現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在數(shù)字化電廠中的應(yīng)用

楊 浚，姜春敏

（1.昆明理工大學(xué)，云南 昆明 650500；2.華能煙臺(tái)發(fā)電廠，山東 煙臺(tái) 264002）

0 引言

近幾年，數(shù)字化電廠建設(shè)受到廣泛關(guān)注。數(shù)字化電廠就是將所有電力生產(chǎn)過(guò)程信息和管理內(nèi)容數(shù)字化，利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)可靠而準(zhǔn)確的數(shù)字化信息交換和資源實(shí)時(shí)共享，利用智能專家系統(tǒng)提供各種生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)操作指導(dǎo)和優(yōu)化決策，從而提高電力生產(chǎn)的安全可靠性，降低運(yùn)營(yíng)成本，滿足現(xiàn)代企業(yè)管理和電力改革發(fā)展需要。

數(shù)字化電廠網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架可劃分為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層、直接控制層、管控一體化層和管理決策層。20世紀(jì)90年代起，直接控制層已逐步實(shí)現(xiàn)數(shù)字化。近期新建電廠也普遍建立了廠級(jí)SIS和MIS網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架，配置了故障診斷、狀態(tài)檢修及性能優(yōu)化、資源計(jì)劃系統(tǒng)（ERP）等監(jiān)控和管理軟件。而最基礎(chǔ)的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層數(shù)字化進(jìn)程卻相對(duì)滯后，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備信息仍采用傳統(tǒng)的一對(duì)一模擬量信號(hào)或開(kāi)關(guān)量信號(hào)上傳到直接控制層的DCS/PLC各子系統(tǒng)。由于信號(hào)采集方式的限制，許多對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行故障預(yù)測(cè)、診斷和狀態(tài)檢修及遠(yuǎn)程調(diào)校和維護(hù)、優(yōu)化決策必需的設(shè)備狀態(tài)實(shí)時(shí)信息不能采集到系統(tǒng)里去，成了數(shù)字化電廠發(fā)展的瓶頸。

要實(shí)現(xiàn)電廠數(shù)字化，必須把數(shù)字化擴(kuò)展到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備級(jí)。基于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)和現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的應(yīng)用，有效地解決了這個(gè)難題。

1 現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)概況

1.1 現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)概念及優(yōu)勢(shì)

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)FCS（Fieldbus Control System）。 與傳統(tǒng) DCS相比，F(xiàn)CS優(yōu)越性概括起來(lái)有以下幾方面。

1）開(kāi)放性的互聯(lián)結(jié)構(gòu)。它突破了DCS系統(tǒng)采用的專用通信網(wǎng)絡(luò)的局限，采用了公開(kāi)化、標(biāo)準(zhǔn)化、全分布式結(jié)構(gòu)的解決方案。當(dāng)需要增加現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備時(shí)，可就近連接在現(xiàn)有現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)段上。

2）可互操作性。用戶可以選擇不同廠商、不同品牌的各種設(shè)備接入現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)。當(dāng)產(chǎn)品符合相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，并通過(guò)驗(yàn)證測(cè)試后，即可實(shí)現(xiàn)不同產(chǎn)品間的互操作。

3）全數(shù)字化通信。信息傳輸全數(shù)字化，免去了D/A、A/D轉(zhuǎn)換，信息量大大增加，傳輸抗干擾能力強(qiáng)，減少了傳輸誤差，提高系統(tǒng)的可靠性。

4）現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備智能化。 傳感測(cè)量、補(bǔ)償計(jì)算、工程量處理與基本控制等功能可在現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備中完成，縮短控制周期。

5）可靠性高、維護(hù)性好。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備可以進(jìn)行遠(yuǎn)程診斷、維護(hù)和組態(tài)，便于安裝運(yùn)行維護(hù)。

6）降低系統(tǒng)及工程成本。 原來(lái)需要大量電纜進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接的設(shè)備信號(hào)通過(guò)一根網(wǎng)絡(luò)電纜來(lái)傳輸，大大減少DCS的I/O卡件、控制電纜數(shù)量，節(jié)省了安裝工程費(fèi)用和調(diào)試時(shí)間。

1.2 常用現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)及控制系統(tǒng)

國(guó)際電工委員會(huì)IEC61158現(xiàn)場(chǎng)總線的標(biāo)準(zhǔn)有10多種，但廣泛應(yīng)用于火電廠過(guò)程控制的現(xiàn)場(chǎng)總線有FF（Foundation Fieldbus）現(xiàn)場(chǎng)總線和PROFIBUS（Process Fieldbus）現(xiàn)場(chǎng)總線兩種。兩種總線標(biāo)準(zhǔn)相比較，F(xiàn)F較適用于連續(xù)量控制，PROFIBUS較適用于離散量控制，也可用于連續(xù)量控制，但在連續(xù)量控制方面略遜于FF總線。

1.3 現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備情況

現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備是FCS的硬件支撐，現(xiàn)階段可供選擇的、電廠常用的場(chǎng)總線設(shè)備也逐步增多，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備限制現(xiàn)場(chǎng)總線應(yīng)用的問(wèn)題基本解決。

現(xiàn)場(chǎng)總線型執(zhí)行機(jī)構(gòu)。 現(xiàn)場(chǎng)總線型進(jìn)口電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)品牌較多，ROTORK電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)總線模塊有PROFIBUS和FF模塊；SIPOS 5 Flash電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)帶有PROFIBUS-DP總線接口；AUMA電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)總線接口板可提供PROFIBUSFMS、PROFIBUS-DP、INTERBUS-S、MODBUS-RTU現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議。

在電廠常用的氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥閥位定位器產(chǎn)品中，美國(guó)FISHER-ROSEMOUNT公司的FIELDVUE DVC系列智能閥門(mén)定位器支持FF現(xiàn)場(chǎng)總線；ABB公司TZID-C系列智能閥門(mén)定位器和德國(guó)西門(mén)子公司SIPART PS2閥門(mén)定位器支持FF和PROFIBUS-PA；日本山武公司SVP3000智能定位器支持FF總線。

現(xiàn)場(chǎng)總線智能儀表及變送器。各大儀表廠家都相繼推出了現(xiàn)場(chǎng)總線型儀表及變送器，支持FF和PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線地變送器主要有Rosemount公司的3051系列、Siemens公司的SITRANS P系列、Yokogawa公司的 EJA、ABB公司的 2600T系列、Honeywell公司的ST3000系列等。

電氣現(xiàn)場(chǎng)智能化設(shè)備。電廠電氣系統(tǒng)的發(fā)變壓器組保護(hù)、起備變保護(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)和控制裝置及6 kV開(kāi)關(guān)、380 kV開(kāi)關(guān)控制器均采用了微機(jī)型，智能化程度高，能方便地與計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行雙向通信。常用總線接口類型有 RS485、CAN、PROFIBUS和LONWORKS。

2 現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的應(yīng)用

現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)應(yīng)用在國(guó)內(nèi)電廠試點(diǎn)已進(jìn)行了十多年，控制范圍從最初的輔助車(chē)間部分系統(tǒng)到全部系統(tǒng)，已逐步擴(kuò)展到機(jī)組主控系統(tǒng)。現(xiàn)場(chǎng)總線的應(yīng)用，不僅確保了機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)性，而且提高了電廠的控制水平和企業(yè)管理水平、節(jié)省了基建投資和調(diào)試時(shí)間，取得了良好的試點(diǎn)效果，為現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在電廠推廣應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

華電萊城電廠 3、4號(hào)機(jī)組采用西門(mén)子TELEPERM-XP分散控制系統(tǒng)，每臺(tái)機(jī)組有83臺(tái)400 V及以下（配套SIMOCODE控制保護(hù)）的電動(dòng)機(jī)及電加熱器通過(guò)PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線與DCS相連，是國(guó)內(nèi)第一個(gè)局部采用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的電廠。

云南宣威電廠六期工程（2×300 MW）、貴州納雍二電廠（4×300 MW）、甘肅張掖電廠（2×300 MW）等率先采用LonWorks現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的CSPA-2000系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)高、低壓開(kāi)關(guān)柜的全數(shù)字、分層開(kāi)環(huán)監(jiān)控，把上萬(wàn)點(diǎn)的電氣設(shè)備管理信息引入獨(dú)立的電氣監(jiān)控系統(tǒng)（ECMS）進(jìn)行監(jiān)控和維護(hù)。

華能玉環(huán)電廠（4×1 000 MW）是國(guó)內(nèi)第一個(gè)在輔助車(chē)間全面采用現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的電廠，鍋爐補(bǔ)給水控制系統(tǒng)、電廠化學(xué)凈水及廢水控制系統(tǒng)采用現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng) （西門(mén)子 PCS7 417H）、Profibus-DP和PA通信網(wǎng)絡(luò)、現(xiàn)場(chǎng)總線儀表和設(shè)備。總監(jiān)控點(diǎn)數(shù)為502點(diǎn)，其中486點(diǎn)以現(xiàn)場(chǎng)總線方式接入。

華能金陵電廠（2×1 000 MW）是國(guó)內(nèi)目前最大的數(shù)字化電廠試點(diǎn)工程，主控系統(tǒng)采用西門(mén)子基于PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的SPPA-3000控制系統(tǒng)，納入現(xiàn)場(chǎng)總線控制范圍的包括鍋爐、汽機(jī)多個(gè)復(fù)雜工藝子系統(tǒng)，總線設(shè)備達(dá)900多臺(tái)。輔助車(chē)間采用基于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的國(guó)產(chǎn)FCS165和NT6000現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)，電氣監(jiān)控系統(tǒng)采用國(guó)產(chǎn)ECSTAR6000。

華能秦嶺電廠（2×600 MW）機(jī)組全廠主控及輔控系統(tǒng)全部采用基于Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的FCS165現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)一體化控制。全廠主控系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線控制設(shè)備426臺(tái)（套），輔控系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線控制設(shè)備579臺(tái)（套）。是首個(gè)應(yīng)用在大型火力發(fā)電機(jī)組的國(guó)產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)。

3 現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)配置方案

現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在單元機(jī)組控制應(yīng)用目前仍處在起步階段，在遵守《火力發(fā)電廠設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》和有關(guān)電力生產(chǎn)相關(guān)技術(shù)規(guī)定前提下，新建發(fā)電機(jī)組建議采用DCS加現(xiàn)場(chǎng)總線的控制系統(tǒng)模式。

3.1 機(jī)組主控系統(tǒng)

影響機(jī)組安全運(yùn)行的主機(jī)和主要輔機(jī)保護(hù)采用成熟的常規(guī)控制方式，不納入現(xiàn)場(chǎng)總線，熱工主輔保護(hù)和重要聯(lián)鎖的信號(hào)保留硬接線，如鍋爐安全監(jiān)視系統(tǒng)（FSSS）、汽機(jī)數(shù)字電液控制系統(tǒng)（DEH）、汽輪機(jī)緊急跳閘系統(tǒng)（ETS）、旁路控制系統(tǒng)（BPS）、事故順序記錄（SOE）等。

用于聯(lián)鎖保護(hù)的開(kāi)關(guān)型氣動(dòng)閥門(mén)、電磁閥，建議采用常規(guī)的方式接入DCS。 用于非重要調(diào)節(jié)回路的調(diào)節(jié)型電（氣）動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)可納入現(xiàn)場(chǎng)總線。重要調(diào)節(jié)回路如給水、汽溫、送、引風(fēng)、磨煤機(jī)等采用常規(guī)硬接線方式。用于非重要系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)型閥門(mén)電動(dòng)裝置納入現(xiàn)場(chǎng)總線，用于重要系統(tǒng)的保護(hù)聯(lián)鎖的通過(guò)硬接線完成。

現(xiàn)場(chǎng)總線型智能儀表及變送器以現(xiàn)場(chǎng)總線方式接入。溫度信號(hào)因沒(méi)有過(guò)多的診斷信息，且?guī)Э偩€接口的智能溫度變送器價(jià)格較高，建議采用傳統(tǒng)方式；主機(jī)/輔機(jī)金屬溫度測(cè)點(diǎn)，仍采用遠(yuǎn)程I/O方式。

開(kāi)關(guān)量?jī)x表如壓力開(kāi)關(guān)、液位開(kāi)關(guān)、溫度開(kāi)關(guān)等不納入現(xiàn)場(chǎng)總線。

所有機(jī)組電動(dòng)機(jī)及主廠房?jī)?nèi)重要電源開(kāi)關(guān)的分/合指令、狀態(tài)反饋信號(hào)等電氣量采用硬接線方式進(jìn)入DCS。

3.2 電氣監(jiān)控制系統(tǒng)

在DCS控制系統(tǒng)中，電氣設(shè)備信號(hào)采用硬接線進(jìn)入，需大量電氣模擬量變送器和控制電纜，而且受信號(hào)采集方式及DCS的I/O點(diǎn)數(shù)的限制，電氣設(shè)備實(shí)時(shí)信息不能全部送入DCS。由于信息不完整，不能滿足電氣設(shè)備故障分析、狀態(tài)診斷、設(shè)備管理等數(shù)字化電廠高級(jí)應(yīng)用的需要。因此采用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的發(fā)電廠電氣監(jiān)控管理系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱ECMS）也已成為當(dāng)前主流設(shè)計(jì)。

ECMS將原先獨(dú)立運(yùn)行、數(shù)量眾多的繼電保護(hù)裝置、測(cè)控裝置、自動(dòng)裝置等通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線連接起來(lái)，從現(xiàn)場(chǎng)電氣智能設(shè)備得到更多的實(shí)時(shí)信息；控制方式從單純DCS控制逐步向具備故障分析、信息管理、設(shè)備管理、自動(dòng)抄表、仿真培訓(xùn)等運(yùn)行管理功能的方向發(fā)展，具有廠用系統(tǒng)電能量管理功能、廠用系統(tǒng)五防閉鎖功能、電廠繼電保護(hù)故障分析整定管理功能，為企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)管理提供全面的電氣系統(tǒng)信息。

單元機(jī)組電氣設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)同樣采用硬接線加現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)相結(jié)合的技術(shù)方案：所有主廠房?jī)?nèi)重要電源開(kāi)關(guān)的分/合控制指令及參與聯(lián)鎖所需要的位置狀態(tài)經(jīng)硬接線送至DCS的DI、DO卡件；機(jī)組運(yùn)行必須監(jiān)視的回路電流、電壓、保護(hù)動(dòng)作報(bào)警信號(hào)則以現(xiàn)場(chǎng)總線通信方式經(jīng)ECMS通信管理機(jī)送入DCS；電氣系統(tǒng)分析管理信息如保護(hù)定值、故障時(shí)電流和電壓波形等數(shù)據(jù)，經(jīng)ECMS系統(tǒng)分析處理不送入DCS，通過(guò)獨(dú)立的通信接口接入SIS和 MIS。

3.3 全廠輔助車(chē)間控制系統(tǒng)

火電廠輔助車(chē)間設(shè)備的監(jiān)控信息主要是開(kāi)關(guān)量，模擬量調(diào)節(jié)系統(tǒng)相對(duì)較少。采用由于進(jìn)口DCS控制造價(jià)偏高，輔助車(chē)間控制系統(tǒng)建議采用總線型PLC或國(guó)產(chǎn)DCS加現(xiàn)場(chǎng)總線模式，構(gòu)成對(duì)輔助車(chē)間工藝系統(tǒng)進(jìn)行集中監(jiān)控的控制系統(tǒng)，并通過(guò)通信接口將現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的實(shí)時(shí)信息通信到廠級(jí)網(wǎng)絡(luò)。

4 影響現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)推廣應(yīng)用的因素

4.1 統(tǒng)一總線標(biāo)準(zhǔn)困難

現(xiàn)場(chǎng)總線國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)種類較多，但沒(méi)有一種標(biāo)準(zhǔn)能夠覆蓋所有的應(yīng)用面。不同現(xiàn)場(chǎng)總線的通信協(xié)議有很大差異，實(shí)現(xiàn)不同總線產(chǎn)品的互連比較困難，使得FCS的開(kāi)放性，分散性和可互操作性等特點(diǎn)不能充分體現(xiàn)。

4.2 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的管理和分析沒(méi)有有效利用

從投產(chǎn)的發(fā)電機(jī)組看，雖然現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備解決了數(shù)字化問(wèn)題，但大部分電廠實(shí)際使用時(shí)沒(méi)有真正把遠(yuǎn)程診斷功能和管理自動(dòng)化一起納入監(jiān)控系統(tǒng)；企業(yè)經(jīng)營(yíng)決策的管理軟件（如ERP）雖廣泛應(yīng)用但功能尚在健全中；廠級(jí)SIS和MIS中優(yōu)化控制、狀態(tài)診斷需進(jìn)一步完善充實(shí)。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的管理和分析沒(méi)有效利用，影響了企業(yè)推廣應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的積極性。

4.3 快速性與安全性需進(jìn)一步驗(yàn)證

電廠過(guò)程控制回路相關(guān)度高、控制功能復(fù)雜、安全性和穩(wěn)定性要求高，目前工程技術(shù)人員對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)還沒(méi)切實(shí)掌握，需要實(shí)踐驗(yàn)證。如PROFIBUS總線和FF總線可以滿足機(jī)組控制對(duì)一般輸入、輸出信號(hào)處理的實(shí)時(shí)性的要求，但無(wú)法滿足快速處理回路的時(shí)間要求。為安全或快速響應(yīng)而設(shè)置的開(kāi)關(guān)量信號(hào)，還必須考慮采用常規(guī)DCS的I/O模件來(lái)處理。

4.4 現(xiàn)場(chǎng)總線型設(shè)備的選擇范圍相對(duì)較小

目前能提供現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備的生產(chǎn)廠家越來(lái)越多，但由于沒(méi)有完善的準(zhǔn)入機(jī)制，設(shè)備質(zhì)量參差不齊，支持現(xiàn)場(chǎng)總線的成熟的國(guó)產(chǎn)設(shè)備很少，尤其是針對(duì)電廠開(kāi)發(fā)的智能設(shè)備，現(xiàn)場(chǎng)總線型設(shè)備的選擇范圍相對(duì)較小。

4.5 在電氣與熱控控制系統(tǒng)規(guī)劃方面需進(jìn)一步優(yōu)化

在新建電廠施工設(shè)計(jì)中，ECMS和FCS是按（電氣/熱控）專業(yè)劃分范圍、采用不同現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)又相對(duì)獨(dú)立的模式搭建的。ECMS與DCS之間采用通信模式進(jìn)行信息交換，受通信方式和通信速率的限制，響應(yīng)速度慢會(huì)對(duì)被控制設(shè)備的實(shí)時(shí)性和控制系統(tǒng)本身的安全性產(chǎn)生不良影響。因此充分重視全廠自動(dòng)化和信息化方案的總體規(guī)劃，做好專業(yè)間的接口模式優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)熱工電氣控制一體化，也是數(shù)字化電廠建設(shè)必須解決的問(wèn)題。

5 結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)代表了自動(dòng)化發(fā)展方向。建設(shè)數(shù)字化電廠是今后發(fā)電企業(yè)發(fā)展的必由之路。十多年的工程試點(diǎn)表明FCS可滿足大型發(fā)電機(jī)組運(yùn)行控制要求，而且實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備數(shù)字化，解決了制約數(shù)字化電廠發(fā)展的一個(gè)難題。

目前，F(xiàn)CS在單元機(jī)組控制中推廣應(yīng)用還處在起步階段，有許多需要解決完善的問(wèn)題，在工程實(shí)施中可能遇到意想不到的情況，應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)時(shí)不僅要考慮到造價(jià)、功能、效益，還必須兼顧技術(shù)和安全性，在新建電廠工程設(shè)計(jì)階段就必須做好數(shù)字化電廠規(guī)劃。