淺談現(xiàn)場總線技術(shù)在火電廠的應(yīng)用前景

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(yīng)用于火電廠控制系統(tǒng)在設(shè)計和使用方面需注意的問題，根據(jù)它在火電廠的應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)；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(shè)備互連通訊網(wǎng)絡(luò)。它作為數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)在生產(chǎn)過程現(xiàn)場及控制設(shè)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(luò)，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(dǎo)致自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與設(shè)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(shè)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(biāo)準(zhǔn)的其它設(shè)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(yīng)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(shè)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(shè)備可進行互換而實現(xiàn)互用。

1.3 現(xiàn)場設(shè)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(shè)備中完成，僅靠現(xiàn)場設(shè)備即可完成自動控制的基本功能，并可隨時診斷設(shè)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(shè)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(yīng)性

工作在現(xiàn)場設(shè)備前端，作為工廠網(wǎng)絡(luò)底層的現(xiàn)場總線，是專為在現(xiàn)場環(huán)境工作而設(shè)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(yīng)用層為FF通信模型的相應(yīng)層次，并在應(yīng)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(shè)計方法，通過網(wǎng)絡(luò)變量把網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計簡化為參數(shù)設(shè)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(luò)。

2.3 Profibus

Profibus是作為德國國家標(biāo)準(zhǔn)DIN 19245和歐洲標(biāo)準(zhǔn)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(yuǎn)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(dāng)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(shè)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(biāo)準(zhǔn)，是開放式的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，對用戶是透明的，而在傳統(tǒng)的DCS中不同廠家的設(shè)備是不能相互訪問的。而FCS采用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，不同廠家的網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品可以方便地接入同一網(wǎng)絡(luò)，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(luò)節(jié)點的現(xiàn)場智能儀表和設(shè)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(fù)擔(dān)。DCS的控制功能則集中于控制器，現(xiàn)場設(shè)備幾乎不參與，從而加重CPU負(fù)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(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這種傳輸介質(zhì)和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(shè)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(shè)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(shè)計中現(xiàn)場設(shè)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(yīng)電廠復(fù)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(shè)備管理水平。

5 現(xiàn)場總線在火電廠的應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)，在選擇時往往感到困惑而無所適從。所以說，多標(biāo)準(zhǔn)實質(zhì)上是沒有標(biāo)準(zhǔn)。因此建立統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)是發(fā)展FCS的當(dāng)務(wù)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(shè)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(dǎo)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(yù)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(shè)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(shè)備的涌現(xiàn)，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)用刻不容緩。現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的發(fā)展勢頭十分迅猛，其應(yīng)用前景十分廣闊。我們應(yīng)該積極推進現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)在電廠中的應(yīng)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

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