智能電廠采用現(xiàn)場總線技術的研究

董梁

摘 要：本文對智能電廠現(xiàn)場總線的選取、現(xiàn)場總線技術優(yōu)點及目前國內應用狀況進行了分析。通過比較后得出：從設備投資角度考慮，采用現(xiàn)場總線之后，整個機組控制系統(tǒng)的投資費用較采用常規(guī)DCS有所增加。從調試角度來說，采用現(xiàn)場總線之后，增加了設備調試的難度和復雜度。綜合考慮到控制機柜數量、電纜、橋架減少以及雙絞線接線節(jié)省的現(xiàn)場安裝施工工程量，節(jié)約電子設備室面積以及土建費用等，采用現(xiàn)場總線技術后，工程投資費用變化不大，與常規(guī)方案基本相當。而且，隨著現(xiàn)場總線設備的技術進步及更為廣泛的應用，總線設備、控制系統(tǒng)設備的費用將進一步降低。且工程中應用現(xiàn)場總線技術的范圍越廣（現(xiàn)場總線型設備數量越多），綜合統(tǒng)計設備采購、安裝、調試等費用，投資的經濟效益越明顯。同時應用現(xiàn)場總線技術將帶來全廠管控數字化和全生命周期的設計、安裝、調試、運行維護成本節(jié)約等有利因素。

關鍵詞：智能電廠;FCS系統(tǒng);DCS系統(tǒng)

隨上世紀80年代末期開始發(fā)展起來的現(xiàn)場總線技術和產品，以及由此組成的控制系統(tǒng)-現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS，F(xiàn)ieldbus Control System），引發(fā)了自動控制領域的革命。開放的、全數字化和雙向、多站的通訊網絡，與多功能的智能化現(xiàn)場數字儀表是FCS的主要特征，它將使自動控制系統(tǒng)的效能產生巨大的飛躍，同時可降低施工、調試、運行、維護和系統(tǒng)擴展等方面的綜合費用。現(xiàn)場總線控制技術作為一種新興技術，近期已廣泛成功地應用在石化、化工、冶金、醫(yī)藥、市政工程、樓宇、建材等多個行業(yè)。

與其形成對照的是，現(xiàn)場總線技術在電廠過程控制中的實質性實施卻始終不多，究其原因主要有以下幾點：（1）從2002年下半年開始，電力供應缺口導致大量電廠項目大干快上，項目業(yè)主及工程設計人員的主要精力放在如何在最短時間內完成項目設計和建設任務，常規(guī)技術方案自然成為首選;（2）工程技術人員對現(xiàn)場總線技術優(yōu)勢的理解僅局限于節(jié)省電纜、功能分散、設備信息數字化，缺乏應用的積極性;（3）電廠過程控制回路具有相關度高、控制功能復雜、安全性和穩(wěn)定性要求高等特點，要求對現(xiàn)場總線技術的切實掌握和實踐驗證;（4）現(xiàn)場總線儀控設備比常規(guī)儀控設備價格高，總線型設備的選擇范圍還相對較小，也在一定程度上阻礙了現(xiàn)場總線技術在電廠過程控制中的大量應用。

1、現(xiàn)場總線的選取

目前國際上有眾多種類的現(xiàn)場總線，但沒有一種現(xiàn)場總線能覆蓋所有的應用面，各行業(yè)應用須根據各自的控制特點選擇適用的現(xiàn)場總線標準。這些年來，通過現(xiàn)場總線在不同行業(yè)中的逐步深入應用，專業(yè)技術人員對各種總線標準應用場合的認識日益清晰。比較一致的結論是：對屬于過程控制領域的電站自動化控制應用來說，PROFIBUS和FF總線比較適合。兩種總線標準相比而言，F(xiàn)F較適用于連續(xù)量控制（取代4～20mA模擬量），而PROFIBUS不僅適合離散量控制，而且也適用于連續(xù)量控制。

2、現(xiàn)場總線技術優(yōu)點

2.1節(jié)約成本

采用現(xiàn)場總線后，控制系統(tǒng)的電纜、端子、電纜槽、橋架的用量減少，接線及查線的工作量減少。當需要增加（現(xiàn)場總線）設備時，可就近連接在現(xiàn)有現(xiàn)場總線網段上，既節(jié)省投資，又減少安裝（特別是電纜敷設）的工作量。據有關典型試驗工程的測算資料表明，可節(jié)約安裝費用30%以上。另外，現(xiàn)場總線變送器和閥門定位器在安裝前無需進行單表的校驗調試，安裝后只需在DCS的資源管理器中檢查現(xiàn)場總線設備的參數就能確認現(xiàn)場總線設備是否正常，閥門的行程可在DCS中做回路調試時再進行檢查，節(jié)省了調試時間和調試費用。

現(xiàn)場總線在初期和現(xiàn)在以及將來都能帶來大幅度的成本節(jié)約。初期的成本節(jié)約表現(xiàn)在基本持平的購買成本和較低的安裝費用;而長期的成本節(jié)約則包括因有了網絡化的設備管理所帶來的較低的維護及運行成本，還有較低的擴建及改造費用。

另外，由于現(xiàn)場總線設備具有更多的故障自診斷能力，并通過數字通信方式將診斷維護信息送往DCS，管理人員通過DCS的資產管理系統(tǒng)查詢所有儀表設備的運行情況，診斷維護信息，尋查故障，以便早期分析故障原因并快速排除，儀表設備狀況始終處于維護人員的遠程監(jiān)控之中。與此同時，根據資產管理系統(tǒng)提供的信息準確地制定大修或搶修的作業(yè)計劃和備件儲備，不必進行總線設備的周期性輪流解體檢修，縮短停工維修時間，節(jié)約維修費用，降低生命周期成本。

因此，應用現(xiàn)場總線所產生的節(jié)省費用，是對控制系統(tǒng)從設計到建設、運行、維護、發(fā)展的整個生命周期來計算的。

2.2開放性、互操作性與互換性

現(xiàn)場總線設備根據標準要求提供了電子設備描述語言（Electronic Device Description Language， EDDL）。EDDL為對象設備提供一個不依賴某種軟件平臺的描述文件，使控制系統(tǒng)能夠理解設備中數據的意義。當產品符合相應的標準和規(guī)范，并通過為驗證是否遵守這些標準而做的測試后，即可實現(xiàn)該產品與其它符合同樣標準的產品之間的互操作功能?；ゲ僮餍阅苁箒碜圆煌圃鞆S商的設備在集成時更加方便易用。

2.3現(xiàn)場總線設備的全數字化、智能化

現(xiàn)場總線設備將微處理器置入現(xiàn)場測量儀表和控制設備中，使其具有數字計算和數字通信能力。數字信號使設備的信息量大大增加，傳輸抗干擾能力強，精確度高，減少了傳輸誤差，提高系統(tǒng)的可靠性。傳感測量、補償計算、工程量處理與基本控制等功能可在現(xiàn)場總線設備中完成。

如FF現(xiàn)場總線的壓力和差壓變送器，當測量量程不超過該傳感器的最大量程范圍，則在變送器的AI模塊中通過設定XD-SCALE和OUT-SCALE參數就可以修改和設置該變送器的測量量程，無需像4～20mA傳統(tǒng)變送器那樣用標準的信號發(fā)生器來改變和校驗變送器的量程。FF現(xiàn)場設備還能完成控制的基本功能。

3、現(xiàn)場總線技術國內應用狀況

華能玉環(huán)電廠（4×1000MW）在除鹽水系統(tǒng)、廢水系統(tǒng)中采用PROFIBUS現(xiàn)場總線技術，已成功投運多年。

廣東南海石油化工汽電聯(lián)產工程中的汽電聯(lián)產項目，除安全保護系統(tǒng)外，其余的壓力、差壓、溫度變送器及執(zhí)行器均采用FF現(xiàn)場總線?？刂葡到y(tǒng)采用橫河CS3000控制系統(tǒng)，現(xiàn)場總線范圍包括余熱鍋爐，汽輪機，燃油鍋爐。

已運行的目前世界最大的現(xiàn)場總線應用工程——上海賽科90萬乙烯聯(lián)合石化項目。整個系統(tǒng)監(jiān)控范圍包括90萬噸/年乙烯裝置等9套生產裝置及公用輔助設施。其中系統(tǒng)總位號168000個、現(xiàn)場總線設備10631臺、現(xiàn)場總線網段2473條、工作站為164個。全廠設一個中央控制室，所有生產裝置的操作控制和生產管理全部集中。

4、結束語

雖然采用現(xiàn)場總線技術在控制設備的投資上有所增加，并且現(xiàn)場總線技術的應用會有這樣那樣的困難，如總線設備維護施工要求高、對施工人員素質要求較高、由各種因素引起的故障較多且不易排查、需要業(yè)主聯(lián)合調試單位、DCS供貨商一起推動整個調試工作等。但是，推廣應用現(xiàn)場總線系統(tǒng)，實現(xiàn)現(xiàn)場設備級的數字化是實現(xiàn)現(xiàn)代智能電廠的關鍵一步。只要能克服以上提到的這些困難，現(xiàn)場總線方案的推廣對合理控制工程造價、全面提升電廠自動化水平無疑有著重要的意義。

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