陳若春

(浙江省電力設(shè)計院，浙江 杭州 310012)

0 引言

根據(jù)國際電工委員會IEC 61158標(biāo)準(zhǔn)的定義，安裝在制造或生產(chǎn)過程區(qū)域的現(xiàn)場裝置與控制室內(nèi)的自動控制裝置之間的數(shù)字式、串行、雙向、多點通信的數(shù)據(jù)總線稱為現(xiàn)場總線?；诂F(xiàn)場總線的控制系統(tǒng)即為現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(fieldbus control system，F(xiàn)CS)。這種控制系統(tǒng)將通信標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的智能儀表和控制器掛在總線上，通過數(shù)字量的雙向傳遞來完成顯示、調(diào)節(jié)、邏輯運算和保護等功能。

現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的建立應(yīng)具備兩個前提：①工業(yè)級的現(xiàn)場總線;②現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)一旦被選定，所有測控設(shè)備都應(yīng)具有遵循該通信總協(xié)議的能力。

1 電廠輔助系統(tǒng)的控制特點

燃煤電廠的輔助系統(tǒng)主要具有以下特點[1]。

①重要性，它關(guān)系到各輔助系統(tǒng)以及整個電廠的運行狀況。各系統(tǒng)一旦出現(xiàn)問題，必須及時處理，否則將影響全廠的安全經(jīng)濟運行。

②分散性，電廠水處理系統(tǒng)、灰系統(tǒng)、輸煤系統(tǒng)等遍布于全廠。

③非連續(xù)性，除凝結(jié)水精處理高速混床、汽水取樣和加藥系統(tǒng)外，其余各系統(tǒng)幾乎都是采用間歇式運行方式。

④開關(guān)量控制為主，開關(guān)量控制是輔助系統(tǒng)控制的核心，大量的閥門、電磁閥、電動機等要受聯(lián)鎖條件的邏輯控制，以設(shè)備的狀態(tài)、閥門的開關(guān)、電機的啟停、壓力流量和料液位的限值等條件進行控制。

2 現(xiàn)場總線應(yīng)用策略

大型電廠輔助系統(tǒng)已基本實現(xiàn)了基于DCS或PLC的集中控制。目前，現(xiàn)場總線技術(shù)在電廠輔助系統(tǒng)的應(yīng)用采用的是集成的方式，包括現(xiàn)場總線與DCS的集成、現(xiàn)場總線與PLC的集成和現(xiàn)場總線與信息網(wǎng)絡(luò)的集成。

現(xiàn)場總線和DCS的集成一般有兩種方式：①現(xiàn)場設(shè)備通過現(xiàn)場總線與現(xiàn)場總線接口單元通信，現(xiàn)場總線接口單元再通過I/O總線與DCS通信;②現(xiàn)場設(shè)備通過總線與服務(wù)器通信，現(xiàn)場總線服務(wù)器直接掛在DCS網(wǎng)絡(luò)上。如今，PLC已廣泛應(yīng)用于電廠輔助系統(tǒng)控制，現(xiàn)場總線中，像 ControlNet、Modbus、Profibus等都是PLC的主要供貨商所支持的。這些現(xiàn)場總線技術(shù)和產(chǎn)品已集成到PLC系統(tǒng)中，成為PLC系統(tǒng)中的一部分或者成為PLC的延伸部分。隨著以太網(wǎng)通信速率的不斷提高和全雙工交換式以太網(wǎng)的誕生，通過工業(yè)以太網(wǎng)可實現(xiàn)現(xiàn)場總線與信息網(wǎng)的集成。

現(xiàn)場總線的標(biāo)準(zhǔn)有十余種，要在電廠輔助系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)場總線技術(shù)，必須在總線選擇和工程系統(tǒng)設(shè)計方面考慮實時性和適用性因素。

實時性方面，包括快速性和確定性。對于快速性，總線主要用于過程自動化的信號采集及控制，滿足用戶快速通信的方案;對于確定性，包含了對特定對象的現(xiàn)場I/O級和控制級指令操作、反饋信息的傳輸和信息管理功能[2]。

適用性方面，現(xiàn)場總線采用數(shù)字信號取代點對點的常規(guī)信號傳遞方式，但是目前并非所有的測控設(shè)備都具有總線接口，或由于某些設(shè)備的局限，對這些設(shè)備的信號傳送仍采用常規(guī)的電纜連接方式。例如，在全面使用現(xiàn)場總線的德國Niederaussem電廠和我國華能玉環(huán)電廠水處理系統(tǒng)中，都是按這一方式處理的。

在電廠某一個輔助系統(tǒng)采用現(xiàn)場總線，應(yīng)遵循同一種總線協(xié)議，并且要充分利用現(xiàn)場總線技術(shù)特點和優(yōu)點。如水處理系統(tǒng)和灰系統(tǒng)，測控設(shè)備包括變送器、分析儀表、液位、溫度變送器、總線電磁閥島、執(zhí)行器、智能馬達等，采用Profibus總線協(xié)議尤為合適。

對于電廠某一個范圍較大且又比較分散的輔助車間系統(tǒng)，各現(xiàn)場設(shè)備距離相對較遠時，如輸煤系統(tǒng)等，盡管采用現(xiàn)場總線原則上要求現(xiàn)場測控設(shè)備盡量是總線智能型，但在此系統(tǒng)中，拉繩開關(guān)、跑偏開關(guān)、速度開關(guān)、過程行程開關(guān)、限位開關(guān)和電機溫度信號等現(xiàn)場測控設(shè)備大都難以提供標(biāo)準(zhǔn)的總線接口。這時，采用非標(biāo)準(zhǔn)或非主流的總線協(xié)議(如ControlNet、Modubs)等現(xiàn)場總線協(xié)議支持的總線接口模塊接收現(xiàn)場I/O信號，再以總線方式進行傳送至控制室，也是可選的方案。

3 現(xiàn)場總線應(yīng)用的經(jīng)濟性分析

3.1 水處理控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

3.1.1 配置說明

電廠水處理、灰系統(tǒng)的工藝過程和信號特點具有相對的一致性。為便于進行經(jīng)濟性分析，以電廠化學(xué)水系統(tǒng)采用Profibus現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)為代表，首先確認現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)與常規(guī)控制系統(tǒng)在配置上的差異性，再進行經(jīng)濟上的比較。

現(xiàn)場總線與常規(guī)控制系統(tǒng)在配置上的差異主要表現(xiàn)在以下幾個方面。

①常規(guī)控制系統(tǒng)配置采用本地I/O，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)采用總線智能I/O;

②現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)需要配置偶合器，常規(guī)配置則不需要;

③常規(guī)配置的現(xiàn)場儀表均為非智能型，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)需要配置基于Profibus-PA協(xié)議的智能型儀表;

④根據(jù)電纜量的不同，敷設(shè)工作量也不同;

⑤常規(guī)配置的電磁閥采用單個控制，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)需要配置基于Profibus-DP協(xié)議的電磁閥島;

⑥現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)需要配置基于Profibus-DP協(xié)議的智能MCC;

⑦對于現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)中配置的非智能型儀表，以常規(guī)連接方式接入系統(tǒng)。

現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)與常規(guī)系統(tǒng)的配置差異如表1所示。

表1 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)與常規(guī)系統(tǒng)的配置差異Tab.1 Configuration difference between fieldbus control system(FCS)and conventional system

同樣，電廠灰系統(tǒng)采用現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)與采用常規(guī)控制系統(tǒng)配置方案經(jīng)濟性比較也可以參照上述方式獲得?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的投資費用增加部分主要集中在現(xiàn)場智能設(shè)備;而投資費用減少主要集中在電纜和橋架的設(shè)備及安裝成本。通過上述比較可知，Profibus現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)與常規(guī)配置的方案在投資上總體持平。

3.1.2 應(yīng)用實例

華能玉環(huán)電廠(4×1 000 MW)在鍋爐補給水系統(tǒng)、凈水系統(tǒng)和廢水系統(tǒng)中采用Profibus現(xiàn)場總線技術(shù)[3]，構(gòu)建了監(jiān)控層網(wǎng)絡(luò)(冗余工業(yè)以太網(wǎng))、控制層網(wǎng)絡(luò)(冗余工業(yè)以太網(wǎng))、現(xiàn)場設(shè)備層網(wǎng)絡(luò)(Profibus-DP/PA)。系統(tǒng)采用了多種現(xiàn)場總線智能儀表和設(shè)備(流量、溫度、壓力、分析儀表、閥島、執(zhí)行器、智能MCC)，集成了不同公司的Profibus產(chǎn)品，已于2006年3月投入商業(yè)運行。玉環(huán)電廠現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)經(jīng)濟性分析如表2所示。

表2 玉環(huán)電廠現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)經(jīng)濟性分析Tab.2 Economic analysis on FCS of Yuhuan power plant

目前，新疆華電昌吉新熱電(2×330 MW)工程在水處理系統(tǒng)采用基于Profibus的現(xiàn)場總線技術(shù)，工程正在實施過程中。而建設(shè)中的華能金陵電廠(2×1 000 MW)及華能九臺電廠(2×600 MW)，除了安全保護系統(tǒng)和對安全特性有特殊要求的自動控制任務(wù)(FSSS、DEH等)外，全廠均采用Profibus現(xiàn)場總線技術(shù)。

3.2 現(xiàn)場總線在輸煤系統(tǒng)中的應(yīng)用

3.2.1 輸煤程控系統(tǒng)常規(guī)方案

電廠輸煤程控系統(tǒng)的常規(guī)控制方案即采用硬接線將現(xiàn)場信號連接到中控室的控制機柜或者轉(zhuǎn)運樓的遠程站，程控系統(tǒng)的通信總線延伸至各個遠程站所在的區(qū)域。通過合理配置采集信號和控制的遠程站，現(xiàn)場設(shè)備以標(biāo)準(zhǔn)的4～20 mA模擬量信號和24 VDC開關(guān)量信號就近接入相應(yīng)的遠程站，而并非是將現(xiàn)場所有信號簡單的接入中控室。常規(guī)連接方案示意圖如圖1所示。

圖1 常規(guī)連接方案示意圖Fig.1 Diagram of conventional connection scheme

3.2.2 現(xiàn)場總線方案

電廠輸煤系統(tǒng)包括從碼頭卸船機(或火車卸煤)經(jīng)皮帶和轉(zhuǎn)運站，到煤場堆取料機分流，再到電廠煤倉間進行配煤的全過程。其設(shè)備運行條件差且系統(tǒng)運轉(zhuǎn)距離長，現(xiàn)場總線技術(shù)經(jīng)過這幾年的應(yīng)用已經(jīng)比較成熟。本方案考慮輸煤系統(tǒng)由現(xiàn)場工業(yè)級智能I/O模塊、現(xiàn)場傳輸總線以及相關(guān)的控制網(wǎng)絡(luò)組成。

Modbus總線是一種安裝在現(xiàn)場設(shè)備儀表與控制室內(nèi)的自動控制裝置系統(tǒng)之間的串行通信數(shù)據(jù)總線，是實現(xiàn)現(xiàn)場級設(shè)備數(shù)字化通信的一種工業(yè)現(xiàn)場層網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)[4]。各節(jié)點經(jīng)其接口通過通信鏈路與公共總線連接。任何節(jié)點的信息都可以沿總線傳輸，主機通過輪詢，向各個節(jié)點傳送或接收信息，結(jié)構(gòu)簡單，擴展靈活。該方案有效地提高了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)的精度，以及信號傳輸過程中的抗干擾能力。

工業(yè)級智能模塊通過網(wǎng)絡(luò)接口模塊實現(xiàn)主機和各個前端I/O模塊之間的數(shù)據(jù)通信。智能模塊具有高精度、高抗干擾能力、高可靠性和低功耗等優(yōu)點，并配置有微處理器，具有可編程能力，支持高級語言開發(fā)。工業(yè)級智能模塊具有良好的防塵、防潮、防震性能，適宜現(xiàn)場布置?，F(xiàn)場總線方案示意圖如圖2所示。

圖2 現(xiàn)場總線方案示意圖Fig.2 Diagram of fieldbus scheme

3.2.3 方案經(jīng)濟性分析

在對電廠輸煤控制系統(tǒng)進行經(jīng)濟性分析前，確認采用Modbus現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)與常規(guī)系統(tǒng)的配置差異，具體信息如表3所示。

表3 Modbus現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)與常規(guī)系統(tǒng)的配置差異Tab.3 Configuration difference between Modbus FCS and conventional control system

表3僅對兩個配置方案的主要差異進行了比較和價格分析，并不說明整個控制系統(tǒng)的全面配置?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的投資費用增加部分主要集中在現(xiàn)場構(gòu)建通信網(wǎng)絡(luò)帶來的通信單元和通信電纜上;而投資費用減少用主要是大量采用智能模塊后，節(jié)省了電纜和橋架的設(shè)備及安裝材料。通過上述比較可見，輸煤系統(tǒng)控制方案中現(xiàn)場總線較常規(guī)配置方案在投資上的優(yōu)勢。

3.2.4 現(xiàn)場總線在輸煤控制系統(tǒng)的應(yīng)用實例

在舟山六橫煤電基地項目中，輸煤系統(tǒng)皮帶有28條，皮帶沿線的現(xiàn)場信號均由皮帶沿線智能I/O設(shè)備讀取，通過Modbus總線送到控制系統(tǒng)。六橫煤電基地現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)經(jīng)濟性分析如表4所示。

表4 六橫煤電基地現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)經(jīng)濟性分析Tab.4 Economic analysis on FCS of Liuheng coal-fired power generation base

在鳳臺電廠(2×600MW)輸煤程控系統(tǒng)中，部分采用了安裝在現(xiàn)場的工業(yè)級現(xiàn)場總線智能模塊和智能設(shè)備，以主從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)通過接口界面與監(jiān)控層進行通信。鳳臺電廠于2008年投入商業(yè)運行。

4 應(yīng)用前景分析

通過配置比較和經(jīng)濟性分析，采用現(xiàn)場總線投資費用的增加主要在現(xiàn)場智能設(shè)備的安裝上，但電纜和橋架的設(shè)備及安裝敷設(shè)成本會大幅下降，總體不會增加基建階段的投資。

電廠主要輔助系統(tǒng)采用現(xiàn)場總線技術(shù)后，現(xiàn)場設(shè)備信息量大大增加[5]。智能設(shè)備提供給控制系統(tǒng)的信息不僅是實時的工程值，還包括智能設(shè)備附屬信息，以及制造商、設(shè)定值、故障狀態(tài)等信息，還可通過總線系統(tǒng)對現(xiàn)場智能設(shè)備進行遠程整定。也許是受限于電廠的運行水平、管理體制或設(shè)備維護模式，目前，多數(shù)電廠僅停留在“可用”的初期階段，尚不能充分發(fā)揮現(xiàn)場總線系統(tǒng)的智能化與功能自治性。

利用現(xiàn)場設(shè)備的智能自檢和通信功能實現(xiàn)預(yù)維護和前瞻性維護[6]，可以大大提高設(shè)備的可利用率和運行效能。由于設(shè)備原因的非計劃性停運和傳統(tǒng)的低效率維護方式都帶來電廠效益的降低，而利用預(yù)維護方式可以極大地改善以下狀況：①大修周期內(nèi)的儀表校驗維護工作;②頻繁而低效率的現(xiàn)場巡檢;③儀表技術(shù)人員花費在書面記錄和文檔整理上大量的工作時間。

為滿足對現(xiàn)場設(shè)備(智能儀表，智能馬達等)的管理，以監(jiān)控層為平臺，建立相匹配的設(shè)備維護管理系統(tǒng)，且與運行人員的MMI相互隔離。同時，應(yīng)配置專門的人員，運用新技術(shù)帶來的數(shù)字化和信息化，針對智能測控設(shè)備做好二次開發(fā)和應(yīng)用工作，為生產(chǎn)維護帶來革命性的改變。

這種改變主要體現(xiàn)在：①通過連續(xù)監(jiān)測智能測控設(shè)備的健康狀況，及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備問題所在，從而避免由于故障不能及時排除造成損失;②進行在線組態(tài)、校驗管理、診斷及數(shù)據(jù)統(tǒng)計工作;③減少維修人員從維修車間到現(xiàn)場的往返次數(shù)，減少大量的巡檢時間，使維修人員有更多的時間用于處理預(yù)測性維護事件;④提供設(shè)備故障判斷依據(jù)，從而減少備品備件投入;⑤建立維護與診斷工作站，在工作站實現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備的檢查，對現(xiàn)場設(shè)備的設(shè)置通過網(wǎng)絡(luò)直接下載到現(xiàn)場設(shè)備中，并通過定期對參數(shù)的檢查間接確定設(shè)備是否故障，建立檢查記錄。

5 結(jié)束語

在電廠投產(chǎn)后若能真正建立基于現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的二次開發(fā)平臺，處理好現(xiàn)場總線應(yīng)用過程中諸如接口穩(wěn)定性、測控設(shè)備的局限性、總線可靠性等問題，利用總線控制系統(tǒng)的豐富參數(shù)和診斷信息進行設(shè)備診斷，優(yōu)化設(shè)備運行、維護，發(fā)揮現(xiàn)場總線系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸分層次、多變量的特點，將設(shè)備管理自動化和遠程診斷功能納入系統(tǒng)，指導(dǎo)電廠的生產(chǎn)管理，貫穿于電廠的全壽命周期，其潛在的經(jīng)濟性將十分巨大。

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