浅谈现场总线控制在燃机电厂的推广应用

徐左旺

（南京宁高协鑫燃机热电有限公司，江苏南京210000）

1 现场总线控制系统FCS（Fieldbus Control System）

根据国际电工委员会IEC 61158标准的定义：安装在制造或生产过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行、双向、多点通信的数据总线称为现场总线。由现场总线与现场智能设备组成的控制系统称为现场总线控制系统（FCS）。现场总线控制技术犹如“信息高速”，为智慧电厂提供丰富的数据基础，是工控领域的发展趋势。

FCS的核心是总线协议，即总线标准，只有遵循现场总线协议的控制系统，才能称为现场总线控制系统。FCS的基础是数字化现场智能设备，其内部嵌入有通信模块和控制模块，可以完成数据采集、处理和通信功能。

2 燃机电厂控制介绍

整个燃机电厂（燃气-蒸汽联合循环机组及其辅助系统）是由燃机控制系统TCS、一体化分散控制系统DCS（包括余热锅炉、汽轮发电机组以及公用辅助系统）组成。公用辅助系统主要包含对循环水系统、压缩空气系统、天然气调压站、化学加药、化学补给水处理、净水站、补给水泵房、循环水加药、采暖通风、公用厂用电系统等的控制。与DCS通信的其他监控系统主要包括厂级实时监控系统SIS、电气监测管理系统ECMS、发电厂电力网络计算机监控系统NCS等。

3 燃机电厂采用的现场总线控制方案介绍

燃气轮发电机组控制一般采用随燃机设备厂家成套供货的进口TCS控制系统，因为燃机本体及其辅助系统设备比较集中，燃机TCC间就布置在燃机本体附近，现场总线控制技术在这些系统很难发挥其应有作用，因此几乎不涉及现场总线控制。

余热锅炉、汽轮发电机组以及公用辅助系统的现场设备比较分散，而且离机、炉、电集中控制室较远，控制对象多，工艺复杂。现场总线控制技术在这些系统中的应用有其独特的优越性。

采用现场总线控制系统，并以智能设备为硬件支撑，借助燃机电厂分散控制系统DCS提供的大数据分析平台引擎，通过对数据的分析和深度挖掘，不仅能实现对设备健康水平的在线评估，还能

实现为设备故障预警和维护提供更多、更全面的数据。现场总线控制系统结构如图1所示。

图1 现场总线控制系统结构

现场智能设备可以连接到多样的现场总线协议主站卡，兼容性、扩展性强；可以通过光纤连接至主站卡，也可以就地安放通信箱，结构多样。I/O网络连接I/O卡件和现场总线主站卡，同时兼容多种现场总线，如MODBUS、PROFIBUS、FF等。eNet为双冗余百兆以太网，通过数据库采集、存储数据并上传至云中心。大量数据的提取对智慧电厂的发展打下坚实基础。

4 现场总线控制系统的应用

4.1 燃机电厂热控DCS+现场总线控制系统

该系统用到的现场智能设备包括：现场智能一体化开关型和调节型电动执行机构、智能调节型气动执行机构阀门定位器、开关型气动阀电磁阀岛控制智能变送器（用于温度、压力、差压等测量）、智能超声波流量计（用于天然气流量测量）以及智能化学仪表等。DCS采用硬接线与现场总线相结合的方式，可在机组DCS控制系统中实现全厂机、炉、电一体化监控。该系统目前用到的比较成熟的现场总线如下：

（1）FF（FIELDBUS FOUNDATION）现场总线。FF现场总线基金会是由World FIP NA（北美部分，不包括欧洲）和ISP Foundation于1994年6月联合成立的。FF现场总线由模拟量仪表及相关技术发展而来，由低速H1总线和高速以太网H2总线组成。H1总线主要用于仪表、控制设备及通信站之间，H2总线主要用于控制站、上位机及通信站之间。

（2）PROFIBUS（PROCESSFIELDBUS）现场总线。PROFIBUS是德国标准（DIN 19245）和欧洲标准（EN 50170）所规定的现场总线标准，由PROFIBUS-DP、PROFIBUS-PA等系列组成。PROFIBUS-DP是一种高速总线（通信速率9.6 kb/s～12 Mb/s），用于电气自动化和设备自动化中快速的数据交换，主要用于连接远程I/O、执行机构、电磁阀、电动机、分析仪表等开关量和复杂设备。PROFIBUS-PA是一种低速总线（通信速率31.25kb/s），它的数据传输和电源共用同一根电缆，设计用来连接需要总线供电的智能变送器、智能定位器等现场总线设备。

（3）DCS与现场总线通信接口。DCS具备与现场总线控制系统通信的能力，其通信接口支持RS232C、RS485/422和以太网方式连接，使用TCP/IP、MODBUS RTU/MODBUS PLUS通信协议。所有通信接口应内置于分散处理单元（DPU），或作为一个独立的多功能网关挂在数据高速公路上。当接口用于过程监控需要双向通信时，通信接口应为冗余（包括冗余通信接口模件)，冗余的通信接口在任何时候都应同时工作。其中的任一通信接口出现故障不应对过程监控造成影响。

4.2 燃机电厂电气ECMS+现场总线控制系统

厂用电气监控管理系统（ECMS）联接的现场智能设备包括：6 kV综合保护装置、380 V控保装置、UPS装置、直流系统、电能量计费系统、自动励磁装置、厂用电快切装置、发变组保护监测装置、同期装置等。厂用电气监控管理系统（ECMS）具有开放式结构，通过现场总线控制系统向电厂内生产、管理系统开放，提供全面可靠的电气信息，实现全厂监控系统的全面信息化。这些系统包括分布式控制系统（DCS）、厂级监控信息系统（SIS）、电厂管理信息系统（MIS）等。ECMS与DCS系统的互联，离不开成熟完善的现场总线控制系统，可提供以下几种方式：（1）所有电气设备的控制均由DCS系统实现，监视和管理由ECMS实现，ECMS与DCS间无通信。（2）除电动机的顺控权外，其他所有设备的监测和控制均由ECMS实现，此时ECMS与DCS间无通信。（3）DCS只保留必要的硬接线，其他监控功能都由ECMS实现。ECMS与DCS系统间实现通信，所有电气设备的状态量都经ECMS送入DCS。此方式是目前主流方式。（4）取消所有硬接线，采用高可靠的全软件通信方式控制。ECMS系统作为子系统接入DCS系统，DCS通过控制权的传递经由ECMS控制所有的电气设备。

ECMS采用硬接线与现场总线相结合的方式，可将现场总线和集保护、测量、控制、通信于一体的智能前端设备有机结合起来，实现电气的综合自动化。该系统与DCS通过RS485/以太网连接，速率＞38.4 kb/s，协议为MODBUS。主控单元可与10 ～12 个其他智能设备通信，接口可以为RS485、CAN、PROFIBUS、TCP/IP以太网等，并可以扩展，实现灵活组网，每个串口可与6～8个其他智能设备通信。该系统目前用到的比较成熟的现场总线如下：

（1）MODBUS总线。MODBUS是由MODICON（现为施耐德电气公司的一个品牌）在1979年发明的，是全球第一个真正用于工业现场的总线协议。通过此协议，控制器相互之间、控制器经由网络（例如以太网）和其他设备之间可以通信。在中国MODBUS已经成为国家标准（GB/T 19582—2008）。MODBUS已完全开放，用户可以不用授权即可放心使用MODBUS协议。MODBUS可以支持多种电气接口，如RS232、RS485等，还可以在各种介质上传送，如双绞线、光纤等。目前基于MODBUS通信协议的RS485现场总线，虽然其半双工模式通信速度较慢，但因其成本低廉、简单可靠，依然是各种较低层级的自动化设备的首选通信方式，广泛用于各种智能仪表、电气监测等设备，如电度表、直流监测、小电流接地选线等。

（2）PROFIBUS总线。在前面已有描述，电气方面主要用于380 V控保装置等。

（3）CAN（CONTROLLER AREA NETWORK）总线。它是德国BOSCH公司于20世纪80年代初为解决现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交换问题而开发的一种串行数据通信协议，具有全双工模式，通信速率高达1 Mb/s。作为一种技术先进、可靠性高、功能完善、成本合理的远程网络通信控制方式，CAN-bus已被应用到各个自动化控制系统中，比如使用CAN总线技术作为继电保护间隔层的通信网络。近年来，由于工业以太网的成本日益下降以及后台信息处理能力日益强大，在电气设备通信网络方面，CAN总线逐渐被以太网取代。

5 燃机电厂采用现场总线控制方案的优越性

（1）现场智能设备能提供丰富的设备信息数据，可以包含测量值、控制值，也可以包含设备的状态信息、报警信息、维护信息等。通过现场总线控制能将这些有用信息送入DCS控制系统中，消除以往生产过程监控的信息“盲点”，这是传统DCS或PLC等控制系统无法实现的。

（2）传统的就地智能设备，需通过各生产厂家专用手操器和管理软件进行组态、设定等操作。通过现场总线控制则可实现现场智能设备与DCS控制器之间的双向通信，从而实现对现场设备状态的远程监控、在线调校、故障诊断和预防维护等管理功能。

（3）现场总线技术有足够的速度传送现场智能设备中多个过程I/O信号。比如，对于智能一体化电动执行机构，只需通过冗余屏蔽双绞线通信连接就可完成传统需要十多根芯电缆才能实现的信息传递。这条通信环路还可接入一定数量的同类型设备，在信息量数倍增加、有利于设备维护的同时，也减少了I/O模块和电缆的使用。电缆数量和电缆桥架的减少也减轻了热控安装人员放电缆、对线、接线以及调试等的工作量。

（4）现场总线控制系统这种通信方式几乎不受距离的限制，非常适合燃机电厂机、炉、电以及辅控车间规模大、控制对象相对集中的场合，与传统DCS控制系统相比，可以省去相当数量的现场I/O信号连接电缆、信号隔离器、I/O卡件和I/O柜。同时，现场总线控制系统也极容易进行系统扩充，从而降低电厂扩建费用，特别是对于以后需要扩建的化学补给水系统等场合，采用现场总线控制系统后，一般只需通过现场总线扩展现场同类型智能设备或仪表，控制画面和逻辑做一些必要增加修改，控制盘柜和控制电缆等几乎不发生更改或变化。

6 采用现场总线控制要注意的一些问题

（1）由于采用现场总线技术，总线设备与DCS的兼容性是系统安全、稳定、可靠长期运行的前提。因此，建议现场总线设备在出厂前需持有相应厂家DCS兼容性测试报告，可以大幅缩减项目调试周期，提高调试品质。

（2）出于机组安全性要求考虑，机组中比较重要的辅机、主保护以及重要的电气电源开关信号通过硬接线方式进入DCS。

（3）对机组安全运行至关重要且回路处理速度要求高的汽机数字电液控制系统（DEH）中涉及转速和负荷的控制部分、汽机本体紧急跳闸系统（ETS）以及汽机高低压旁路控制系统（BPC），仍采用成熟的常规控制方式。

（4）机组事故顺序记录（SOE）要求有1 ms的分辨率，为保证SOE的分辨率，根据不同的DCS厂家硬件性能要求，仍采用常规DI卡或专用SOE卡。

（5）主厂房电磁阀控制的二位式气动阀门仍然采用常规I/O方式接入DCS。锅炉补给水处理系统普遍使用电磁阀控制的二位式气动阀门，阀门布置相对集中，可采用带总线接口的电磁阀岛监控，电磁阀岛内配通信模块、电磁阀、数字量输入卡件等，通过现场总线与控制系统进行通信传输。

7 结语

随着新技术、新工艺的发展，燃机电厂现场智能设备的制造成本在不断降低，同时人们对现场总线的可靠性要求在不断提高，综合规划自动化和信息化架构，合理选择现场总线应用范围，采取DCS与FCS两者共存的系统模式，发挥各自优势，能显著提高燃机电厂自动化控制和信息化管理水平，降低工程造价，减少运行维护费用，全面提升机组运行安全性。