浅析现场总线在电厂的应用范围及存在的问题

　　摘要：本文着眼于目前现场总线发展，并结合当前国内电厂的实际情况，提出了现场总线技术在电厂中的具体应用范围，并提出了目前现场总线在电厂应用中需要注意的一些问题，对当前现场总线的产品选型进行了合理分析。
　　
　　前言
　　
　　电厂控制系统对运行可靠性有特殊要求，电厂系统具有I/O测点密集、现场装置密集、设备立体布置、控制功能和控制策略复杂等特点。电厂控制系统还存在自动化监控系统复杂；机炉协调控制涉及设备多、信息量大、控制复杂；汽机控制、SOE要求毫秒级响应速度等一系列问题。基于以上原因，只有在充分理解现场总线机理、与DCS及PLC差异，以及运用中可能存在的难题，充分考虑协调安全性和经济性的原则下，才能将现场总线技术运用于工程，体现现场总线的优越性。
　　
　　现场总线并不是在所有的控制场合下都能发挥优势。对于火电厂测点密集、现场装置密集、设备立体布置、数字量与模拟量混合的大型系统，采用现场总线控制分散的特点来实施控制，由于需要多台设备才能实现，则显得繁琐，降低其可靠性。相反DCS在此反显得有优越性。但现场总线的双向数字通信现场总线信号制技术，又是DCS所不及的。所以应采取DCS与现场总线共存发挥两者各自的优势。
　　
　　一、现场总线适用范围建议：
　　
　　(l)由于国产DCS系统少有大规模应用现场总线实例，并且支持现场总线种类有限，因此可采用PLC可编程控制器实现监控的全厂辅助公用系统，选用遵循现场总线通信协议的PLC可编程控制器，对多个辅助公用系统实现监控，通过现场总线通信技术，建立全厂辅助公用系统网络，提高监控和管理水平。
　　
　　(2)地域分散的单冲量调节项目。
　　
　　(3)地域分散的独立的电动阀或电动机。
　　
　　二、应用现场总线系统建议
　　
　　(l)影响机组安全运行的主机和主要辅机保护采用成熟的常规控制方式，不纳入现场总线，主初厂辅机保护和重要联锁的信号保留硬接线。如：
　　
　　锅炉安全监视系统(FSSS)；
　　
　　汽机数字电液控制系统(DEH)；
　　
　　汽轮机紧急跳闸系统(ETS)；
　　
　　旁路控制系统(BPS)；
　　
　　事故顺序记录(SOE)。SOE要求有lms的分辨率，目前设计中接入SOE的多为主、辅机的跳闸接点信号和电气开关量，主、辅机跳闸首出原因由控制器逻辑判断。为保证SOE的分辨率，建议仍采用常规DI卡或专用SOE卡。
　　
　　(2)用于联锁保护的开关型气动阀门、电磁阀，不纳入现场总线。由于主厂房内电磁阀控制的二位式气动阀门布置较为分散，如采用带总线接口的阀岛进行控制不太合适，建议采用常规的方式接入DCS。
　　
　　(3)国产电动执行机构不纳入现场总线。由于目前国产现场总线电动执行机构因接口不完善，缺少工程应用实践，尚未有成熟的应用业绩，而进口现场总线电动执行机构与国产电动执行机构的差价较大。为从根本上降低工程造价，国产电动执行机构采用常规珊方式接入DCS。
　　
　　(4)开关量仪表如压力开关、液位开关、温度开关等不纳入现场总线。
　　
　　(5)调节型气动执行机构，用于非重要调节回路的，可以考虑纳入现场总线，采用带现场总线接口的智能定位器。重要回路，可采用常规硬接线＋Hart仪表方式，如给水、汽温、送、引风、磨煤机。
　　
　　(6)调节型电动执行机构，用于非重要调节回路的，可以考虑纳入现场总线，用于重要回路(给水、汽温、送、引风)的，采用硬接线方式。
　　
　　(7)开关型阀门电动装置，用于非重要系统的，可以考虑纳入现场总线；用于重要系统的，控制功能、保护、联锁功能通过硬接线完成。
　　
　　(8)变送器均采用现场总线型智能变送器接入DCS，以便在机组DCS中利用现场总线设备诊断和管理软件，实现设备管理和故障诊断。可使用带有Hart通讯功能的智能变送器。
　　
　　(9)400V及以下电动机采用现场总线，所有信号通过现场总线与控制系统连接，6KV电动机也可纳人现场总线，启、停指令信号及电机已启、已停信号采用硬接线，其它信号采用总线方式。出于机组安全考虑，所有机组电动机及主厂房内重要电源开关的分/合指令信号、状态反馈信号还是通过硬接线方式进入DCS，其它信号通过通信接口接入机组DCS。机组厂用电动机和厂用电监控系统虽然采用现场总线(CAN、LONWORKS、Modbu，等标准)，大多数并非采用FF、Profibus等现场总线。条件允许的情况下，也可对厂用电动及考虑采用具有Profibus-DP接口的智能马达控制器(类似西门子公司的SIMOCODE产品)。需注意西门子SIMOCODE损均视象，主要是现场环境不良及维护不善造成。另外采取SIMOCODE与系统通讯的抗干扰隔离措施，加装Profibus有源抗干扰模件，增加适量接口设备(如Y型切换器、光电转换器等)等措施防止通讯中断。
　　
　　(10)主机/辅机的温度测点，可采用远程I/O。采用现场总线技术之后，对于现场相对集中的温度测点，考虑采用现场总线型智能变送单元或沿用目前常规的远程训方式接入DCS。由于目前带总线接口的智能温度变送器价格仍较贵，如全部温度测点采用总线方式会增加较大工程投资。且对温度信号而言，采用总线方式接入增加的信息内容也不明显。因此对于温度测点考虑采用常规方式接入控制系统。
　　
　　(11)仅用于监视的测量信号，可采用现场总线。
　　
　　(12)厂用电电源系统可采用现场总线。
　　
　　(13)闭环控制功能和功能组顺序控制逻辑在控制器中完成。
　　
　　(14)变频器采用特殊的抗干扰隔离措施后也可考虑采用现场总线。
　　
　　(15)锅炉补给水、凝结水精处理、废水处理等系统可优先考虑采用现场总线技术。
　　
　　三、应用现场总线需注意问题
　　
　　(1)现场总线噪音问题
　　
　　现场总线应用涉及到系统噪音问题，由于所有的现场设备完全连接到现场总线网络中，连接处使用TAP接头，接头长期处于现场恶劣环境，会出现网络噪音现象，继而出现设备与网络连接错误报警，所以现场总线对现场的卫生条件，现场的振动条件都有严格的要求。接头每次停机都要进行检查，但检查后不能完全消除噪音。
　　
　　(2)冗余问题
　　
　　现场总线设计思想，低速部分不需冗余，因为现场总线分散了危险，现场仪表在现场可以自成调节回路而自主调节。由于没有冗余，一旦总线故障就地虽然可以完成调节，但运行人员无法监视系统运行状况，按照热控检修标准无法监视控制机组主要运行参数就应该停止机组运行，所以必须冗余设计。
　　
　　(3)故障影响性
　　
　　现场总线网络设计至关重要，要根据系统I/O点规模和设备地理分布、功能的相关性等因素。设计各层网络的覆盖范围，支路的数量，支路及分支的长度、各分支的设备数量等，这些设计对系统的性能、硬件配置等都有重要影响。因此，在工程应用中各工艺子系统应根据工艺相关性和现场布置位置情况进行网络分段设计。进行网络分段设计时遵循以下原则：每个网段上挂接的现场总线数量6-10个；冗余设置的现场仪表应接入不同网段；工艺上并列运行或冗余配置的设备其相关驱动装置应连接不同网段。控制系统应根据工艺流程合理配置总线数量和挂接的现场设备，确保任何一条总线故障时，只产生系统的局部故障，不会引起机组的危急状态，造成整个系统停运，并将这一影响限制到最小。
　　
　　(4)传输时间和安全性
　　
　　总线的传输速度要求越快越好，但是传输速度不能仅靠提高传输速率来解决。总线系统传输必须具有确定的时间，即控制器发出控制值的时间间隔及接收现场总线设备实际值的时间间隔必须是一个定值，这样才能保证完成控制和调节的任务。在选择总线系统时必须注意到传输效率，在传输效率高的前提下，可以选择比较低的传输速率。因为低传输速率数据通信，有较高的抗干扰能力，而且传输距离长(如500K的传输速率，最大传输距离为400米；而12M的传输速率，最大距离是100米)。
　　
　　(5)传输媒介和连接方式
　　
　　完整的现场总线系统，除了构成网络的范围(即最大距离)是一个重要的指标外，能否在总线系统中实现不同总线段间采用不同的传输媒介，也是重要的因素。它使系统的构成更为灵活，更符合工况实际的要求。串联传输方法在设计、安装、调式以及连接技术上有明显的优点，但在通信方面，如传输时间、实时时间、循环时间、传输的确定性以及诊断等逊于并联传输方式。
　　
　　(6)维修成本较高
　　
　　使用现场总线技术的DCS系统和现场智能设备承担的调节功能增加也会使其造价的成本增加。维修中，更换仪表都会有很昂贵的费用。因此要选择信誉较好的厂家、性能号的设备以达到降低生产成本的效果，改善设备运行性能。
　　
　　(7)现场智能仪表的功能设计
　　
　　采用现场总线面临的一个较大工作是现场智能仪表的功能设计。采用DCS时，输入、输出信号制、I/O点数确定后，DCS的选择与现场仪表关系不大。采用现场总线时DCS许多控制功能转移到现场智能仪表中完成，因此现场总线选型、功能的设计与现场智能仪表紧密地联系。设计时要先确定统一的协议标准，现场总线及现场智能仪表都要遵守此协议标准；然后根据现场智能仪表的工艺分布情况、防爆等级要求、测量参数范围及完成的功能等确定一个初步的现场总线结构，计算采用网络段的个数，确定每段所带现场智能仪表和设备的数量及每段的通信速率；最后根据工艺运行要求定义每个现场智能仪表的控制功能，通过工程师站对整个控制系统进行功能块组态设计。上述工作已打破原控制功能的设计界限，把控制室设备及现场智能仪表作为一个整体来考虑，合理的现场总线结构和控制方案可能需要经过多次的重复计算、比较才能确定。
　　
　　现场的总线还存在着一定的缺陷，所以多数监视系统和外围设备上应用广泛，原因就是外围设备的缺陷和停运不会对生产造成影响，同时总线用于外围设备控制可以使控制系统设计简洁明快。
　　
　　(8)对机组保护设计应重点考虑
　　
　　机组保护要严格设计，防止保护误动、拒动，要在控制系统I/O卡件以及设备上要求采用三取二，现场设备分别进入不同的I/O卡件，不同I/O卡件分属不同的控制站，达到保护不因为一个设备、一个I/O卡件、一个控制站故障导致的保护误动。
　　
　　现场总线对这方面应着重考虑，由于现场总线现场布置需要我们改变这种设计，否则就要增加费用，如就地设备需要在就地完成三取二功能，而且信号要分别与三条就地总线到达三个控制柜，这会增加了工作量和费用，但这样才能达到设计要求。
　　
　　四、现场总线选型分析
　　
　　(l)控制系统
　　
　　目前国外主流DCS厂商基本支持Profibus和FF总线协议，还有各自的管理软件，但因300MW级机组目前DCS越来越多的采用国产DCS，国内DCS厂商如和利时、GE新华、浙江中控、国电智深、上自仪等也支持Profibus协议，但从调研情况看，事实上对现场总线支持不够，在建设安装期间的水平以及使用现场总线后的信息管理方面都不具备优势，并且国内厂商没有大规模应用的工程能力和相关的管理软件。近年较大规模及大规模采用现场总线的大型火电机组，基本采用国外设备。因此如使用国产DCS系统，在单元机组及主厂房区域内使用现场总线技术尚部成熟。
　　
　　国外主流PLC厂商支持Profibus等总线协议，并有较多规模工程实例，并且自去年以来，国外PLC价格下降较快，如辅助车间控制采用现场总线设备，从价格、工程实施及效益情况看，可采用现场总线技术。
　　
　　(2)现场设备
　　
　　智能一体化电动执行机构主要有SIPOS5-Flash系列、AUMA-MAtiC系列、ROTORK-IQ系列(还支持FF总线标准、EMG-DREHMO系列、LimitorqueMX系列、上海自动化仪表十一厂AI、MI系列、温州瑞基测控RQM和RA系列、扬州恒春CKD系了列等支持Profibus，因国内外产品价格差别较多，应根据实际情况对比，从了解到的工程使用情况看，现场总线执行机构应采用国外产品，否则使用国产不具备现场总线功能执行机构，高低搭配，可取得较好效果。
　　
　　目前有很多国内外仪表支持Hart协议，并且价格差别不大，同时国内DCS厂商基本支持Hart协议，因此可在主厂房及辅助车间较多规模使用形式设备。
　　
　　五、结束语
　　
　　鉴于目前现场总线在单元机组控制应用中处在起步阶段，可能在工程实施中遇到意想不到的情况。现场总线的应用，不仅要考虑到造价、功能、效益和方便性，还必须兼顾技术和安全性；虽然现场总线技术在电厂中开始广泛应用，但还有很多问题没有完全解决，所以现场总线并没有完全应用到现场DCS系统中，但随着现场总线技术越来越成熟，相应产品越来越完善，现场总线技术必将是今后电厂自动化的潮流趋势。