現(xiàn)場總線技術(shù)在電廠數(shù)字化進程中的應(yīng)用

李金澤，趙卓，張瑞祥，郭孟，姜赫

（青島雙瑞海洋環(huán)境工程股份有限公司，山東 青島 266101）

電力系統(tǒng)對于經(jīng)濟的發(fā)展至關(guān)重要，而電廠管控系統(tǒng)的數(shù)字化水平、管理決策的有效性及全面性都會在一定程度上影響電力系統(tǒng)的穩(wěn)定。隨著智能化、信息化產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展壯大，如何依托總線技術(shù)推進電廠的數(shù)字化轉(zhuǎn)型就成了重要的研究方向。我國火力發(fā)電廠的控制方式大致經(jīng)歷了獨立控制、集中控制、集散控制三個發(fā)展階段。傳統(tǒng)的PLC、DCS等控制方式中，電廠各系統(tǒng)的設(shè)備層中，主要工藝設(shè)備均按程控步序自動運行，并設(shè)有故障報警及連鎖保護，同時，監(jiān)控層設(shè)置操作員站進行集中監(jiān)控、操作、管理和維護。現(xiàn)場設(shè)備的狀態(tài)反饋和控制信號均通過電纜或是通訊線接入控制系統(tǒng)中。該種控制方式中，各類電控設(shè)備、儀表、自動閥門的數(shù)字化程度較低，信號傳輸主要以模擬量、模數(shù)混合為主，設(shè)計及施工方案較為復(fù)雜。隨著總線技術(shù)的快速發(fā)展和完善，各類智能型的工業(yè)控制設(shè)備不斷涌現(xiàn)，這為電廠的數(shù)字化建設(shè)提供了重要的基礎(chǔ)和技術(shù)支撐?，F(xiàn)場總線控制方案，可以將電廠的廠級監(jiān)控管理系統(tǒng)、車間級控制系統(tǒng)與現(xiàn)場設(shè)備以數(shù)字化的通信網(wǎng)融合在一起，實現(xiàn)電廠大數(shù)據(jù)的全面整合，進一步提升電廠管理決策及運維的數(shù)字化水平。本文主要針對現(xiàn)場總線控制方案的應(yīng)用進行探討，對比傳統(tǒng)的控制方式說明其優(yōu)勢，并對智能化、大數(shù)據(jù)發(fā)展趨勢下的電廠建設(shè)及轉(zhuǎn)型提出建議。

1 控制方案

1.1 現(xiàn)場總線

相比傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)，現(xiàn)場總線具有開放性、數(shù)字化、多向通信、多站點、可互操作性等優(yōu)點。自1984年開始制定現(xiàn)場總線標(biāo)準至今，總線技術(shù)發(fā)展迅速，各大公司及行業(yè)協(xié)會相繼推出了自身具有代表性的總線。目前，國際上的主流總線有五種：FF、CAN、LONWORKS、PROFIBUS、HART。 其 中，PROFIBUS總線協(xié)議占據(jù)了全球總線市場的半壁江山，并已廣泛應(yīng)用在了各領(lǐng)域自動化控制系統(tǒng)中。

PROFIBUS協(xié)議主要包括三大部分：PROFIBUSDP、PROFIBUS-PA和PROFIBUS-FMS。DP協(xié)議傳遞的數(shù)據(jù)量較大且速度快，主要用于車間級系統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)與底層網(wǎng)絡(luò)或設(shè)備之間的通信，如控制室PLC與IO遠程站、變頻器等DP從站的通訊；PA協(xié)議傳遞的數(shù)據(jù)信息量小且速度較慢，主要用于過程自動化領(lǐng)域，如PLC與智能型變送器、傳感器的通訊；FMS主要用于車間級的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。

下文以PROFIBUS協(xié)議為例，簡單介紹如何現(xiàn)場總線控制方案在電廠中的應(yīng)用。

1.2 基本要求

電廠中各類電控設(shè)備、儀表、自動閥門均按PROFIBUS總線控制的要求進行配置，主要采用PROFIBUS DP，PA協(xié)議，具體如下：（1）氣動開關(guān)閥的控制采用“閥島+DP總線接口”形式，與控制室的數(shù)據(jù)傳遞通過DP總線網(wǎng)絡(luò)進行；（2）氣動調(diào)節(jié)閥的控制采用帶PA通訊口的智能定位器，控制單元通過總線讀取其數(shù)據(jù)并控制閥的開度；（3）電動閥安裝帶DP通訊單元的執(zhí)行器，控制室通過總線監(jiān)測閥門參數(shù)并控制其動作；（4）各類帶遠傳功能的過程儀表均采用支持PA總線協(xié)議的智能型設(shè)備，所有的數(shù)據(jù)及運行參數(shù)均通過總線通信網(wǎng)絡(luò)在現(xiàn)場儀表與控制單元間傳遞；（5）電動機控制中心的控制采用支持DP協(xié)議的智能馬?；蚴亲冾l器實現(xiàn)；（6）各級控制中心采用DCS或PLC，并通過設(shè)置DP模塊、DP/PA耦合器等各類總線模塊實現(xiàn)系統(tǒng)各層級的數(shù)字化通信互聯(lián)。

1.3 基于PROFIBUS的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及對比

控制方案主要涉及廠級監(jiān)控管理系統(tǒng)、車間級控制系統(tǒng)、現(xiàn)場設(shè)備層，共三個層級。

（1）監(jiān)控管理層。該層主要包括SIS、MIS、ERP等系統(tǒng)，主要服務(wù)于電廠的生產(chǎn)運行、信息管理和資源的優(yōu)化配置。目前，新建電廠已基本實現(xiàn)該層系統(tǒng)的數(shù)字化，現(xiàn)場設(shè)備層的有效信息可通過PROFIBUS協(xié)議送至該層系統(tǒng)中。

（2）控制層網(wǎng)絡(luò)。控制中心采用DCS/PLC，冗余配置，示意圖如圖1?？刂葡到y(tǒng)可采用標(biāo)準的工業(yè)以太網(wǎng)設(shè)計，上位機配置以太網(wǎng)卡，控制站配置以太網(wǎng)模塊，與上游控制系統(tǒng)單向或雙向通訊。同時，控制系統(tǒng)按需求設(shè)置DP主站、DP從站、DP/PA耦合器等，與下游的設(shè)備共同組成總線型、樹型或星型拓撲結(jié)構(gòu)，通過總線連接，實現(xiàn)與上下游系統(tǒng)或設(shè)備之間的數(shù)字化通訊。設(shè)置操作員站和工程師站，用于對各系統(tǒng)的運行實時監(jiān)控，并可按生產(chǎn)運行的需要控制設(shè)備動作、調(diào)整控制邏輯和設(shè)置參數(shù)。

圖1 控制層網(wǎng)絡(luò)示意圖

（3）設(shè)備層網(wǎng)絡(luò)。設(shè)備層是電廠控制系統(tǒng)的最底層，也是其實現(xiàn)數(shù)字化控制的基礎(chǔ)。電廠各系統(tǒng)中的電磁閥閥島、調(diào)節(jié)閥定位器、電動閥執(zhí)行機構(gòu)、馬達保護器、各類儀表等都屬于從站設(shè)備，按2.2要求配置的各DP從設(shè)備都可直接接入PROFIBUS總線網(wǎng)絡(luò)中，需要說明的是，對于智能型儀表等PA總線設(shè)備，需要通過DP/PA耦合器進行協(xié)議的轉(zhuǎn)換，最終接入網(wǎng)絡(luò)，示意圖如圖2。

對于系統(tǒng)中的遠程設(shè)備或IO站，可增加光電轉(zhuǎn)換器，利用光纖轉(zhuǎn)PROFIBUS-DP方式進行遠程通訊和控制?？偩€通訊的傳輸介質(zhì)通常采用屏蔽雙絞線，若距離較遠或是遠距離通訊，可采用光纜。

圖2 總線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

（4）對比說明。傳統(tǒng)的DCS/PLC控制網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖3，其基本配置與總線方案類似，主要區(qū)別在于其通訊網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字化程度低。傳統(tǒng)方案的主要特點是點對點控制，信號傳輸主要以模擬量、模數(shù)混合為主，而總線方案是全數(shù)字信號。

圖3 DCS網(wǎng)絡(luò)示意圖

2 結(jié)果與討論

對比傳統(tǒng)DCS/PLC控制方式，總線控制方案具有以下優(yōu)勢：

（1）數(shù)字化、多站、多向通信，控制全分散，抗干擾能力強。

（2）有效地節(jié)約了工程造價?？偩€方案對于電纜、橋架、埋管等電氣安裝材料的需求數(shù)量大大減少，也降低了設(shè)計和施工的工作量。

（3）具有強大的自診斷功能。總線設(shè)備、模塊或是通道若出現(xiàn)故障，各級診斷信息能夠及時、準確地送至上位機以及SIS等，方便操作人員迅速找到故障源并及時處理。

（4）系統(tǒng)的運維擴充方便。某一網(wǎng)段現(xiàn)場總線設(shè)備出現(xiàn)故障需要更換時，可以隨意更換具有現(xiàn)場總線功能的設(shè)備，不會影響同網(wǎng)段其他設(shè)備的正常運行。

與電廠傳統(tǒng)控制方式相比，現(xiàn)場總線技術(shù)可以將電廠的管理、控制系統(tǒng)與總線設(shè)備以數(shù)字化的通信網(wǎng)絡(luò)完美地融合在一起，實現(xiàn)電廠大數(shù)據(jù)的全面整合，使得電廠在管控數(shù)字化、施工運行方面更為方便，為電廠管理決策提供準確的依據(jù)。

3 結(jié)語

在智能制造和大數(shù)據(jù)蓬勃發(fā)展的大潮流下，電廠的控制和管理也要與時俱進，電廠在發(fā)展過程中不僅要做到控制的自動化，更要著眼于全系統(tǒng)管理的數(shù)字化、信息化，充分發(fā)揮現(xiàn)場總線技術(shù)的優(yōu)勢，加速推進電廠朝著數(shù)字化、智能化、智慧化轉(zhuǎn)型。

本文主要對比傳統(tǒng)控制，對總線控制方案的優(yōu)勢和它對電廠的數(shù)字化轉(zhuǎn)型的推動作用做了簡要說明。同時，也應(yīng)當(dāng)注意，現(xiàn)場總線尚未形成單一標(biāo)準，控制方案的選擇既要考慮其成熟程度，又要考慮電站的整體需求。