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        淺談現(xiàn)場總線技術(shù)在火電廠的應用前景

        2014-07-21 00:40:33符志強
        科技創(chuàng)新與應用 2014年22期
        關(guān)鍵詞:統(tǒng)一標準現(xiàn)場總線開放性

        摘 要:介紹現(xiàn)場總線的發(fā)展歷史及技術(shù)特點。通過現(xiàn)場總線與DCS的比較,分析其優(yōu)缺點。闡述現(xiàn)場總線技術(shù)應用于火電廠控制系統(tǒng)在設計和使用方面需注意的問題,根據(jù)它在火電廠的應用實例表明現(xiàn)場總線的發(fā)展趨勢與技術(shù)展望。

        關(guān)鍵詞:現(xiàn)場總線;統(tǒng)一標準;開放性;電廠數(shù)字化

        現(xiàn)場總線(Fieldbus)是80年代末、90年代初發(fā)展形成的用于過程自動化領(lǐng)域的現(xiàn)場智能設備互連通訊網(wǎng)絡。它作為數(shù)字通信網(wǎng)絡的基礎(chǔ)在生產(chǎn)過程現(xiàn)場及控制設備之間及更高控制管理層次之間建立聯(lián)系。它不僅是一個基層網(wǎng)絡,而且還是一種開放式、新型全分布控制系統(tǒng)。這項以智能傳感、控制、計算機、數(shù)字通訊等技術(shù)為主要內(nèi)容的綜合技術(shù),已經(jīng)受到世界范圍的關(guān)注,成為自動化技術(shù)發(fā)展的熱點,并將導致自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與設備的深刻變革。

        1 現(xiàn)場總線的技術(shù)特點

        1.1 系統(tǒng)的開放性

        開放系統(tǒng)是指通信協(xié)議公開,各不同廠家的設備之間可進行互連并實現(xiàn)信息交換。它可以與任何遵守相同標準的其它設備或系統(tǒng)相連。它把系統(tǒng)集成的權(quán)利交給了用戶。用戶可按自己的需要和對象把來自不同供應商的產(chǎn)品組成大小隨意的系統(tǒng)。

        1.2 系統(tǒng)的互可操作性與互用性

        這里的互可操作性,是指實現(xiàn)互連設備間、系統(tǒng)間的信息傳送與溝通,可實行點對點,一點對多點的數(shù)字通信。而互用性則意味著不同生產(chǎn)廠家的性能類似的設備可進行互換而實現(xiàn)互用。

        1.3 現(xiàn)場設備的智能化與功能自治性

        它將傳感測量、補償計算、工程量處理與控制等功能分散到現(xiàn)場設備中完成,僅靠現(xiàn)場設備即可完成自動控制的基本功能,并可隨時診斷設備的運行狀態(tài)。

        1.4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性

        由于現(xiàn)場設備本身已可完成自動控制的基本功能,使得現(xiàn)場總線已構(gòu)成一種新的全分布式控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。從根本上改變了現(xiàn)有DCS集中與分散相結(jié)合的集散控制系統(tǒng)體系。

        1.5 對現(xiàn)場環(huán)境的適應性

        工作在現(xiàn)場設備前端,作為工廠網(wǎng)絡底層的現(xiàn)場總線,是專為在現(xiàn)場環(huán)境工作而設計的。它可支持雙絞線、同軸電纜、光纜、射頻、紅外線、電力線等,具有較強的抗干擾能力,能采用兩線制實現(xiàn)送電與通信,并可滿足本質(zhì)安全防爆要求等。

        2 典型的現(xiàn)場總線

        2.1 基金會現(xiàn)場總線

        基金會現(xiàn)場總線,即FoudationFieldbus,簡稱FF,這是在過程自動化領(lǐng)域得到廣泛支持和具有良好發(fā)展前景的技術(shù)。它以IS0/0SI開放系統(tǒng)互連模型為基礎(chǔ),取其物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應用層為FF通信模型的相應層次,并在應用層上增加了用戶層。

        2.2 LonWorks

        LonWorks是又一具有強勁實力的現(xiàn)場總線技術(shù)。它采用了 IS0/0SI模型的全部七層通訊協(xié)議,采用了面向?qū)ο蟮脑O計方法,通過網(wǎng)絡變量把網(wǎng)絡通信設計簡化為參數(shù)設置支持雙絞線、同軸電纜、光纖、射頻、紅外線、電源線等多種通信介質(zhì),被譽為通用控制網(wǎng)絡。

        2.3 Profibus

        Profibus是作為德國國家標準DIN 19245和歐洲標準prEN 50170的現(xiàn)場總線。IS0/0SI 模型也是它的參考模型。Porfibus支持主一從系統(tǒng)、純主站系統(tǒng)、多主多從混合系統(tǒng)等幾種傳輸方式。主站具有對總線的控制權(quán),可主動發(fā)送信息。其傳輸介質(zhì)可以是雙絞線,也可以是光纜,最多可掛接127個站點。

        2.4 HART

        HART是Highway Addressable Remote Transduer的縮寫。這種被稱為可尋址遠程傳感高速通道的開放通信協(xié)議,其特點是現(xiàn)有模擬信號傳輸線上實現(xiàn)數(shù)字通信,屬于模擬系統(tǒng)向數(shù)字系統(tǒng)轉(zhuǎn)變過程中工業(yè)過程控制的過渡性產(chǎn)品,因而在當前的過渡時期具有較強的市場競爭能力,得到了較好的發(fā)展。

        3 現(xiàn)場總線系統(tǒng)(FCS)與傳統(tǒng)集散控制系統(tǒng)(DCS)區(qū)別

        3.1 總線式結(jié)構(gòu)

        FCS是一對傳輸線(總線)掛接多臺現(xiàn)場設備,雙向傳輸多個數(shù)字信號。這種結(jié)構(gòu)比DCS一對一的單向模擬信號傳送結(jié)構(gòu)布線簡單,安裝費用低,維護簡便。

        3.2 開放互操作性

        現(xiàn)場總線采用統(tǒng)一的協(xié)議標準,是開放式的互聯(lián)網(wǎng)絡,對用戶是透明的,而在傳統(tǒng)的DCS中不同廠家的設備是不能相互訪問的。而FCS采用統(tǒng)一的標準,不同廠家的網(wǎng)絡產(chǎn)品可以方便地接入同一網(wǎng)絡,集成在同一控制系統(tǒng)中進行互操作,因此簡化了系統(tǒng)集成。

        3.3 徹底的分散控制

        現(xiàn)場總線將控制功能下放到作為網(wǎng)絡節(jié)點的現(xiàn)場智能儀表和設備中,做到徹底的分散控制,提高了系統(tǒng)的靈活性、自治性和安全可靠性,減輕了控制站CPU的計算負擔。DCS的控制功能則集中于控制器,現(xiàn)場設備幾乎不參與,從而加重CPU負荷。

        3.4 經(jīng)濟性

        FCS由于采用數(shù)字通訊方式,因此可采用多種傳輸介質(zhì)進行通信。根據(jù)控制系統(tǒng)中節(jié)點的空間分布情況,可采用多種網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)。這種傳輸介質(zhì)和網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)的多樣性給自動化系統(tǒng)的施工帶來了極大的方便,據(jù)統(tǒng)計,F(xiàn)CS與傳統(tǒng)DCS的主從結(jié)構(gòu)相比,只計算布線工程一項即可節(jié)省40%的經(jīng)費。

        4 現(xiàn)場總線系統(tǒng)在火電廠的應用

        早在九十年代末,現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)就已經(jīng)在國外的電廠中得到應用。僅SMAR公司的 System302 就曾先后在美國的Seattle Steam、Mohave Generation Plant、巴西的CESE等電廠中得到應用,這些現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)除了完成一般的數(shù)據(jù)采集功能之外,還實現(xiàn)了燃燒控制、給水控制、過熱汽溫控制、再熱汽溫控制、除氧器控制、以及電機的啟??刂?、聯(lián)鎖保護和報警等功能。

        廣州恒運電廠在#7機組(210MW)的脫硫控制系統(tǒng)中局部采用了現(xiàn)場總線技術(shù)的控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用的是Profibiis現(xiàn)場總線,共采集了現(xiàn)場1140多個點,其中500點是模擬量點,其余的是數(shù)字量點。整個系統(tǒng)的設備組成如下表:

        從兩年多的運行情況看,控制系統(tǒng)運行穩(wěn)定,各項控制功能及設備的聯(lián)鎖保護功能和報警歷史趨勢記錄功能均表現(xiàn)良好。本來在原設計中現(xiàn)場設備均采用了現(xiàn)場總線技術(shù),但最后安全考慮出于只在上位控制中采用現(xiàn)場總線。從以上實例可以看出,現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)完全可以適應電廠復雜控制系統(tǒng)和高可靠性系統(tǒng)的要求,并且可以大量地節(jié)省系統(tǒng)投資,縮短安裝調(diào)試時間,提高現(xiàn)場設備管理水平。

        5 現(xiàn)場總線在火電廠的應用前景

        目前在火電廠中普遍采用DCS控制系統(tǒng),要推廣現(xiàn)場總線系統(tǒng)還必須克服其不足之處。目前現(xiàn)場總線的國際標準己有12種之多,而且還有增加的趨勢。造成的后果是,不論制造廠商也好,用戶也好,面對眾多的標準,在選擇時往往感到困惑而無所適從。所以說,多標準實質(zhì)上是沒有標準。因此建立統(tǒng)一的標準是發(fā)展FCS的當務之急。另外,適用于過程控制的現(xiàn)場總線FF和Profibus PA都是沒有冗余的,按照現(xiàn)場總線的設計思想,低速部分是不需要冗余的,因為現(xiàn)場總線已經(jīng)將危險徹底分散了,局部故障不會導致全局故障,而現(xiàn)場總線的智能化儀表又有實現(xiàn)維修預報的功能而可事先防范。但在安全方面有特殊要求的部位確實是需要冗余的。如發(fā)電廠的汽包水位計、爐膛壓力等參數(shù),往往在測點上就必須有冗余。因此在現(xiàn)場總線系統(tǒng)設計時必須考慮冗余問題,畢竟對于電廠控制系統(tǒng)來說安全是第一要素。

        盡管如此,現(xiàn)場總線在一些小型控制系統(tǒng)中已逐步取代DCS和PLC成為炙手可熱的創(chuàng)新技術(shù)。隨著智能化儀表和設備的涌現(xiàn),現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的應用領(lǐng)域正在由小型的、試驗性的系統(tǒng)轉(zhuǎn)向大型的、重要的工業(yè)生產(chǎn)過程。許多用戶正在把現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)應用于大規(guī)模、甚至是超大規(guī)模的系統(tǒng)中。目前現(xiàn)場總線在火電廠的輔助車間(水處理,輸煤,脫硫等)控制中也占有一席之地,相信在不久的將來主機的控制系統(tǒng)中也能見到它的身影。在電廠中應用現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的條件已經(jīng)成熟。

        6 結(jié)束語

        現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)在我國的應用還剛剛起步,特別是在電力行業(yè),現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)在大型火電機組中的應用還幾乎空白。統(tǒng)計資料顯示,電力行業(yè)在現(xiàn)場總線方面的應用業(yè)績不及化工行業(yè)的十分之一。因此,現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)在電力行業(yè)中的推廣應用刻不容緩?,F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的發(fā)展勢頭十分迅猛,其應用前景十分廣闊。我們應該積極推進現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)在電廠中的應用,為實現(xiàn)電廠的全面數(shù)字化奠定堅實的基礎(chǔ)。

        參考文獻

        [1]顧洪軍.工業(yè)企業(yè)網(wǎng)與現(xiàn)場總線技術(shù)及應用[M].北京:人民郵電出版社,2000.

        [2]王寶智.計算機網(wǎng)絡[M].北京:北京希望電子出版社,2001.

        [3]陳俊林.計算機在火電廠中的應用[M].北京:中國電力出版社,1995.5.

        [4]高偉.計算機控制系統(tǒng)[M]北京:中國電力出版社,2000.11.

        作者簡介:符志強(1975,6-),男,籍貫:四川省達州市,現(xiàn)職稱:助理工程師,學歷:大學本科,研究方向:自動化。

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