淺談現(xiàn)場總線技術(shù)及其應(yīng)用

摘要：現(xiàn)場總線設(shè)備作為智能電廠的智能設(shè)備，可以確保熱控檢修維護人員大量消減的條件下機組依然能夠安全穩(wěn)定運行，大幅減少校驗和日常的維護工作量，是智能電廠不可或缺的重要設(shè)備。

關(guān)鍵詞：智能電廠;智能設(shè)備;FCS;現(xiàn)場總線

引言

FCS作為新一代控制系統(tǒng)，克服了DCS系統(tǒng)專用的通信網(wǎng)絡(luò)弊端，把DCS的集中與分散相結(jié)合的結(jié)構(gòu)升級成新型全分布式結(jié)構(gòu)，同時把控制功能徹底下放到現(xiàn)場。開放性、分散性以及數(shù)字通訊是現(xiàn)場總線系統(tǒng)最顯著的特征。

現(xiàn)場總線技術(shù)（FCS）是一種分散型、全開放、全數(shù)字的新型控制手段，它完成了現(xiàn)場級設(shè)備的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化，它的根本目的是讓涉及整個機組工藝流程的信息均實現(xiàn)數(shù)字化，特別是來自基層控制級的信息可以準(zhǔn)確、及時地把握。 現(xiàn)場總線技術(shù)的意義取決于數(shù)目龐大的現(xiàn)場級設(shè)備數(shù)字化狀態(tài)信號傳輸至集控室，可以實現(xiàn)在線故障預(yù)測和在線檢修，大量的現(xiàn)場設(shè)備實時信息為運行決策提供了憑據(jù)與根基[1]。

1 現(xiàn)場總線技術(shù)分類

1.1 基金會（FF）現(xiàn)場總線：

基金會現(xiàn)場總線FF是非商業(yè)性的國際標(biāo)準(zhǔn)化組織，其宗旨是制定單一的國際現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，無專利許可要求，供任何人使用。

FF的通信模型由四層構(gòu)成，即物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層及用戶層，在OSI模型基礎(chǔ)上增加了用戶層。FF物理層分低速H1和高速H2兩級總線，前者支持總線供電和本質(zhì)安全防爆環(huán)境。

FF總線采用兩線制，適用于連續(xù)量控制，多用于電廠中的溫度、壓力、液位、流量、分析儀表以及氣動閥門定位器、電動執(zhí)行機構(gòu)、離散開關(guān)等信號傳輸。由于FF總線宏周期一般在100ms～1s之間，無法滿足電廠快速處理回路50ms的要求，故工藝系統(tǒng)中需快速響應(yīng)和處理的開關(guān)量信號還是采用常規(guī)DCS的I/O模塊處理。

1.2 Profibus現(xiàn)場總線

Profibus是德國聯(lián)邦科技部按照ISO/OSI參考模型制訂的現(xiàn)場總線德國國家標(biāo)準(zhǔn)，后成為歐洲的總線標(biāo)準(zhǔn)（EN50170）。

Profibus根據(jù)應(yīng)用特點，主要包括：最高傳輸速率可達(dá)12M的高速總線Profibus DP;用于過程控制的本安型低速總線Profibus PA，用于對安全性要求高的場合及總線供電的站點;另外，用于生產(chǎn)車間的Profibus FMS，可完成車間級通用性通信任務(wù)和中等傳輸速度的循環(huán)和非循環(huán)通信任務(wù)。Profibus既適合于自動化系統(tǒng)與現(xiàn)場信號單元的通訊，也可用于連接帶有智能卡件的變送器、執(zhí)行器等其它現(xiàn)場設(shè)備[2]。

2 現(xiàn)場總線的優(yōu)點

現(xiàn)場總線技術(shù)是網(wǎng)絡(luò)通信、微型機、儀器儀表和測試、超大規(guī)模集成電路、全過程控制和生產(chǎn)管理等等現(xiàn)代高新技術(shù)高速發(fā)展的集中產(chǎn)物，由此現(xiàn)場總線的概念已經(jīng)不再是指一種通訊標(biāo)準(zhǔn)或單根通信線。現(xiàn)場總線的控制系統(tǒng)在可靠性、精確度、經(jīng)濟性等諸多方面都要比往常的普通控制系統(tǒng)要卓越很多，其主要特點如下;

1）系統(tǒng)的開放性。

在現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)中，設(shè)備終端同時靠接現(xiàn)場總線和局域網(wǎng)兩層網(wǎng)絡(luò)上，可以同其它網(wǎng)絡(luò)或控制系統(tǒng)進行快速信息交換，完成資源共享。現(xiàn)場總線系統(tǒng)對所有制造商和用戶開放它的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，進行技術(shù)共享，其它設(shè)備或系統(tǒng)只要遵守與現(xiàn)場總線相同的標(biāo)準(zhǔn)就可以和現(xiàn)場總線無縫連接。

2）通訊的廣泛交互性

現(xiàn)場總線技術(shù)通訊豐富，設(shè)備間、系統(tǒng)間不僅可以信息互聯(lián)，進行信息交換和P2P數(shù)字通訊，而且能夠?qū)崿F(xiàn)不同廠家的相似設(shè)備之間的通用與互換，為后期的使用和維護提供了方便。

3）就地設(shè)備的功能自主性與智能化

現(xiàn)場總線采用雙向數(shù)字通訊，它將傳統(tǒng)的許多任務(wù)，例如數(shù)據(jù)處理與控制、傳感測量、補償計算等下放到現(xiàn)場，單體設(shè)備即可完成自動控制的功能，并且能進行實時診斷，進而完成控制系統(tǒng)對現(xiàn)場測控裝置的遠(yuǎn)程維護與管理。

4）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性

在現(xiàn)場總線系統(tǒng)中，就地的單體設(shè)備已經(jīng)具有自動控制的性能，由這些裝置組成的控制系統(tǒng)便是全分散式體系結(jié)構(gòu)，精簡了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了穩(wěn)定性。

5）現(xiàn)場環(huán)境的多適應(yīng)性

現(xiàn)場總線傳輸功能強大，常見的很多傳輸介質(zhì)，例如光纜、雙絞線、射頻、同軸電纜、紅外線等都可以支持，同時其抗干擾性能更加優(yōu)越，現(xiàn)場總線采用兩線制實現(xiàn)供電與信號傳輸，并且滿足本安型防爆需求。

6）數(shù)字化電廠的可行性

現(xiàn)場總線技術(shù)可提供完整的現(xiàn)場設(shè)備在線信息，進而完成準(zhǔn)確可靠的數(shù)字化信息互換、跨平臺的實時資源互享，最終實現(xiàn)對電站工作對象的全壽命周期分析、量化、決策與控制。

3 全廠現(xiàn)場總線設(shè)計設(shè)想

從目前現(xiàn)場總線應(yīng)用實例可以看出，分散控制系統(tǒng)結(jié)合現(xiàn)場總線技術(shù)的工程一般是采用Profibus DP和FF、Profibus DP和Profibus PA兩種總線方式，現(xiàn)場設(shè)備如總線儀表、定位器和執(zhí)行機構(gòu)根據(jù)控制系統(tǒng)類型確定。

1）總線范圍

使用依托于現(xiàn)場設(shè)備層的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，設(shè)備順序控制邏輯與控制回路的控制策略仍然由DCS控制系統(tǒng)的控制器來實現(xiàn)，而如若有一些回路簡單，過程較為單一，非重要又不影響整個機組安全的系統(tǒng)，其控制功能則可選擇用現(xiàn)場總線系統(tǒng)的相應(yīng)設(shè)備來進行實現(xiàn)。

現(xiàn)場總線技術(shù)在脫硫系統(tǒng)中當(dāng)有著較為廣泛的應(yīng)用，除系統(tǒng)中的6kV電動機、鍋爐煙氣進出口擋板、吸收塔排空門、真空皮帶機、煙氣分析儀器與電磁閥外，其他設(shè)備當(dāng)都可采用現(xiàn)場總線技術(shù)。

2）經(jīng)濟分析

依據(jù)某工程現(xiàn)場總線設(shè)計范圍應(yīng)用原則，全廠現(xiàn)場總線設(shè)備共約1500點。

采用現(xiàn)場總線技術(shù)后，分散控制系統(tǒng)、現(xiàn)場總線執(zhí)行機構(gòu)、閥島、現(xiàn)場總線儀表等設(shè)備所需的電纜、匯線槽、橋架、機柜及安裝成本和土建成本與常規(guī)相比大量減少，其中節(jié)約電纜差額340千米（減少控制電纜，增加總線電纜），節(jié)約橋架約70噸，但總線設(shè)備投資比常規(guī)設(shè)備有所增加。采用現(xiàn)場總線技術(shù)方案比常規(guī)方案投資成本稍有增加[3]。

另外進一步拓展現(xiàn)場總線數(shù)據(jù)的應(yīng)用，利用其中的有效信息判斷設(shè)備的運行狀態(tài)，需要有適合的現(xiàn)場總線應(yīng)用平臺。

4 結(jié)語

在實際工程中可在主輔系統(tǒng)全面采用現(xiàn)場總線技術(shù)，并在設(shè)備招、投標(biāo)過程落實有關(guān)現(xiàn)場總線方案的技術(shù)要求，確保總線方案在設(shè)備采購、設(shè)計、施工、調(diào)試中順利實施，機組投產(chǎn)后切實將現(xiàn)場總線技術(shù)應(yīng)用于設(shè)備的維護和管理、遠(yuǎn)程故障診斷等方面，顯著提高機組的運行管理水平，進而完成準(zhǔn)確可靠的數(shù)字化信息交換以及跨平臺的實時資源共享，為火電站向智能化轉(zhuǎn)型奠定基礎(chǔ)，為實現(xiàn)對電廠控制對象的全壽命周期分析、量化、控制和決策提供可靠的參考。

參考文獻

[1]張倫. 數(shù)字化發(fā)電廠的設(shè)計與應(yīng)用[D]. 華北電力大學(xué)（北京），2014.

[2]劉中華 等. 智能電廠建設(shè)探討[J]. 《能源研究與管理》，2018（4）：52-54.

[3]王韞凌. CANopen總線在化纖設(shè)備上應(yīng)用實例淺析[J].《國際紡織導(dǎo)報》2010（7）：47-48+50.

作者簡介：謝進安，（1984—），性別男，籍貫寧夏石嘴山市，職稱工程師，學(xué)歷本科，研究方向火電廠熱工控制。

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