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現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在電廠的應(yīng)用剖析

現(xiàn)場(chǎng)總線;控制系統(tǒng);冗余;電廠:文章主要討論了現(xiàn)場(chǎng)總線的特點(diǎn)，闡明了基于現(xiàn)場(chǎng)總線的電廠自動(dòng)化系統(tǒng)構(gòu)成，著重強(qiáng)調(diào)了現(xiàn)場(chǎng)總線在電廠中應(yīng)用應(yīng)注意的問(wèn)題。

1.前言在電廠化的建設(shè)過(guò)程中，越來(lái)越多的專家、學(xué)者和電力工程設(shè)計(jì)人員意識(shí)到推動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在電廠應(yīng)用的重要性和迫切性，提出了現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)在電廠的應(yīng)用設(shè)想和建議。但到目前為止，在國(guó)內(nèi)已建和在建電廠中，真正意義上的全面和系統(tǒng)地應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的實(shí)例尚未見(jiàn)報(bào)道，還只是局部的試點(diǎn)。

根據(jù)國(guó)際電工委員會(huì)IEC61158標(biāo)準(zhǔn)的定義：安裝在制造或生產(chǎn)過(guò)程區(qū)域的現(xiàn)場(chǎng)裝置與控制室內(nèi)的自動(dòng)控制裝置之間的數(shù)字式、串行、雙向、多點(diǎn)通信的數(shù)據(jù)總線稱為現(xiàn)場(chǎng)總線。由現(xiàn)場(chǎng)總線與現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備組成的控制系統(tǒng)稱為現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)。而衡量一個(gè)控制系統(tǒng)是否為真正的FCS有三個(gè)關(guān)鍵要點(diǎn)，即：核心、基礎(chǔ)和本質(zhì)。FCS的核心是總線協(xié)議，只有遵循現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議的控制系統(tǒng)，才能稱為現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)；FCS的基礎(chǔ)是數(shù)字智能現(xiàn)場(chǎng)儀表，它是FCS的硬件支撐；FCS的本質(zhì)是處理現(xiàn)場(chǎng)化，這是FCS系統(tǒng)的效能體現(xiàn)。

因此現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)是一種全計(jì)算機(jī)、全數(shù)字、雙向通信的新型控制系統(tǒng)。它與DCS的本質(zhì)差異在于現(xiàn)場(chǎng)級(jí)設(shè)備的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化，實(shí)現(xiàn)了控制裝置與現(xiàn)場(chǎng)裝置的雙向通信，消除了生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)控的“盲點(diǎn)”?？梢哉f(shuō)，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備級(jí)的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化是電廠化管理的基礎(chǔ)。2.電氣現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的特點(diǎn)2.1電氣參數(shù)變化快

電氣模擬量一般為電流、電壓、功率、頻率等參數(shù)，數(shù)字量主要為開(kāi)關(guān)狀態(tài)、保護(hù)動(dòng)作等信號(hào)，這些參數(shù)變化快，對(duì)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的采樣速度要求高。

2.2電氣設(shè)備的智能化程度高

電氣系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)一變壓器組保護(hù)、起動(dòng)一備用變壓器保護(hù)、自動(dòng)同期裝置、廠用電切換裝置、勵(lì)磁調(diào)節(jié)器等保護(hù)或自動(dòng)裝置均為微機(jī)型，6kV開(kāi)關(guān)站保護(hù)為微機(jī)綜合保護(hù)，380V開(kāi)關(guān)站采用智能開(kāi)關(guān)和微機(jī)型電動(dòng)機(jī)控制器，所有的電氣設(shè)備均實(shí)現(xiàn)了智能化，能方便地與各種計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用通信方式進(jìn)行雙向通信。

2.3電氣設(shè)備的控制邏輯簡(jiǎn)單

電氣設(shè)備的控制一般均為開(kāi)關(guān)量控制，控制邏輯十分簡(jiǎn)單，一般無(wú)調(diào)節(jié)或其它控制要求。

2.4電氣設(shè)備的控制頻度較低

除在機(jī)組起、停過(guò)程中，部分電氣設(shè)備要進(jìn)行一些倒閘或切換操作外，在機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)電氣沒(méi)備一般不需要操作。在事故情況下，大多由繼電保護(hù)或自動(dòng)裝置動(dòng)作來(lái)切除故障或進(jìn)行廠用電源切換。

2.5電氣設(shè)備具有良好的可控性

這是因?yàn)殡姎獾目刂茖?duì)象一般均為斷路器、空氣開(kāi)關(guān)或接觸器，其操作靈活，動(dòng)作可靠，與電廠其它受控設(shè)備相比，具有良好的可控性。

2.6電氣設(shè)備的安裝環(huán)境較好且布置相對(duì)集中

電氣設(shè)備大多集中布置在電氣繼電器室和各電氣配電設(shè)備問(wèn)內(nèi)，設(shè)備布置相對(duì)比較集中，且安裝環(huán)境極少有水汽或粉塵的污染，為控制設(shè)備就地布置提供了有利條件。3.基于現(xiàn)場(chǎng)總線的電廠自動(dòng)化系統(tǒng)構(gòu)成電廠熱工控制系統(tǒng)中所使用的儀表設(shè)備不同、連接方式不同、通信協(xié)議不同，給系統(tǒng)的兼容性、可擴(kuò)展性、穩(wěn)定性、維護(hù)等帶來(lái)了很大的困難。為了使現(xiàn)場(chǎng)總線具有開(kāi)放性，便于用戶選擇不同的產(chǎn)品，我們按照國(guó)際電工委員會(huì)制定的IEC61158國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，提出了基于現(xiàn)場(chǎng)總線的電廠綜合自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。此系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)分為三層，從低到高分別為現(xiàn)場(chǎng)控制層、監(jiān)控層和企業(yè)管理層。

3.1現(xiàn)場(chǎng)控制層

現(xiàn)場(chǎng)控制層由現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和控制網(wǎng)段組成。H1層網(wǎng)絡(luò)是在FF現(xiàn)場(chǎng)總線的H1層基礎(chǔ)上定義的低速現(xiàn)場(chǎng)級(jí)網(wǎng)絡(luò)，低速總線H1支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接、總線型、菊花鏈型、樹(shù)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，而高速總線僅支持總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。Hl主要用于連接現(xiàn)場(chǎng)智能儀表，如壓力、溫度、液位、流量等變送器及其執(zhí)行機(jī)構(gòu)等。

3.2監(jiān)控層

監(jiān)控層由高速以太網(wǎng)0t2總線)以及連接在總線上的擔(dān)任監(jiān)控作務(wù)的工作站或顯示操作站組成。tt2層網(wǎng)絡(luò)屬于現(xiàn)場(chǎng)總線的高速現(xiàn)場(chǎng)級(jí)網(wǎng)絡(luò)，主要用于連接現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備、操作員站、工程師站等設(shè)備，完成監(jiān)控級(jí)的通任務(wù)和比較復(fù)雜的控制策略。

3.3企業(yè)管理層

企業(yè)管理層由各種服務(wù)器和客戶機(jī)組成。其主要目的是在分布式網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下。集成企業(yè)的各種，實(shí)現(xiàn)與internet的連接。完成管理、決策和商務(wù)應(yīng)用的各種功能。首先要將監(jiān)控層實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中的轉(zhuǎn)入上層的關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中，這樣管理層用戶就能隨時(shí)查詢網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀態(tài)以及現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的工況，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。4.工程應(yīng)用中需考慮的問(wèn)題雖然現(xiàn)場(chǎng)總線具有很多優(yōu)越性能，但尚無(wú)十分成熟的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，特別是目前的標(biāo)準(zhǔn)中還包含有多種協(xié)議，給實(shí)際應(yīng)用帶來(lái)了許多困難。因此，工程應(yīng)用中必須精心設(shè)計(jì)，慎重考慮，在充分考慮到滿足生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)控制系統(tǒng)功能需求和安全可靠的前提下，盡量發(fā)揮現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備的優(yōu)越性能。

4.1應(yīng)用范圍

在沒(méi)有成熟的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)情況下，有選擇地在部分區(qū)域控制中應(yīng)用并總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，不斷改進(jìn)。如在火電廠中可廣泛應(yīng)用于輔助車(chē)間、單回路控制區(qū)域，特別是用作遠(yuǎn)程智能I／O與DCS系統(tǒng)混合使用，既可將DCS控制站的部分簡(jiǎn)單算法下裝到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，還能將現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備及時(shí)送到操作員站、工程師站以及廠級(jí)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)和電廠管理系統(tǒng)。

4.2冗余問(wèn)題

目前現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備級(jí)總線大多采用非冗余的單總線結(jié)構(gòu)，如果總線故障必然導(dǎo)致傳輸中斷，失去控制作用，因此在要求具有高可靠性的場(chǎng)合，應(yīng)采取備份措施以實(shí)現(xiàn)總線和設(shè)備的冗余，以提高系統(tǒng)的可靠性。

4.3通信速率問(wèn)題

目前現(xiàn)場(chǎng)總線尤其是設(shè)備級(jí)總線的通信速率都不高，在高速測(cè)量與控制場(chǎng)合以及在實(shí)施協(xié)調(diào)控制時(shí)對(duì)控制周期有嚴(yán)格要求的場(chǎng)合，必須考慮精確計(jì)算控制系統(tǒng)在最復(fù)雜和最惡劣的情況下的響應(yīng)速度，并驗(yàn)證其是否滿足工藝要求，以確保被控設(shè)備或被控過(guò)程的穩(wěn)定性。

4.4軟件組態(tài)問(wèn)題

由于現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)中包含多種通信協(xié)議，現(xiàn)場(chǎng)總線產(chǎn)品多種多樣，功能也各不相同，因此在工程應(yīng)用中，必須對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的組態(tài)方法、步驟和操作權(quán)限作出規(guī)定，嚴(yán)格按照軟件開(kāi)發(fā)規(guī)程編制組態(tài)程序，確保系統(tǒng)的可靠性、可修改性。

4.5檢測(cè)與驗(yàn)收問(wèn)題

由于現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備既具有相對(duì)獨(dú)立的測(cè)控功能，又具有聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制的功能，因此現(xiàn)場(chǎng)總線的控制功能更為分散，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加獨(dú)立，但耦合程序更加復(fù)雜。因此對(duì)控制系統(tǒng)功能、響應(yīng)速度和可靠性測(cè)試都更加復(fù)雜，所以在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)同時(shí)考慮對(duì)系統(tǒng)自檢測(cè)與驗(yàn)收方法的設(shè)計(jì)。5.現(xiàn)場(chǎng)總線在火力發(fā)電廠的應(yīng)用范圍現(xiàn)場(chǎng)總線在火電廠的應(yīng)用范圍，可以從構(gòu)成全電廠的工廠級(jí)自動(dòng)化系統(tǒng)的整體來(lái)綜合考慮。面對(duì)火電廠多項(xiàng)實(shí)時(shí)性要求高、系統(tǒng)復(fù)雜的過(guò)程監(jiān)視和控制任務(wù)，采取DCS與FCS共存，發(fā)揮兩者各自的優(yōu)勢(shì)，是現(xiàn)階段可選的方案。基于這種想法，初步提出以下FCS的應(yīng)用范圍：

1)采用PLC可編程控制器實(shí)現(xiàn)監(jiān)控的全廠輔助公用系統(tǒng)，選用遵循現(xiàn)場(chǎng)總線通信協(xié)議的PLC可編程控制器，對(duì)火電廠多個(gè)輔助公用系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)監(jiān)控，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線通信技術(shù)，建立全廠輔助公用系統(tǒng)PLC網(wǎng)絡(luò)，提高電廠的監(jiān)控和管理水平。

2)地域分散的單沖量調(diào)節(jié)項(xiàng)目。

3)地域分散的獨(dú)立的電動(dòng)閥或電動(dòng)機(jī)。

4)全廠的設(shè)備狀態(tài)檢修，設(shè)備管理系統(tǒng)。

5)電廠改造過(guò)程中新增的監(jiān)控區(qū)域，且DCS已不便修改的項(xiàng)目，可按區(qū)域采用FCS設(shè)備，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)控制。6.結(jié)語(yǔ)合理規(guī)劃電廠的自動(dòng)化和化架構(gòu)，降低工程造價(jià)，提高電廠自動(dòng)化和管理水平，投資方、建設(shè)方以及設(shè)計(jì)院，同設(shè)備供應(yīng)商一道推動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在電廠的應(yīng)用，享受新技術(shù)帶來(lái)的效益和成果。

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（責(zé)任編輯：xy）

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