管理应用

现场总线技术在火力发电厂的应用过程中，故障诊断信息管理应用是现场总线技术的核心，为设备的运行状态检修提供技术手段。故障的诊断信息管理的发展需要对所有运行设备进行常规的日常状态监控，也就说俗称的预防性检查，计划性的对投入使用的所有设备进行状态的监控。

由于现场总线AMS 里存储着大量的智能仪表基础信息和故障诊断信息，把这些故障诊断信息与MIS 系统里的设备检修维护记录、定期试验记录、点巡检记录、设备可靠性记录以及与安全仪表系统（Safety Instrumented System，SIS）的实时数据和性能指标数据项结合综合分析、充分利用，可以为基于设备的状态检修的大数据综合智能分析提供基础数据和技术手段。

机械设备都具有相应的数据来进行常规的状态监测，电压、电流、气压、温度、振动等不同的数据来进行状态分析。这些数据有一定的标准范围，例如在火电厂的发电过程中，电压超出标准的范围将会被物联网技术的传感器提供故障警示，通知管理人员及时的进行修理与检查。在进行多次检修的过程中可以根据不同的数据异常形成一套专业故障诊断办法，通过对数据的专业化分析来形成故障诊断信息管理的专业化升级，以此来促进对于设备状态检修方面的应用，提升火电厂的智能化管理水平。

4.5 设备状态检修方面的应用

在设备的转台检修之中根据维护检修管理的方式主要的检修策略可以分为3 种：首先是基于时间的定期检修。这是一种传统的检修方式，不过多的考虑到设备的运行应用状态问题，定期进行设备的检修，这是最主要的检修方式；其次，根据设备的使用状态进行检修。这是一种较为先进的检修方式，根据开关的开合次数、马达的启停次数以及设备的运行时间等数据的结合来确定设备的工作状态，这种检修周期往往较长，检查也较为复杂；最后，针对设备的运行状态来进行检修。这是一种基于设备的运行具体数据来进行设备的检修，以此来预估设备的运行状态，根据设备的运行健康来安全检修。利用电子传感技术与微电子技术的不断应用，对故障检修提供更多的便利。与此同时，现场总线技术的智能化应用可以对机械设备的各项数据进行存档，形成巨大的数据库，方便日后对于电厂内的所有机械设备进行分析与整合，判断设备的运行状态。例如：基于现场总线技术和SIS 设备的检修应用，通过智能化现场仪表为基本的应用，具有维护简单、自动诊断、校正等管理方面的功能，进行管理自动化与诊断功能的进一步开发，以此降低运行维修成本。对于设备故障知识进行积累并对其进行分析，某些难点重点问题采取专题讨论的形式，从而找出科学合理的办法，有效解决问题。

5 总结

综上所述，现场总线技术在新建火电厂的主、辅设备中广泛应用，但大量的设备故障诊断数据还在“沉睡”，没有真正发挥现场总线技术的优势。在火电厂的发展中，需要唤醒“沉睡”的大量数据，为设备的状态检修提供技术手段。只有更多地尝试新型科技技术带来的便利，才能促进火电厂向数字化和智能化发展，有利于我国的科技技术创新升级。因此，在现如今的现场总线技术发展过程中，需要为自动化领域进行未来发展的投入，做到有针对性的技术升级。