作者：宋昉、張瑤、陳明、武真伊
前言
電廠控制系統(tǒng)對(duì)運(yùn)行可靠性有特殊要求，電廠系統(tǒng)具有I/O測(cè)點(diǎn)密集、現(xiàn)場(chǎng)裝置密集、設(shè)備立體布置、控制功能和控制策略復(fù)雜等特點(diǎn)。電廠控制系統(tǒng)還存在自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)復(fù)雜；機(jī)爐協(xié)調(diào)控制涉及設(shè)備多、信息量大、控制復(fù)雜；汽機(jī)控制、SOE要求毫秒級(jí)響應(yīng)速度等一系列問題。基于以上原因，只有在充分理解現(xiàn)場(chǎng)總線機(jī)理、與DCS及PLC差異，以及運(yùn)用中可能存在的難題，充分考慮協(xié)調(diào)安全性和經(jīng)濟(jì)性的原則下，才能將現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)運(yùn)用于工程，體現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)總線的優(yōu)越性。
現(xiàn)場(chǎng)總線并不是在所有的控制場(chǎng)合下都能發(fā)揮優(yōu)勢(shì)。對(duì)于火電廠測(cè)點(diǎn)密集、現(xiàn)場(chǎng)裝置密集、設(shè)備立體布置、數(shù)字量與模擬量混合的大型系統(tǒng)，采用現(xiàn)場(chǎng)總線控制分散的特點(diǎn)來實(shí)施控制，由于需要多臺(tái)設(shè)備才能實(shí)現(xiàn)，則顯得繁瑣，降低其可靠性。相反DCS在此反顯得有優(yōu)越性。但現(xiàn)場(chǎng)總線的雙向數(shù)字通信現(xiàn)場(chǎng)總線信號(hào)制技術(shù)，又是DCS所不及的。所以應(yīng)采取DCS與現(xiàn)場(chǎng)總線共存發(fā)揮兩者各自的優(yōu)勢(shì)。
一、現(xiàn)場(chǎng)總線適用范圍建議：
(l）由于國(guó)產(chǎn)DCS系統(tǒng)少有大規(guī)模應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)總線實(shí)例，并且支持現(xiàn)場(chǎng)總線種類有限，因此可采用PLC可編程控制器實(shí)現(xiàn)監(jiān)控的全廠輔助公用系統(tǒng)，選用遵循現(xiàn)場(chǎng)總線通信協(xié)議的PLC可編程控制器，對(duì)多個(gè)輔助公用系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)監(jiān)控，通過現(xiàn)場(chǎng)總線通信技術(shù)，建立全廠輔助公用系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，提高監(jiān)控和管理水平。
(2）地域分散的單沖量調(diào)節(jié)項(xiàng)目。
(3）地域分散的獨(dú)立的電動(dòng)閥或電動(dòng)機(jī)。
二、應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)建議
(l）影響機(jī)組安全運(yùn)行的主機(jī)和主要輔機(jī)保護(hù)采用成熟的常規(guī)控制方式，不納入現(xiàn)場(chǎng)總線，主初廠輔機(jī)保護(hù)和重要聯(lián)鎖的信號(hào)保留硬接線。如：
鍋爐安全監(jiān)視系統(tǒng)（FSSS)；
汽機(jī)數(shù)字電液控制系統(tǒng)（DEH)；
汽輪機(jī)緊急跳閘系統(tǒng)（ETS)；
旁路控制系統(tǒng)（BPS)；
事故順序記錄（SOE）。SOE要求有lms的分辨率，目前設(shè)計(jì)中接入SOE的多為主、輔機(jī)的跳閘接點(diǎn)信號(hào)和電氣開關(guān)量，主、輔機(jī)跳閘首出原因由控制器邏輯判斷。為保證SOE的分辨率，建議仍采用常規(guī)DI卡或?qū)Ｓ?/SPAN>SOE卡。
(2）用于聯(lián)鎖保護(hù)的開關(guān)型氣動(dòng)閥門、電磁閥，不納入現(xiàn)場(chǎng)總線。由于主廠房?jī)?nèi)電磁閥控制的二位式氣動(dòng)閥門布置較為分散，如采用帶總線接口的閥島進(jìn)行控制不太合適，建議采用常規(guī)的方式接入DCS。
(3）國(guó)產(chǎn)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)不納入現(xiàn)場(chǎng)總線。由于目前國(guó)產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)總線電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)因接口不完善，缺少工程應(yīng)用實(shí)踐，尚未有成熟的應(yīng)用業(yè)績(jī)，而進(jìn)口現(xiàn)場(chǎng)總線電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)與國(guó)產(chǎn)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的差價(jià)較大。為從根本上降低工程造價(jià)，國(guó)產(chǎn)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用常規(guī)珊方式接入DCS。
(4）開關(guān)量?jī)x表如壓力開關(guān)、液位開關(guān)、溫度開關(guān)等不納入現(xiàn)場(chǎng)總線。
(5）調(diào)節(jié)型氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，用于非重要調(diào)節(jié)回路的，可以考慮納入現(xiàn)場(chǎng)總線，采用帶現(xiàn)場(chǎng)總線接口的智能定位器。重要回路，可采用常規(guī)硬接線＋Hart儀表方式，如給水、汽溫、送、引風(fēng)、磨煤機(jī)。
(6）調(diào)節(jié)型電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，用于非重要調(diào)節(jié)回路的，可以考慮納入現(xiàn)場(chǎng)總線，用于重要回路（給水、汽溫、送、引風(fēng)）的，采用硬接線方式。
(7）開關(guān)型閥門電動(dòng)裝置，用于非重要系統(tǒng)的，可以考慮納入現(xiàn)場(chǎng)總線；用于重要系統(tǒng)的，控制功能、保護(hù)、聯(lián)鎖功能通過硬接線完成。
(8）變送器均采用現(xiàn)場(chǎng)總線型智能變送器接入DCS，以便在機(jī)組 DCS中利用現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備診斷和管理軟件，實(shí)現(xiàn)設(shè)備管理和故障診斷。可使用帶有Hart通訊功能的智能變送器。
(9) 400V及以下電動(dòng)機(jī)采用現(xiàn)場(chǎng)總線，所有信號(hào)通過現(xiàn)場(chǎng)總線與控制系統(tǒng)連接，6KV電動(dòng)機(jī)也可納人現(xiàn)場(chǎng)總線，啟、停指令信號(hào)及電機(jī)已啟、已停信號(hào)采用硬接線，其它信號(hào)采用總線方式。出于機(jī)組安全考慮，所有機(jī)組電動(dòng)機(jī)及主廠房?jī)?nèi)重要電源開關(guān)的分/合指令信號(hào)、狀態(tài)反饋信號(hào)還是通過硬接線方式進(jìn)入DCS，其它信號(hào)通過通信接口接入機(jī)組DCS。機(jī)組廠用電動(dòng)機(jī)和廠用電監(jiān)控系統(tǒng)雖然采用現(xiàn)場(chǎng)總線（CAN、LONWORKS、Modbu，等標(biāo)準(zhǔn)），大多數(shù)并非采用FF、Profibus等現(xiàn)場(chǎng)總線。條件允許的情況下，也可對(duì)廠用電動(dòng)及考慮采用具有Profibus-DP接口的智能馬達(dá)控制器（類似西門子公司的 SIMOCODE產(chǎn)品）。需注意西門子SIMOCODE損均視象，主要是現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境不良及維護(hù)不善造成。另外采取SIMOCODE與系統(tǒng)通訊的抗干擾隔離措施，加裝Profibus有源抗干擾模件，增加適量接口設(shè)備（如Y型切換器、光電轉(zhuǎn)換器等）等措施防止通訊中斷。
(10）主機(jī)/輔機(jī)的溫度測(cè)點(diǎn)，可采用遠(yuǎn)程I/O。采用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)之后，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)相對(duì)集中的溫度測(cè)點(diǎn)，考慮采用現(xiàn)場(chǎng)總線型智能變送單元或沿用目前常規(guī)的遠(yuǎn)程訓(xùn)方式接入DCS。由于目前帶總線接口的智能溫度變送器價(jià)格仍較貴，如全部溫度測(cè)點(diǎn)采用總線方式會(huì)增加較大工程投資。且對(duì)溫度信號(hào)而言，采用總線方式接入增加的信息內(nèi)容也不明顯。因此對(duì)于溫度測(cè)點(diǎn)考慮采用常規(guī)方式接入控制系統(tǒng)。
(11）僅用于監(jiān)視的測(cè)量信號(hào)，可采用現(xiàn)場(chǎng)總線。
(12）廠用電電源系統(tǒng)可采用現(xiàn)場(chǎng)總線。
(13）閉環(huán)控制功能和功能組順序控制邏輯在控制器中完成。
(14）變頻器采用特殊的抗干擾隔離措施后也可考慮采用現(xiàn)場(chǎng)總線。
(15）鍋爐補(bǔ)給水、凝結(jié)水精處理、廢水處理等系統(tǒng)可優(yōu)先考慮采用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)。
三、應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)總線需注意問題
(1）現(xiàn)場(chǎng)總線噪音問題
現(xiàn)場(chǎng)總線應(yīng)用涉及到系統(tǒng)噪音問題，由于所有的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備完全連接到現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)中，連接處使用TAP接頭，接頭長(zhǎng)期處于現(xiàn)場(chǎng)惡劣環(huán)境，會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)噪音現(xiàn)象，繼而出現(xiàn)設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)連接錯(cuò)誤報(bào)警，所以現(xiàn)場(chǎng)總線對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的衛(wèi)生條件，現(xiàn)場(chǎng)的振動(dòng)條件都有嚴(yán)格的要求。接頭每次停機(jī)都要進(jìn)行檢查，但檢查后不能完全消除噪音。
(2）冗余問題
現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)計(jì)思想，低速部分不需冗余，因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)總線分散了危險(xiǎn)，現(xiàn)場(chǎng)儀表在現(xiàn)場(chǎng)可以自成調(diào)節(jié)回路而自主調(diào)節(jié)。由于沒有冗余，一旦總線故障就地雖然可以完成調(diào)節(jié)，但運(yùn)行人員無法監(jiān)視系統(tǒng)運(yùn)行狀況，按照熱控檢修標(biāo)準(zhǔn)無法監(jiān)視控制機(jī)組主要運(yùn)行參數(shù)就應(yīng)該停止機(jī)組運(yùn)行，所以必須冗余設(shè)計(jì)。
(3）故障影響性
現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)至關(guān)重要，要根據(jù)系統(tǒng)I/O點(diǎn)規(guī)模和設(shè)備地理分布、功能的相關(guān)性等因素。設(shè)計(jì)各層網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，支路的數(shù)量，支路及分支的長(zhǎng)度、各分支的設(shè)備數(shù)量等，這些設(shè)計(jì)對(duì)系統(tǒng)的性能、硬件配置等都有重要影響。因此，在工程應(yīng)用中各工藝子系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)工藝相關(guān)性和現(xiàn)場(chǎng)布置位置情況進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)分段設(shè)計(jì)。進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)分段設(shè)計(jì)時(shí)遵循以下原則：每個(gè)網(wǎng)段上掛接的現(xiàn)場(chǎng)總線數(shù)量6-10個(gè)；冗余設(shè)置的現(xiàn)場(chǎng)儀表應(yīng)接入不同網(wǎng)段；工藝上并列運(yùn)行或冗余配置的設(shè)備其相關(guān)驅(qū)動(dòng)裝置應(yīng)連接不, 同網(wǎng)段。控制系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)工藝流程合理配置總線數(shù)量和掛接的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，確保任何一條總線故障時(shí)，只產(chǎn)生系統(tǒng)的局部故障，不會(huì)引起機(jī)組的危急狀態(tài)，造成整個(gè)系統(tǒng)停運(yùn)，并將這一影響限制到最小。
(4）傳輸時(shí)間和安全性
總線的傳輸速度要求越快越好，但是傳輸速度不能僅靠提高傳輸速率來解決。總線系統(tǒng)傳輸必須具有確定的時(shí)間，即控制器發(fā)出控制值的時(shí)間間隔及接收現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備實(shí)際值的時(shí)間間隔必須是一個(gè)定值，這樣才能保證完成控制和調(diào)節(jié)的任務(wù)。在選擇總線系統(tǒng)時(shí)必須注意到傳輸效率，在傳輸效率高的前提下，可以選擇比較低的傳輸速率。因?yàn)榈蛡鬏斔俾蕯?shù)據(jù)通信，有較高的抗干擾能力，而且傳輸距離長(zhǎng)（如500K的傳輸速率，最大傳輸距離為
(5）傳輸媒介和連接方式
完整的現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)，除了構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)的范圍（即最大距離）是一個(gè)重要的指標(biāo)外，能否在總線系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)不同總線段間采用不同的傳輸媒介，也是重要的因素。它使系統(tǒng)的構(gòu)成更為靈活，更符合工況實(shí)際的要求。串聯(lián)傳輸方法在設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)式以及連接技術(shù)上有明顯的優(yōu)點(diǎn)，但在通信方面，如傳輸時(shí)間、實(shí)時(shí)時(shí)間、循環(huán)時(shí)間、傳輸?shù)拇_定性以及診斷等遜于并聯(lián)傳輸方式。
(6）維修成本較高
使用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的DCS系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備承擔(dān)的調(diào)節(jié)功能增加也會(huì)使其造價(jià)的成本增加。維修中，更換儀表都會(huì)有很昂貴的費(fèi)用。因此要選擇信譽(yù)較好的廠家、性能號(hào)的設(shè)備以達(dá)到降低生產(chǎn)成本的效果，改善設(shè)備運(yùn)行性能。
(7）現(xiàn)場(chǎng)智能儀表的功能設(shè)計(jì)
采用現(xiàn)場(chǎng)總線面臨的一個(gè)較大工作是現(xiàn)場(chǎng)智能儀表的功能設(shè)計(jì)。采用DCS時(shí)，輸入、輸出信號(hào)制、I/O點(diǎn)數(shù)確定后，DCS的選擇與現(xiàn)場(chǎng)儀表關(guān)系不大。采用現(xiàn)場(chǎng)總線時(shí)DCS許多控制功能轉(zhuǎn)移到現(xiàn)場(chǎng)智能儀表中完成，因此現(xiàn)場(chǎng)總線選型、功能的設(shè)計(jì)與現(xiàn)場(chǎng)智能儀表緊密地聯(lián)系。設(shè)計(jì)時(shí)要先確定統(tǒng)一的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)場(chǎng)總線及現(xiàn)場(chǎng)智能儀表都要遵守此協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)；然后根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)智能儀表的工藝分布情況、防爆等級(jí)要求、測(cè)量參數(shù)范圍及完成的功能等確定一個(gè)初步的現(xiàn)場(chǎng)總線結(jié)構(gòu)，計(jì)算采用網(wǎng)絡(luò)段的個(gè)數(shù)，確定每段所帶現(xiàn)場(chǎng)智能儀表和設(shè)備的數(shù)量及每段的通信速率；最后根據(jù)工藝運(yùn)行要求定義每個(gè)現(xiàn)場(chǎng)智能儀表的控制功能，通過工程師站對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)進(jìn)行功能塊組態(tài)設(shè)計(jì)。上述工作已打破原控制功能的設(shè)計(jì)界限，把控制室設(shè)備及現(xiàn)場(chǎng)智能儀表作為一個(gè)整體來考慮，合理的現(xiàn)場(chǎng)總線結(jié)構(gòu)和控制方案可能需要經(jīng)過多次的重復(fù)計(jì)算、比較才能確定。
現(xiàn)場(chǎng)的總線還存在著一定的缺陷，所以多數(shù)監(jiān)視系統(tǒng)和外圍設(shè)備上應(yīng)用廣泛，原因就是外圍設(shè)備的缺陷和停運(yùn)不會(huì)對(duì)生產(chǎn)造成影響，同時(shí)總線用于外圍設(shè)備控制可以使控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔明快。
(8）對(duì)機(jī)組保護(hù)設(shè)計(jì)應(yīng)重點(diǎn)考慮
機(jī)組保護(hù)要嚴(yán)格設(shè)計(jì)，防止保護(hù)誤動(dòng)、拒動(dòng)，要在控制系統(tǒng)I/O卡件以及設(shè)備上要求采用三取二，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備分別進(jìn)入不同的I/O卡件，不同I/O卡件分屬不同的控制站，達(dá)到保護(hù)不因?yàn)橐粋€(gè)設(shè)備、一個(gè)I/O卡件、一個(gè)控制站故障導(dǎo)致的保護(hù)誤動(dòng)。
現(xiàn)場(chǎng)總線對(duì)這方面應(yīng)著重考慮，由于現(xiàn)場(chǎng)總線現(xiàn)場(chǎng)布置需要我們改變這種設(shè)計(jì)，否則就要增加費(fèi)用，如就地設(shè)備需要在就地完成三取二功能，而且信號(hào)要分別與三條就地總線到達(dá)三個(gè)控制柜，這會(huì)增加了工作量和費(fèi)用，但這樣才能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。
四、現(xiàn)場(chǎng)總線選型分析
(l）控制系統(tǒng)
目前國(guó)外主流DCS廠商基本支持Profibus和FF總線協(xié)議，還有各自的管理軟件，但因300MW級(jí)機(jī)組目前DCS越來越多的采用國(guó)產(chǎn)DCS，國(guó)內(nèi)DCS廠商如和利時(shí)、GE新華、浙江中控、國(guó)電智深、上自儀等也支持Profibus 協(xié)議，但從調(diào)研情況看，事實(shí)上對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線支持不夠，在建設(shè)安裝期間的水平以及使用現(xiàn)場(chǎng)總線后的信息管理方面都不具備優(yōu)勢(shì)，并且國(guó)內(nèi)廠商沒有大規(guī)模應(yīng)用的工程能力和相關(guān)的管理軟件。近年較大規(guī)模及大規(guī)模采用現(xiàn)場(chǎng)總線的大型火電機(jī)組，基本采用國(guó)外設(shè)備。因此如使用國(guó)產(chǎn)DCS系統(tǒng)，在單元機(jī)組及主廠房區(qū)域內(nèi)使用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)尚部成熟。
國(guó)外主流PLC廠商支持Profibus等總線協(xié)議，并有較多規(guī)模工程實(shí)例，并且自去年以來，國(guó)外PLC價(jià)格下降較快，如輔助車間控制采用現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備，從價(jià)格、工程實(shí)施及效益情況看，可采用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)。
(2）現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備
智能一體化電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要有SIPOS5-Flash系列、AUMA-MATIC系列、ROTORK-IQ系列（還支持FF總線標(biāo)準(zhǔn)、EMG-DREHMO系列、LimitorqueMX系列、上海自動(dòng)化儀表十一廠AI、MI系列、溫州瑞基測(cè)控RQM和RA系列、揚(yáng)州恒春CKD系了列等支持Profibus，因國(guó)內(nèi)外產(chǎn)品價(jià)格差別較多，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況對(duì)比，從了解到的工程使用情況看，現(xiàn)場(chǎng)總線執(zhí)行機(jī)構(gòu)應(yīng)采用國(guó)外產(chǎn)品，否則使用國(guó)產(chǎn)不具備現(xiàn)場(chǎng)總線功能執(zhí)行機(jī)構(gòu)，高低搭配，可取得較好效果。
目前有很多國(guó)內(nèi)外儀表支持Hart協(xié)議，并且價(jià)格差別不大，同時(shí)國(guó)內(nèi)DCS廠商基本支持Hart協(xié)議，因此可在主廠房及輔助車間較多規(guī)模使用形式設(shè)備。
五、結(jié)束語(yǔ)
鑒于目前現(xiàn)場(chǎng)總線在單元機(jī)組控制應(yīng)用中處在起步階段，可能在工程實(shí)施中遇到意想不到的情況。現(xiàn)場(chǎng)總線的應(yīng)用，不僅要考慮到造價(jià)、功能、效益和方便性，還必須兼顧技術(shù)和安全性；雖然現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在電廠中開始廣泛應(yīng)用，但還有很多問題沒有完全解決，所以現(xiàn)場(chǎng)總線并沒有完全應(yīng)用到現(xiàn)場(chǎng)DCS系統(tǒng)中，但隨著現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)越來越成熟，相應(yīng)產(chǎn)品越來越完善，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)必將是今后電廠自動(dòng)化的潮流趨勢(shì)。
