現(xiàn)場總線技術(shù)在火力發(fā)電廠電氣控制系統(tǒng)中的運用

李土波

摘 要：隨著火力發(fā)電廠的快速發(fā)展，提高其電氣控制系統(tǒng)的運行質(zhì)量成為了重要任務，現(xiàn)場總線技術(shù)是一種電氣控制系統(tǒng)的重要技術(shù)，其在控制投入成本，提高控制質(zhì)量，簡化安裝維護上均有重要作用。本文就現(xiàn)場總線技術(shù)的優(yōu)勢、系統(tǒng)特點以及注意事項對其在火力發(fā)電廠中的應用進行探討。

關鍵詞：火力發(fā)電廠；現(xiàn)場總線技術(shù)；電氣控制系統(tǒng)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.01.172

1 現(xiàn)場總線技術(shù)的主要優(yōu)勢

現(xiàn)場總線技術(shù)主要是指將微處理器與現(xiàn)場設備連接起來的一種數(shù)據(jù)傳輸紐帶，這種連接技術(shù)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸，同時其還可作為一種開放條件下實施數(shù)字多點通信的底層網(wǎng)絡傳輸方式。

相對較為老式的計算機系統(tǒng)，通常是運用DCS系統(tǒng)來作為設計結(jié)構(gòu)，DCS系統(tǒng)最主要的缺點是其并不屬于開放的系統(tǒng)，這使得各個設備之間來進行連接時，主要通過點對點的方式來實現(xiàn)，這標志著，每次的連接都必須通過獨立的光纜才能夠?qū)崿F(xiàn)，同時針對I/O控制與互聯(lián)的設備通常放置在控制柜中，而不是放置在現(xiàn)場，這種情況，一方面不能夠?qū)崿F(xiàn)對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的有效檢測和采集；另一方面還可能引起傳輸期間信號衰減等情況，受到其他因素的干擾，給維護帶來極大的不便。因閉合性的特性使得DCS系統(tǒng)不能夠進行數(shù)據(jù)的全面共享，而FCS系統(tǒng)則能夠較好的解決上述問題，并表現(xiàn)出以下幾點優(yōu)勢：

（1）開放性是FCS系統(tǒng)最大的亮點，基本上很有技術(shù)細節(jié)可以說都處于公開透明狀態(tài)，為此，各個設備之間均能夠非常順利的進行數(shù)據(jù)的相互傳輸，根據(jù)IEC11314的國際標準來完成程序的開發(fā)，這使得整個系統(tǒng)的設計和開發(fā)均處于開放的狀態(tài)下，用戶能夠根據(jù)實際需要，進行非常自由的開發(fā)，同時其也能夠與其他硬件更好的進行兼容[1]。

（2）FCS系統(tǒng)能夠在現(xiàn)場直接部署各數(shù)據(jù)采集設備，這不僅能夠快速有效地實現(xiàn)現(xiàn)場檢測和采集，同時還可有效避免因進行采集和檢測中，因信號傳輸因其他因素而出現(xiàn)干擾和衰減，且所采集的數(shù)據(jù)只需要一根電纜即可將現(xiàn)場數(shù)據(jù)傳輸?shù)街鳈C中，完成實時處理和分析，除此之外，通過現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集和本地處理的方式，在很大程度上也可實現(xiàn)開銷和成本的有效控制，不需要經(jīng)由多層I/O轉(zhuǎn)換即可實現(xiàn)模擬信號和數(shù)字信號之間的相互轉(zhuǎn)換，這種設計在很大程度上為安裝與維護帶來了便利，通過數(shù)字化信號的傳輸也能夠更好的保證信號的準確性和穩(wěn)定性。

（3）FCS系統(tǒng)在進行設計實現(xiàn)的過程中，其單臺的PC機能夠?qū)σ酝枰嗯_設備才能夠?qū)崿F(xiàn)的任務進行了完成處理，大量設備在并行處理的過程中，很大程度上促使其開發(fā)效率得到了提升，從而可實現(xiàn)對開發(fā)成本的控制，并且在PC環(huán)境下，PLC模塊同時具備仿真和調(diào)試兩項功能，故能夠促使開發(fā)速度得到提升。

2 火力發(fā)電廠兩種電氣控制系統(tǒng)

2.1 EFCS與ECMS系統(tǒng)

EFCS系統(tǒng)與ECMS系統(tǒng)是目前國內(nèi)最主要的兩種火力發(fā)電廠電氣控制系統(tǒng)，其中EFCS系統(tǒng)是電氣現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，而ECMS系統(tǒng)則主要是指電氣控制管理系統(tǒng)。這兩種電氣控制系統(tǒng)除工作原理基本一致之外，其在信息采集上也基本上相同。

2.1.1 EFCS系統(tǒng)

EFCS系統(tǒng)是一種基于ECMS系統(tǒng)經(jīng)過大量改進之后提出的系統(tǒng)。首先，該系統(tǒng)可在網(wǎng)絡上與DCS系統(tǒng)建立起相互連接，同時也可通過通信的方式與DCS系統(tǒng)進行相互連接，從而實現(xiàn)對ECMS系統(tǒng)弊端的有效避免，并實現(xiàn)對各項信息的有效共享，從而實現(xiàn)對硬接線使用的有效控制，并以此來達到降低投資成本的目的，同時通過這種方式還可有效放置信息的重復采集，使得系統(tǒng)的操作更加的簡單邊界。EFCS系統(tǒng)要進入到DCS系統(tǒng)主要是通過兩種監(jiān)控方式來實現(xiàn)：（1）“通信+硬接線”，這種監(jiān)控方式主要應用于大型電動機，簡單來說就是指電氣設備，包括超過100kW的低壓電動機以及高壓電動機。盡管在監(jiān)控時，與傳統(tǒng)的硬接線的方式存在一定差異，但操作原理基本相同，故值班人員能夠容易上手；（2）“全通信”，這種監(jiān)控方式應用于小型的電動機。在ECMS系統(tǒng)上，還能夠結(jié)合實際需要作深入的改進，在對DCS系統(tǒng)進行電氣控制的同時，還可建立起報警、監(jiān)視、統(tǒng)計功能以及電能管理的獨立監(jiān)控系統(tǒng)，這不僅能夠減少運行維護人員，達到投資成本的控制，同時還能夠獨立完成各項功能[2]。伴隨著科技的持續(xù)快速發(fā)展，我國對現(xiàn)場總線技術(shù)的相關要求也隨之統(tǒng)一化和標準化，各種電氣設備也隨之更加的成熟，并配置了各種各樣的連接端口，隨著科學技術(shù)的快速推進，未來硬接線監(jiān)控方式將被完全取代，更多的以“全通信”的方式來進行監(jiān)控。

2.1.2 ECMS系統(tǒng)

該系統(tǒng)最初是中國電力工程顧問集團所提出的，其主要存在兩種電氣控制方案，且均是基于現(xiàn)場總線技術(shù)設計獲得。ECMS系統(tǒng)所具備的兩種實現(xiàn)方案均存在一個相同的弊端，即其均無法與DCS系統(tǒng)實現(xiàn)通信連接，這意味著，必須通過I/O硬接線的方式才能夠?qū)⑵浣尤?，使得現(xiàn)場總線無法更好的發(fā)揮其作用，同時還會使得大量資本在硬接線投資上被浪費。兩種方案分別為：（1）第一種方案：首先，由機組DCS系統(tǒng)來實現(xiàn)電氣設備的控制，并對其進行監(jiān)視管理；其次，由DCS系統(tǒng)對電動機進行控制，在火力發(fā)電廠機組的控制中心，配置了ECMS系統(tǒng)操作站，為其配置相應的操作人員，其主要負責電動機管理以及ECMS系統(tǒng)的監(jiān)測；（2）第二種方案：該方案與第一種方案存在明顯的差異，其主要是運用DCS系統(tǒng)來實現(xiàn)對火力發(fā)電廠的電動機與電氣設備等的控制，通過I/O硬接線來將其與系統(tǒng)進行連接，再由ECMS系統(tǒng)來實現(xiàn)對電動機與電氣設備的監(jiān)視管理[2]。

2.2 EFCS系統(tǒng)配置方案

本文針對現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)配置方案的分析，主要從數(shù)據(jù)采集和網(wǎng)格結(jié)構(gòu)兩方向來分析。首先，從網(wǎng)格結(jié)構(gòu)上來說，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)其結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)為明顯的兩層網(wǎng)三層設備，其中兩層網(wǎng)主要包括總線網(wǎng)與以太網(wǎng)，其中總線網(wǎng)主要是指通信間隔層與子站層之間相連接的，以太網(wǎng)則主要是指監(jiān)控主層與其他所有通信子站層之間的連接；三層設備則主要包括通信子站層、監(jiān)控主層以及間隔層。該結(jié)構(gòu)本就是開放性的分層分布結(jié)構(gòu)，其不僅能夠達到系統(tǒng)功能分層的作用，還可發(fā)揮分散設備的作用。而在數(shù)據(jù)采集時，其主要通過通信和硬線連接兩種方式實現(xiàn)，其中通信主要是通過信號的方式將其數(shù)據(jù)傳輸?shù)紻CS系統(tǒng)中，多用于對監(jiān)測信號進行采集，但需要運用專門的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)和相關監(jiān)控硬件設備；硬線連接則主要是通過硬線將實現(xiàn)設備和DCS系統(tǒng)的連接，通常應用于一些控制量信號的采集上。

3 現(xiàn)場總線技術(shù)的應用效果及注意事項

與普通規(guī)格的DCS系統(tǒng)來說，因其規(guī)模相對有限，使得系統(tǒng)很難將大量的電氣I/O數(shù)量引入到系統(tǒng)中。而在應用現(xiàn)場總線控制技術(shù)之后，ECMS系統(tǒng)的信息容量在很大程度上得到了提升。這使得原本無法進入到系統(tǒng)監(jiān)測的不少設備，例如：一些主要的就地電氣智能裝置，均可達到較好的系統(tǒng)監(jiān)控效果，從而實現(xiàn)現(xiàn)場采集信息及時傳輸?shù)较到y(tǒng)中，并通過分析處理及時反饋至管理人員。此外，通過現(xiàn)場總線通過通信的方式，將所測得的電氣狀態(tài)、遙測、保護等各項信息快速傳輸至DCS系統(tǒng)中，而自身僅僅只通過開關位置和命令控制的方式即可對其進行記錄。

除此之外，通過就地能裝置的充分利用，即可實現(xiàn)模擬量的迅速采集，并通過數(shù)字通信將其傳輸?shù)紻CS系統(tǒng)中，例如：電氣設備的電壓、電流、功能等信號的快速采集，與傳統(tǒng)采集相比，這種就地采樣的方式，只需要一根專用的通信電纜即可將其數(shù)據(jù)傳輸?shù)紻CS系統(tǒng)中，這不僅在很大程度上實現(xiàn)了硬接線投入成本的控制，同時也更利于設備的診斷、維護，與此同時，在對設備事故進行記錄和追憶時也具有更高的便捷性，ECMS系統(tǒng)還能夠選擇合理的方式對設備進行相應的運行維護管理，從而運行人員提供更為準確、便捷的信息，促使其事故現(xiàn)場處理效率也隨之提升。

在現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的應用中，因其往往涉及到數(shù)量巨大和種類繁多的電氣設備，加之，目前市面上所銷售的電氣自動化產(chǎn)品表現(xiàn)出明顯的良莠不齊、標準眾多。為此，火力發(fā)電廠在開發(fā)初期，應當盡可能地選取一家具有較強綜合實力的供應商，并將其作為此后各種設備采集的首選，通過這種方式保證各設備之間的協(xié)調(diào)性得到更好的提升，以便能夠更好的展現(xiàn)現(xiàn)場總線控制技術(shù)的優(yōu)勢，同時通過這種方式處理，也更利于提高設備的使用安全性。

在現(xiàn)場總線技術(shù)應用過程中，可結(jié)合火力發(fā)電廠實際需要以及系統(tǒng)特點給予相應的設計。筆者認為，低于三層的網(wǎng)絡更加適用于，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)對網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的要求。此外，在通信速率快慢上，現(xiàn)場總線的長短也直接對其帶來了影響，總線越長其傳輸信息的速度也就相應越短。為此，在對節(jié)點進行布置的過程中，應通過支路節(jié)點的數(shù)量來確保其保持在一定范圍內(nèi)，使總線敷設距離能夠盡可能地縮短，從而達到保證通信順暢的目的；與此同時，還應當盡可能地避開信號的干擾。除此之外，在進行安裝調(diào)試的過程中，應根據(jù)正確的方案給予相應的安裝，才能夠更好的提升系統(tǒng)的運行安全性。

4 結(jié)論

總而言之，通過運用現(xiàn)場總線控制技術(shù)來實現(xiàn)對火力發(fā)電廠電氣控制系統(tǒng)的過程中，主要通過對現(xiàn)場各項數(shù)據(jù)進行采集的方式實現(xiàn)，這不僅能夠及時掌握現(xiàn)場系統(tǒng)故障，提高運行安全性、穩(wěn)定性上具有重要意義，同時通過該技術(shù)的應用還可有效實現(xiàn)對電廠成本投入的控制，在提高經(jīng)濟效益上也有顯著效果。

參考文獻：

[1]文亮.現(xiàn)場總線技術(shù)在火力發(fā)電廠電氣控制系統(tǒng)中的運用研究[J].科技與企業(yè)，2014（16）：382.

[2]王秋梅.火力發(fā)電廠基于現(xiàn)場總線的電氣控制系統(tǒng)方案探討[J].科技廣場，2012（01）：39-41.