沈軍

【摘要】本文敘述了現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在火力發(fā)電廠的應(yīng)用上提出幾種應(yīng)用思路，以及對(duì)應(yīng)用過(guò)程中可能存在的問(wèn)題和策略進(jìn)行探討。

【關(guān)鍵詞】現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)；結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；火電廠；應(yīng)用；存在的問(wèn)題；策略

【中圖分類號(hào)】TK323；TM769 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1672-5158（2013）01—0055—02

1、引言

隨著控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)字化作為一種趨勢(shì)正在從工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的決策層、管理層、監(jiān)控層和控制層一直發(fā)展到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備?，F(xiàn)場(chǎng)總線的出現(xiàn)，使數(shù)字通信技術(shù)迅速占領(lǐng)工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)中模擬量信號(hào)的最后一塊領(lǐng)地。一種全數(shù)字化、全開(kāi)放式的、可互操作的新型控制系統(tǒng)——現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)正向我們走來(lái)。現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的出現(xiàn)代表了工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中一個(gè)新紀(jì)元的開(kāi)始，并將對(duì)該領(lǐng)域的發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

目前在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用的DCS系統(tǒng)采用分散式的體系結(jié)構(gòu)，專利型的網(wǎng)絡(luò)支撐和模擬式的現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)，但隨著各種智能傳感器、變送器和執(zhí)行器的出現(xiàn)，數(shù)字化到現(xiàn)場(chǎng)、控制功能到現(xiàn)場(chǎng)、設(shè)備管理到現(xiàn)場(chǎng)的趨勢(shì)越來(lái)越明顯，一種新的過(guò)程控制系統(tǒng)——現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)已呈現(xiàn)在我們面前。

2、現(xiàn)場(chǎng)總線的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)

2.1.結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

2.1.1 現(xiàn)場(chǎng)總線最核心的部分是總線協(xié)議，總線協(xié)議是一種數(shù)字通信協(xié)議，圍繞總線協(xié)議構(gòu)成一種應(yīng)用于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)、在智能化控制設(shè)備之間實(shí)行雙向串行通信、多節(jié)點(diǎn)的數(shù)字通信系統(tǒng)，一種開(kāi)放的、數(shù)字化的、多點(diǎn)通信的低層控制網(wǎng)絡(luò)。它使得自控系統(tǒng)和設(shè)備有了通信的能力。

2.1.2 現(xiàn)場(chǎng)總線的基礎(chǔ)部分是數(shù)字智能現(xiàn)場(chǎng)裝置。通過(guò)數(shù)字通信總線將所有的數(shù)字智能現(xiàn)場(chǎng)裝置連成一個(gè)控制網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)成現(xiàn)場(chǎng)總線的硬件支撐。

2.1.3現(xiàn)場(chǎng)總線的關(guān)鍵部分是信息管理。上位機(jī)與數(shù)字智能現(xiàn)場(chǎng)裝置在信息管理上的分工合作達(dá)到高度的集中和統(tǒng)一、分散和和諧。做到信息處理現(xiàn)場(chǎng)化和信息管理系統(tǒng)化。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)總線的優(yōu)勢(shì)

2.2.1 簡(jiǎn)化了控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。信鼠處理實(shí)行現(xiàn)場(chǎng)化，減少了計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)I/O卡件的使用量和簡(jiǎn)化了功能組態(tài)。

2.2.2 節(jié)省了I/O電纜的投資。數(shù)字智能現(xiàn)場(chǎng)裝置完成信息處理，只通過(guò)單一的數(shù)字通信總線實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)信息共享，使過(guò)程I/O電纜的使用量大大減少。

2.2.3 提高了I/O信號(hào)的可靠性和精度。信息處理實(shí)行現(xiàn)場(chǎng)化，避免了小信號(hào)的長(zhǎng)距離傳送，使信號(hào)的保真度大大提高；采用數(shù)字通信技術(shù)，抗干擾能力增強(qiáng)了，也確保了信號(hào)的傳遞可靠。

2.2.4 信息管理和控制更系統(tǒng)化和專業(yè)化。通過(guò)大量的數(shù)字智能現(xiàn)場(chǎng)裝置的數(shù)字通信技術(shù)，使計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的信息管理?yè)碛谐渥愕男畔?，進(jìn)一步在信息化的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)信息管理系統(tǒng)化、控制專業(yè)化、系統(tǒng)診斷專家化。

3、現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在火電廠中應(yīng)用思路

目前，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)已被廣泛認(rèn)知，并逐步應(yīng)用于部分實(shí)際工業(yè)過(guò)程控制中。下面試結(jié)合火電廠自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，提出將現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)應(yīng)用于全廠輔助公用系統(tǒng)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)、智能化現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的應(yīng)用以及智能化設(shè)備狀態(tài)檢修管理方面的應(yīng)用思路。

3.1 全廠輔助公用系統(tǒng)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)

在火電廠中，相對(duì)獨(dú)立的輔助公用系統(tǒng)大約有10-15個(gè)，這些輔助公用系統(tǒng)包括化學(xué)車間、工業(yè)用水車間、污水處理車間、輸煤車間、除灰車間、除渣車間、除塵車間、空壓機(jī)車間、制氫站、油庫(kù)等等，這些車間的監(jiān)控信號(hào)主要是以開(kāi)關(guān)量為主，模擬量調(diào)節(jié)項(xiàng)目較少，因此多數(shù)都是采用PLC可編程控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的監(jiān)視和控制的。通過(guò)采用PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線通信標(biāo)準(zhǔn)或MODBUS通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，建立全廠輔助公用系統(tǒng)的PLC監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，并設(shè)置車間工作站（主要用于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和維護(hù)）和中央工作站，以達(dá)到集中監(jiān)控點(diǎn)，分散控制，并通過(guò)通信接口將信息向上通信至廠級(jí)控制網(wǎng)絡(luò)。

3.2 智能化現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的應(yīng)用

智能化現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備包括智能化的傳感器、變送器、執(zhí)行器以及通信接口設(shè)備等。根據(jù)生產(chǎn)過(guò)程控制的需要，通過(guò)嵌入在智能化現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中的功能塊軟件組態(tài)，對(duì)需要監(jiān)控的生產(chǎn)過(guò)程對(duì)象，實(shí)現(xiàn)測(cè)量信號(hào)處理、開(kāi)方、加減、PID運(yùn)算、函數(shù)運(yùn)算等功能，將控制指令傳至智能化執(zhí)行器中，自動(dòng)在現(xiàn)場(chǎng)完成生產(chǎn)過(guò)程對(duì)象的調(diào)節(jié)和控制。正因?yàn)镕CS現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備具有智能化功能，在火電廠的應(yīng)用中，可以有選擇的將一些測(cè)量點(diǎn)和控制點(diǎn)的單位調(diào)節(jié)采用智能化現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，來(lái)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)控制。

3.3 智能化設(shè)備狀態(tài)檢修管理

智能化設(shè)備通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線傳遞數(shù)字信號(hào)，不僅包括反映生產(chǎn)過(guò)程參數(shù)的測(cè)量信息，還包括設(shè)備制造商提供的原始信息，如：被測(cè)量參數(shù)的單位、量程、阻尼、設(shè)備型號(hào)、版本號(hào)，材料等等，除了這些設(shè)備通常具有的共性外，對(duì)于一些特定設(shè)備，還有一些特定的描述。如：溫度傳感器，可以包括有熱元件型號(hào)、連接方式、允許測(cè)量范圍等信息通過(guò)智能化設(shè)備傳的設(shè)備本體信鼠，電廠的設(shè)備管理系統(tǒng)可以對(duì)智能化設(shè)備進(jìn)行有效的管理。目前多數(shù)智能化設(shè)備遵循HART通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)專用的遵循HART通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)儀表校驗(yàn)設(shè)備，就可以方便的完成設(shè)備的定期檢查和校驗(yàn)，再通過(guò)總線通信，將數(shù)據(jù)信息傳送到上層設(shè)備管理系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)科學(xué)管理。

4、火電廠應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)存在的問(wèn)題和策略

目前大型火力發(fā)電（300-600MW）機(jī)組十分復(fù)雜，具有測(cè)點(diǎn)多（一般單臺(tái)300MW機(jī)組有5000多點(diǎn)）、參數(shù)變化快及控制對(duì)象數(shù)量多（一般400-600個(gè)）、子系統(tǒng)之間關(guān)聯(lián)性強(qiáng)等特點(diǎn)。另外火電廠控制系統(tǒng)通常包括自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)控制、順序控制和自動(dòng)保護(hù)等任務(wù)，因此控制系統(tǒng)地穩(wěn)定性和可靠性對(duì)機(jī)組安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行至關(guān)重要。雖然現(xiàn)場(chǎng)總線有很多優(yōu)點(diǎn)，但在使用中仍有不少擔(dān)憂，主要有冗余和故障隔離、高級(jí)控制、企業(yè)資源規(guī)劃、現(xiàn)有設(shè)備向現(xiàn)場(chǎng)總線升級(jí)等問(wèn)題，下面我們就問(wèn)題逐一列出并制定對(duì)策：

4.1 DCS系統(tǒng)整體升級(jí)到現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的方法不可取

雖然可對(duì)目前的部分DCS系統(tǒng)通過(guò)增加現(xiàn)場(chǎng)總線接口卡件和網(wǎng)關(guān)等方法實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)總線功能，但軟件也需升級(jí)，費(fèi)用相當(dāng)昂貴，并且限于DCS的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，硬件組成，通信模式，升級(jí)后的效果也存在許多問(wèn)題。

4.2 積極穩(wěn)妥的推進(jìn)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的運(yùn)用

當(dāng)前，必須大力開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的研究、開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)在電廠自動(dòng)化系統(tǒng)中應(yīng)用的問(wèn)題及解決辦法，應(yīng)不斷地實(shí)踐、總結(jié)、提高。

4.3 全面采用現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)可能會(huì)存在的問(wèn)題

4.3.1 高級(jí)復(fù)雜控制的問(wèn)題。電廠中最復(fù)雜的控制系統(tǒng)是協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，通常包含負(fù)荷控制、主蒸汽壓力控制、主蒸汽溫度控制以及汽包水位控制等內(nèi)容。若采用現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的典型做法，將控制和處理功能下移到智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備處理，由于各子控制系統(tǒng)之間相互關(guān)聯(lián)，必然導(dǎo)致H1與上層網(wǎng)絡(luò)HSE之間通信的信息量劇增，會(huì)增大控制系統(tǒng)的處理周期，建議應(yīng)采用集成控制發(fā)式，將高級(jí)復(fù)雜的控制系統(tǒng)經(jīng)TCP/IP等聯(lián)入系統(tǒng)中。

4.3.2 聯(lián)鎖保護(hù)、順序邏輯控制中的問(wèn)題。對(duì)于處在協(xié)調(diào)級(jí)的SCS、APS系統(tǒng)，其SCS的作用是控制機(jī)組啟停，而APS是全廠機(jī)爐大聯(lián)鎖。在采用現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)時(shí)，響應(yīng)時(shí)間是關(guān)鍵因素。在實(shí)際使用上可以采用以下措施進(jìn)行控制：①采用PROFIBUS DP或通過(guò)MODBUS可實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)量的監(jiān)控，還需增加前端的智能I/O。②利用PLC及遠(yuǎn)程I/O設(shè)備掛接到現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)上。

4.4 300MW及以上機(jī)組應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)總線的建議

在300MW及以上的運(yùn)行機(jī)組上，可在部分輔助車間的系統(tǒng)上進(jìn)行試用，以便于我們從中積累現(xiàn)場(chǎng)總線應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)，具體方法是將原有控制系統(tǒng)上增加現(xiàn)場(chǎng)總線接口卡件，但會(huì)造成綜合性能下降，且系統(tǒng)越改越復(fù)雜，因此建議在化水車間、循環(huán)水系統(tǒng)，除灰系統(tǒng)等相對(duì)獨(dú)立的工藝流程，采用開(kāi)關(guān)總量線技術(shù)；另外在高、低壓加熱器，除氧器等系統(tǒng)中采用FF H1技術(shù)。

4.5 現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)中的智能設(shè)備管理

在選擇現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)充分考慮該系統(tǒng)是否具有軟件界面友好、功能豐富的智能設(shè)備管理功能?，F(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)只是一種國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，不同廠家的系統(tǒng)功能與實(shí)現(xiàn)手段各不相同，因此，我們必須考慮現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的同時(shí)，評(píng)估相應(yīng)的智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備以及監(jiān)控、診斷和管理軟件性能的高低。

4.6 建議選擇有成熟經(jīng)驗(yàn)、管控一體化的現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)

火電廠生產(chǎn)管理的特殊性突出的表現(xiàn)在對(duì)安全可靠的高度重視，甚至還會(huì)因此放慢采用新技術(shù)的步伐。因此在選擇現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)方案時(shí)，必須慎重地考慮其系統(tǒng)和方案是否有過(guò)成功地應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，系統(tǒng)地結(jié)構(gòu)是否具有良好的互聯(lián)性和開(kāi)放性，是否有機(jī)的集成了過(guò)程控制和設(shè)備管理以及信息管理系統(tǒng)。

在各種現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)發(fā)展地同時(shí)，統(tǒng)一的TCP/IP協(xié)議使得以太網(wǎng)技術(shù)得到了快速發(fā)展，并逐漸應(yīng)用到工業(yè)控制領(lǐng)域，而不再局限于傳統(tǒng)得IT領(lǐng)域，并由此產(chǎn)生了系列工業(yè)以太網(wǎng)產(chǎn)品，高速以太網(wǎng)也越來(lái)越多得應(yīng)用到過(guò)程自動(dòng)化得監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中。

5 結(jié)束語(yǔ)

由于現(xiàn)場(chǎng)總線適應(yīng)了過(guò)程工業(yè)控制向智能化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和分散化的發(fā)展方向，作為工業(yè)過(guò)程控制的發(fā)電企業(yè)，應(yīng)該適時(shí)引入基于總線技術(shù)的控制系統(tǒng)。但考慮到火電廠主輔設(shè)備和系統(tǒng)的復(fù)雜性和運(yùn)行監(jiān)控的特點(diǎn)，必須解決一系列電廠復(fù)雜控制特有的問(wèn)題，否則很難取得預(yù)期的效果，而這一過(guò)程也是現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)發(fā)展和完善的過(guò)程，但隨著技術(shù)的不斷深化和發(fā)展，相信現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)在火電廠自動(dòng)化領(lǐng)域的應(yīng)用也會(huì)繼DCS系統(tǒng)之后，再創(chuàng)火電廠自動(dòng)化控制的輝煌。

參考文獻(xiàn)

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