淺談現(xiàn)場總線控制在燃機電廠的推廣應用

徐左旺

（南京寧高協(xié)鑫燃機熱電有限公司，江蘇南京210000）

1 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS（Fieldbus Control System）

根據(jù)國際電工委員會IEC 61158標準的定義：安裝在制造或生產(chǎn)過程區(qū)域的現(xiàn)場裝置與控制室內(nèi)的自動控制裝置之間的數(shù)字式、串行、雙向、多點通信的數(shù)據(jù)總線稱為現(xiàn)場總線。由現(xiàn)場總線與現(xiàn)場智能設備組成的控制系統(tǒng)稱為現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）?，F(xiàn)場總線控制技術(shù)猶如“信息高速”，為智慧電廠提供豐富的數(shù)據(jù)基礎，是工控領域的發(fā)展趨勢。

FCS的核心是總線協(xié)議，即總線標準，只有遵循現(xiàn)場總線協(xié)議的控制系統(tǒng)，才能稱為現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)。FCS的基礎是數(shù)字化現(xiàn)場智能設備，其內(nèi)部嵌入有通信模塊和控制模塊，可以完成數(shù)據(jù)采集、處理和通信功能。

2 燃機電廠控制介紹

整個燃機電廠（燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組及其輔助系統(tǒng)）是由燃機控制系統(tǒng)TCS、一體化分散控制系統(tǒng)DCS（包括余熱鍋爐、汽輪發(fā)電機組以及公用輔助系統(tǒng)）組成。公用輔助系統(tǒng)主要包含對循環(huán)水系統(tǒng)、壓縮空氣系統(tǒng)、天然氣調(diào)壓站、化學加藥、化學補給水處理、凈水站、補給水泵房、循環(huán)水加藥、采暖通風、公用廠用電系統(tǒng)等的控制。與DCS通信的其他監(jiān)控系統(tǒng)主要包括廠級實時監(jiān)控系統(tǒng)SIS、電氣監(jiān)測管理系統(tǒng)ECMS、發(fā)電廠電力網(wǎng)絡計算機監(jiān)控系統(tǒng)NCS等。

3 燃機電廠采用的現(xiàn)場總線控制方案介紹

燃氣輪發(fā)電機組控制一般采用隨燃機設備廠家成套供貨的進口TCS控制系統(tǒng)，因為燃機本體及其輔助系統(tǒng)設備比較集中，燃機TCC間就布置在燃機本體附近，現(xiàn)場總線控制技術(shù)在這些系統(tǒng)很難發(fā)揮其應有作用，因此幾乎不涉及現(xiàn)場總線控制。

余熱鍋爐、汽輪發(fā)電機組以及公用輔助系統(tǒng)的現(xiàn)場設備比較分散，而且離機、爐、電集中控制室較遠，控制對象多，工藝復雜?，F(xiàn)場總線控制技術(shù)在這些系統(tǒng)中的應用有其獨特的優(yōu)越性。

采用現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，并以智能設備為硬件支撐，借助燃機電廠分散控制系統(tǒng)DCS提供的大數(shù)據(jù)分析平臺引擎，通過對數(shù)據(jù)的分析和深度挖掘，不僅能實現(xiàn)對設備健康水平的在線評估，還能

實現(xiàn)為設備故障預警和維護提供更多、更全面的數(shù)據(jù)?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

現(xiàn)場智能設備可以連接到多樣的現(xiàn)場總線協(xié)議主站卡，兼容性、擴展性強；可以通過光纖連接至主站卡，也可以就地安放通信箱，結(jié)構(gòu)多樣。I/O網(wǎng)絡連接I/O卡件和現(xiàn)場總線主站卡，同時兼容多種現(xiàn)場總線，如MODBUS、PROFIBUS、FF等。eNet為雙冗余百兆以太網(wǎng)，通過數(shù)據(jù)庫采集、存儲數(shù)據(jù)并上傳至云中心。大量數(shù)據(jù)的提取對智慧電廠的發(fā)展打下堅實基礎。

4 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的應用

4.1 燃機電廠熱控DCS+現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)

該系統(tǒng)用到的現(xiàn)場智能設備包括：現(xiàn)場智能一體化開關型和調(diào)節(jié)型電動執(zhí)行機構(gòu)、智能調(diào)節(jié)型氣動執(zhí)行機構(gòu)閥門定位器、開關型氣動閥電磁閥島控制智能變送器（用于溫度、壓力、差壓等測量）、智能超聲波流量計（用于天然氣流量測量）以及智能化學儀表等。DCS采用硬接線與現(xiàn)場總線相結(jié)合的方式，可在機組DCS控制系統(tǒng)中實現(xiàn)全廠機、爐、電一體化監(jiān)控。該系統(tǒng)目前用到的比較成熟的現(xiàn)場總線如下：

（1）FF（FIELDBUS FOUNDATION）現(xiàn)場總線。FF現(xiàn)場總線基金會是由World FIP NA（北美部分，不包括歐洲）和ISP Foundation于1994年6月聯(lián)合成立的。FF現(xiàn)場總線由模擬量儀表及相關技術(shù)發(fā)展而來，由低速H1總線和高速以太網(wǎng)H2總線組成。H1總線主要用于儀表、控制設備及通信站之間，H2總線主要用于控制站、上位機及通信站之間。

（2）PROFIBUS（PROCESSFIELDBUS）現(xiàn)場總線。PROFIBUS是德國標準（DIN 19245）和歐洲標準（EN 50170）所規(guī)定的現(xiàn)場總線標準，由PROFIBUS-DP、PROFIBUS-PA等系列組成。PROFIBUS-DP是一種高速總線（通信速率9.6 kb/s～12 Mb/s），用于電氣自動化和設備自動化中快速的數(shù)據(jù)交換，主要用于連接遠程I/O、執(zhí)行機構(gòu)、電磁閥、電動機、分析儀表等開關量和復雜設備。PROFIBUS-PA是一種低速總線（通信速率31.25kb/s），它的數(shù)據(jù)傳輸和電源共用同一根電纜，設計用來連接需要總線供電的智能變送器、智能定位器等現(xiàn)場總線設備。

（3）DCS與現(xiàn)場總線通信接口。DCS具備與現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)通信的能力，其通信接口支持RS232C、RS485/422和以太網(wǎng)方式連接，使用TCP/IP、MODBUS RTU/MODBUS PLUS通信協(xié)議。所有通信接口應內(nèi)置于分散處理單元（DPU），或作為一個獨立的多功能網(wǎng)關掛在數(shù)據(jù)高速公路上。當接口用于過程監(jiān)控需要雙向通信時，通信接口應為冗余（包括冗余通信接口模件)，冗余的通信接口在任何時候都應同時工作。其中的任一通信接口出現(xiàn)故障不應對過程監(jiān)控造成影響。

4.2 燃機電廠電氣ECMS+現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)

廠用電氣監(jiān)控管理系統(tǒng)（ECMS）聯(lián)接的現(xiàn)場智能設備包括：6 kV綜合保護裝置、380 V控保裝置、UPS裝置、直流系統(tǒng)、電能量計費系統(tǒng)、自動勵磁裝置、廠用電快切裝置、發(fā)變組保護監(jiān)測裝置、同期裝置等。廠用電氣監(jiān)控管理系統(tǒng)（ECMS）具有開放式結(jié)構(gòu)，通過現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)向電廠內(nèi)生產(chǎn)、管理系統(tǒng)開放，提供全面可靠的電氣信息，實現(xiàn)全廠監(jiān)控系統(tǒng)的全面信息化。這些系統(tǒng)包括分布式控制系統(tǒng)（DCS）、廠級監(jiān)控信息系統(tǒng)（SIS）、電廠管理信息系統(tǒng)（MIS）等。ECMS與DCS系統(tǒng)的互聯(lián)，離不開成熟完善的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，可提供以下幾種方式：（1）所有電氣設備的控制均由DCS系統(tǒng)實現(xiàn)，監(jiān)視和管理由ECMS實現(xiàn)，ECMS與DCS間無通信。（2）除電動機的順控權(quán)外，其他所有設備的監(jiān)測和控制均由ECMS實現(xiàn)，此時ECMS與DCS間無通信。（3）DCS只保留必要的硬接線，其他監(jiān)控功能都由ECMS實現(xiàn)。ECMS與DCS系統(tǒng)間實現(xiàn)通信，所有電氣設備的狀態(tài)量都經(jīng)ECMS送入DCS。此方式是目前主流方式。（4）取消所有硬接線，采用高可靠的全軟件通信方式控制。ECMS系統(tǒng)作為子系統(tǒng)接入DCS系統(tǒng)，DCS通過控制權(quán)的傳遞經(jīng)由ECMS控制所有的電氣設備。

ECMS采用硬接線與現(xiàn)場總線相結(jié)合的方式，可將現(xiàn)場總線和集保護、測量、控制、通信于一體的智能前端設備有機結(jié)合起來，實現(xiàn)電氣的綜合自動化。該系統(tǒng)與DCS通過RS485/以太網(wǎng)連接，速率＞38.4 kb/s，協(xié)議為MODBUS。主控單元可與10 ～12 個其他智能設備通信，接口可以為RS485、CAN、PROFIBUS、TCP/IP以太網(wǎng)等，并可以擴展，實現(xiàn)靈活組網(wǎng)，每個串口可與6～8個其他智能設備通信。該系統(tǒng)目前用到的比較成熟的現(xiàn)場總線如下：

（1）MODBUS總線。MODBUS是由MODICON（現(xiàn)為施耐德電氣公司的一個品牌）在1979年發(fā)明的，是全球第一個真正用于工業(yè)現(xiàn)場的總線協(xié)議。通過此協(xié)議，控制器相互之間、控制器經(jīng)由網(wǎng)絡（例如以太網(wǎng)）和其他設備之間可以通信。在中國MODBUS已經(jīng)成為國家標準（GB/T 19582—2008）。MODBUS已完全開放，用戶可以不用授權(quán)即可放心使用MODBUS協(xié)議。MODBUS可以支持多種電氣接口，如RS232、RS485等，還可以在各種介質(zhì)上傳送，如雙絞線、光纖等。目前基于MODBUS通信協(xié)議的RS485現(xiàn)場總線，雖然其半雙工模式通信速度較慢，但因其成本低廉、簡單可靠，依然是各種較低層級的自動化設備的首選通信方式，廣泛用于各種智能儀表、電氣監(jiān)測等設備，如電度表、直流監(jiān)測、小電流接地選線等。

（2）PROFIBUS總線。在前面已有描述，電氣方面主要用于380 V控保裝置等。

（3）CAN（CONTROLLER AREA NETWORK）總線。它是德國BOSCH公司于20世紀80年代初為解決現(xiàn)代汽車中眾多的控制與測試儀器之間的數(shù)據(jù)交換問題而開發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議，具有全雙工模式，通信速率高達1 Mb/s。作為一種技術(shù)先進、可靠性高、功能完善、成本合理的遠程網(wǎng)絡通信控制方式，CAN-bus已被應用到各個自動化控制系統(tǒng)中，比如使用CAN總線技術(shù)作為繼電保護間隔層的通信網(wǎng)絡。近年來，由于工業(yè)以太網(wǎng)的成本日益下降以及后臺信息處理能力日益強大，在電氣設備通信網(wǎng)絡方面，CAN總線逐漸被以太網(wǎng)取代。

5 燃機電廠采用現(xiàn)場總線控制方案的優(yōu)越性

（1）現(xiàn)場智能設備能提供豐富的設備信息數(shù)據(jù)，可以包含測量值、控制值，也可以包含設備的狀態(tài)信息、報警信息、維護信息等。通過現(xiàn)場總線控制能將這些有用信息送入DCS控制系統(tǒng)中，消除以往生產(chǎn)過程監(jiān)控的信息“盲點”，這是傳統(tǒng)DCS或PLC等控制系統(tǒng)無法實現(xiàn)的。

（2）傳統(tǒng)的就地智能設備，需通過各生產(chǎn)廠家專用手操器和管理軟件進行組態(tài)、設定等操作。通過現(xiàn)場總線控制則可實現(xiàn)現(xiàn)場智能設備與DCS控制器之間的雙向通信，從而實現(xiàn)對現(xiàn)場設備狀態(tài)的遠程監(jiān)控、在線調(diào)校、故障診斷和預防維護等管理功能。

（3）現(xiàn)場總線技術(shù)有足夠的速度傳送現(xiàn)場智能設備中多個過程I/O信號。比如，對于智能一體化電動執(zhí)行機構(gòu)，只需通過冗余屏蔽雙絞線通信連接就可完成傳統(tǒng)需要十多根芯電纜才能實現(xiàn)的信息傳遞。這條通信環(huán)路還可接入一定數(shù)量的同類型設備，在信息量數(shù)倍增加、有利于設備維護的同時，也減少了I/O模塊和電纜的使用。電纜數(shù)量和電纜橋架的減少也減輕了熱控安裝人員放電纜、對線、接線以及調(diào)試等的工作量。

（4）現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)這種通信方式幾乎不受距離的限制，非常適合燃機電廠機、爐、電以及輔控車間規(guī)模大、控制對象相對集中的場合，與傳統(tǒng)DCS控制系統(tǒng)相比，可以省去相當數(shù)量的現(xiàn)場I/O信號連接電纜、信號隔離器、I/O卡件和I/O柜。同時，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)也極容易進行系統(tǒng)擴充，從而降低電廠擴建費用，特別是對于以后需要擴建的化學補給水系統(tǒng)等場合，采用現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)后，一般只需通過現(xiàn)場總線擴展現(xiàn)場同類型智能設備或儀表，控制畫面和邏輯做一些必要增加修改，控制盤柜和控制電纜等幾乎不發(fā)生更改或變化。

6 采用現(xiàn)場總線控制要注意的一些問題

（1）由于采用現(xiàn)場總線技術(shù)，總線設備與DCS的兼容性是系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、可靠長期運行的前提。因此，建議現(xiàn)場總線設備在出廠前需持有相應廠家DCS兼容性測試報告，可以大幅縮減項目調(diào)試周期，提高調(diào)試品質(zhì)。

（2）出于機組安全性要求考慮，機組中比較重要的輔機、主保護以及重要的電氣電源開關信號通過硬接線方式進入DCS。

（3）對機組安全運行至關重要且回路處理速度要求高的汽機數(shù)字電液控制系統(tǒng)（DEH）中涉及轉(zhuǎn)速和負荷的控制部分、汽機本體緊急跳閘系統(tǒng)（ETS）以及汽機高低壓旁路控制系統(tǒng)（BPC），仍采用成熟的常規(guī)控制方式。

（4）機組事故順序記錄（SOE）要求有1 ms的分辨率，為保證SOE的分辨率，根據(jù)不同的DCS廠家硬件性能要求，仍采用常規(guī)DI卡或?qū)Ｓ肧OE卡。

（5）主廠房電磁閥控制的二位式氣動閥門仍然采用常規(guī)I/O方式接入DCS。鍋爐補給水處理系統(tǒng)普遍使用電磁閥控制的二位式氣動閥門，閥門布置相對集中，可采用帶總線接口的電磁閥島監(jiān)控，電磁閥島內(nèi)配通信模塊、電磁閥、數(shù)字量輸入卡件等，通過現(xiàn)場總線與控制系統(tǒng)進行通信傳輸。

7 結(jié)語

隨著新技術(shù)、新工藝的發(fā)展，燃機電廠現(xiàn)場智能設備的制造成本在不斷降低，同時人們對現(xiàn)場總線的可靠性要求在不斷提高，綜合規(guī)劃自動化和信息化架構(gòu)，合理選擇現(xiàn)場總線應用范圍，采取DCS與FCS兩者共存的系統(tǒng)模式，發(fā)揮各自優(yōu)勢，能顯著提高燃機電廠自動化控制和信息化管理水平，降低工程造價，減少運行維護費用，全面提升機組運行安全性。