梁國杰 高云鵬

(北京京能熱電股份有限公司石景山熱電廠，北京 100041)

隨著自動化儀表技術(shù)、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和過程控制技術(shù)的日益成熟和快速發(fā)展，工業(yè)控制領(lǐng)域發(fā)生了一次技術(shù)變革，而這次變革的基礎(chǔ)就是現(xiàn)場總線技術(shù)的產(chǎn)生[1]，由于火電廠控制系統(tǒng)采用了現(xiàn)場總線技術(shù)，使得其在結(jié)構(gòu)和性能上產(chǎn)生了較大提高。

根據(jù)IEC和ISA的定義，現(xiàn)場總線是連接智能現(xiàn)場設(shè)備和自動化系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)[2]，它的關(guān)鍵標(biāo)志是能支持雙向、多節(jié)點、總線式的全數(shù)字通信且要求使用具有現(xiàn)場總線通信能力的智能現(xiàn)場設(shè)備?；痣姀S的現(xiàn)場智能設(shè)備完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、控制運算及數(shù)據(jù)輸出等功能，并把這些信息通過現(xiàn)場總線傳到控制室的操作員站上，運行人員通過操作員站查看電廠各個設(shè)備運行狀態(tài)和控制就地設(shè)備。由于現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)體現(xiàn)了“信息集中、控制分散”的概念，正符合了火電廠過程控制的發(fā)展方向和必然趨勢，因此，近些年在火電廠較多的采用了具有現(xiàn)場總線功能的控制系統(tǒng)。

1 現(xiàn)場總線技術(shù)特點①

當(dāng)前國內(nèi)外電力行業(yè)應(yīng)用較多的現(xiàn)場總線協(xié)議有：FF、Profibus、Modbus、HART、Devicenet、ASI以及CAN等。在實際應(yīng)用中FF、Profibus、HART、ASI總線協(xié)議較成熟，其中比較適用于過程控制的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)是FF和Profibus-DP/PA。除這兩種主流現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)外，HART、Devicenet及ASI等現(xiàn)場總線協(xié)議在火電廠中不同需要和場合下也有適當(dāng)?shù)膽?yīng)用。

以火電廠Profibus-DP/PA協(xié)議現(xiàn)場總線為例，典型的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示，Profibus-DP總線設(shè)備連接方式為串級連接，由于其連接方式會造成一定的信號衰減或通信速度降低，實際上每個總線網(wǎng)段最多可連接32臺總線設(shè)備。PA總線儀表通過DP/PA耦合器進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換后掛接在DP總線上，DP總線將數(shù)據(jù)信息傳到DPU并與主控設(shè)備通信。DP總線常用于控制電動、氣動執(zhí)行結(jié)構(gòu)或電機(jī)等實時性要求較高的設(shè)備，總線控制網(wǎng)絡(luò)最高通信速率可達(dá)到12Mbps，在低速率時，最大傳輸距離達(dá)1 200m；PA總線一般與變送器、定位器及流量計等連接，為低速總線，傳輸速率為31.25kbps，最大傳輸距離2 000m，與傳統(tǒng)的DCS相比，現(xiàn)場總線在結(jié)構(gòu)、安裝和使用中具有較多的優(yōu)點，如：

a. 信息量大，在現(xiàn)場儀表中實現(xiàn)了更多的控制、多變量的測量和傳輸、儀表設(shè)定值的遠(yuǎn)程整定以及基于自診斷原則的現(xiàn)場設(shè)備預(yù)測維護(hù)、管理等。

b. 節(jié)約資源，現(xiàn)場智能設(shè)備通過現(xiàn)場總線與DCS總線接口相連，不占用I/O模件的點位，使DCS模件柜、繼電器柜的數(shù)量減少，節(jié)約集控室電子設(shè)備間的面積。

c. 安裝簡單，一對雙絞線或一條光纜上通?？蓲旖佣鄠€設(shè)備，電纜、槽盒、電纜橋架的用量將減少。當(dāng)需要增加現(xiàn)場控制設(shè)備時，無需增設(shè)新電纜。

d. 維護(hù)方便，智能設(shè)備將大量信息送入工程師站和操作員站，及時了解就地設(shè)備信息，并在設(shè)備發(fā)生故障時，快速排查，提高了設(shè)備安全性和工作效率。

e. 性能提高，智能化的數(shù)字設(shè)備與傳統(tǒng)模擬設(shè)備相比，提高了測量與控制的準(zhǔn)確度，減少了傳送誤差。同時，由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡化，設(shè)備連線減少，現(xiàn)場儀表內(nèi)部功能加強(qiáng)，減少了信號的往返傳輸，提高了系統(tǒng)的工作可靠性。另外，由于設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化和功能模塊化，其還具有設(shè)計簡單，易于重構(gòu)等優(yōu)點。

圖1 Profibus-DP/PA總線網(wǎng)絡(luò)示意圖

2 現(xiàn)場總線技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

進(jìn)入21世紀(jì)后，現(xiàn)場總線技術(shù)在各個領(lǐng)域都有了不同程度的應(yīng)用，尤其是近幾年，現(xiàn)場總線技術(shù)已經(jīng)大量應(yīng)用于國內(nèi)外火電廠的控制系統(tǒng)中，由于總線傳輸?shù)男畔⒘看?，?fù)荷的大小會導(dǎo)致通信出現(xiàn)一定的延遲，因此對于重要保護(hù)設(shè)備和實時性較高的設(shè)備一般不推薦采用現(xiàn)場總線，目前火電廠的總線應(yīng)用大部分集中在輔網(wǎng)，尤其在水處理和輸煤系統(tǒng)中應(yīng)用最多，國內(nèi)外也有主機(jī)設(shè)備采用現(xiàn)場總線的應(yīng)用實例。

2.1 國外應(yīng)用情況

比較典型的是德國RWE集團(tuán)的尼德豪森電廠(1×950MW)，機(jī)組采用Siemens Profibus總線，設(shè)備狀態(tài)和信息全部通過總線傳輸?shù)紻CS系統(tǒng)中，是目前全球范圍內(nèi)智能化程度最高、采用總線技術(shù)最全面、裝機(jī)容量最大的機(jī)組；美國OPPD能源集團(tuán)的Nebraska電廠(2×740MW)，采用了Emerson公司的Ovation系統(tǒng)，除FSSS、DEH、ETS外，單元機(jī)組DCS的I/O點約為7 000點，約有50%的設(shè)備和儀表采用了現(xiàn)場總線[3]；德國Niederraussen電廠(1×950MW)，控制系統(tǒng)為Siemens的TXP-2000，除FSSS、DEH、ETS、重要模擬量控制采用常規(guī)方案外，其他的被控對象基本采用了Profibus-DP總線，儀表部分采用了HART協(xié)議，整個系統(tǒng)包括900臺馬達(dá)、400個電磁閥、1 000個閥門定位器和電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)；意大利TIRRENO POWER聯(lián)合循環(huán)電廠，該工程為改造項目，控制系統(tǒng)為Siemens的T2000系統(tǒng)，模擬儀表和分析儀表采用Profibus-PA協(xié)議，除燃機(jī)、DEH、ETS采用常規(guī)方案外，其他基本采用了Profibus-DP現(xiàn)場總線；意大利聯(lián)合循環(huán)電廠，控制系統(tǒng)采用了FOXBORO公司的I/A系統(tǒng)，現(xiàn)場總線應(yīng)用范圍：900個FF儀表，9 300個Profibus對象，6 000點常規(guī)I/O；意大利聯(lián)合循環(huán)電廠(2×400MW)，控制系統(tǒng)采用了ABB公司的800xA系統(tǒng)，單元機(jī)組現(xiàn)場Profibus-DP總線設(shè)備約220臺，包括400V開關(guān)、600V開關(guān)、變頻器及執(zhí)行機(jī)構(gòu)等，Profibus-PA設(shè)備約400臺。

2.2 國內(nèi)應(yīng)用情況

秦嶺電廠(2×660MW)超臨界機(jī)組首次采用國產(chǎn)FCS165現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，控制范圍包括主控17個工藝系統(tǒng)和7個輔助車間系統(tǒng)，采用Profibus-DP/PA總線協(xié)議實現(xiàn)現(xiàn)場總線設(shè)備的控制，單元機(jī)組和公用系統(tǒng)配置DP網(wǎng)段20個，PA網(wǎng)段18個，采用現(xiàn)場總線的設(shè)備417臺，包含常規(guī)I/O點1 539點，公用系統(tǒng)9臺，包含常規(guī)I/O點9點，現(xiàn)場總線設(shè)備實際組態(tài)點4 809點，包括設(shè)備診斷、狀態(tài)及內(nèi)部參數(shù)等數(shù)據(jù)點，于2011年12月通過了168h，目前設(shè)備運行穩(wěn)定[4]；金陵電廠(2×1000MW)超超臨界機(jī)組，采用Siemens T-3000控制系統(tǒng)，除FSSS、DEH、ETS、MEH、METS系統(tǒng)外，主機(jī)的單回路控制設(shè)備均采用了現(xiàn)場總線，其中1號機(jī)總線對象978個，輔助生產(chǎn)車間鍋爐補(bǔ)給水、凈水站和廢水處理采用了具有現(xiàn)場總線的控制系統(tǒng)。鍋爐補(bǔ)給水采用西門子的S7系列總線控制系統(tǒng)，總線對象114個，凈水站和廢水處理系統(tǒng)采用FCS165總線控制系統(tǒng)，前者總線對象104個，后者42個；鄒縣電廠(2×1000MW)超超臨界機(jī)組是中國首例采用FF總線技術(shù)的機(jī)組，控制系統(tǒng)為Emerson公司的Ovation系統(tǒng)?？偩€應(yīng)用在汽輪機(jī)軸封系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)溫度測點和鍋爐壁溫測點中[5,6]；江陰夏港電廠5、6號機(jī)組(2×330MW)采用FOXBORO公司的I/A分散控制系統(tǒng)，現(xiàn)場總線主要應(yīng)用在380V開關(guān)柜電氣馬達(dá)控制，采用Siemens公司的SIMOCODE電動機(jī)保護(hù)控制設(shè)備，通過Profibus-DP與I/A分散控制系統(tǒng)相連接；國華寧海發(fā)電廠(4×600MW)控制系統(tǒng)采用西門子TELEPERM-XP分散控制系統(tǒng)，總線控制范圍為閉式水系統(tǒng)34個現(xiàn)場總線電動門，采用Profibus-DP冗余總線接口與TELEPEM-XP連接；萊州電廠(2×1000MW)超超臨界機(jī)組海水淡化、 凝結(jié)水精處理和鍋爐補(bǔ)給水、二次風(fēng)系統(tǒng)等系統(tǒng)采用FF和Profibus總線和傳統(tǒng)硬接線方式相結(jié)合的設(shè)計方案，采用樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，設(shè)計FF網(wǎng)段33個，DP網(wǎng)段16個，其中采用FF總線控制的設(shè)備223個，采用DP總線控制的設(shè)備137個[7]。

另外還有華能玉環(huán)電廠、廣東河源電廠、江陰蘇龍電廠、四川廣安電廠、京能集團(tuán)的京橋及高安屯燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)電廠等，也在不同的設(shè)備范圍采用了現(xiàn)場總線。

3 現(xiàn)場總線技術(shù)應(yīng)用前景

現(xiàn)場總線技術(shù)在火電廠的應(yīng)用有很多優(yōu)越性，但是目前的現(xiàn)場總線并不是萬能總線，其自身特點和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在應(yīng)用中也存在著一定的瓶頸，獲得更大應(yīng)用空間還需要突破下列問題：

a. 總線上掛接的設(shè)備較多，一旦總線斷開，掛接在總線上的所有設(shè)備將處于“失控”狀態(tài)，系統(tǒng)可能產(chǎn)生不可預(yù)知的后果。因此在火電廠實時性要求較高的主機(jī)重要保護(hù)設(shè)備應(yīng)用還需要探索和研究。

b. 根據(jù)現(xiàn)場總線本安防爆技術(shù)的要求，掛接負(fù)載供電的關(guān)聯(lián)設(shè)備輸出電壓和電流控制在一個安全的水平上，這個要求將牽制總線系統(tǒng)可掛接負(fù)載數(shù)的增加。從某種程度上限制了節(jié)省電纜的優(yōu)勢。

c. 總線網(wǎng)絡(luò)通信中數(shù)據(jù)包的傳輸延遲，且在傳輸過程中有一定的誤碼和丟包率，會使控制系統(tǒng)分析與綜合情況變得復(fù)雜。

在全廠范圍內(nèi)的應(yīng)用還需要突破這些應(yīng)用瓶頸，目前現(xiàn)場總線還不能完全取代DCS，使用程度和范圍在某種程度上還取決于使用者的決心，應(yīng)用現(xiàn)場總線的火電廠大都是與DCS共存的使用狀態(tài)，以發(fā)揮兩者各自的優(yōu)勢。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)場總線在火電廠的全面發(fā)展和應(yīng)用是一個不爭的事實，它代表了火電廠數(shù)字化控制的發(fā)展方向。

目前，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)達(dá)成共識的是三層設(shè)備、二層網(wǎng)絡(luò)的“3+2結(jié)構(gòu)”，三層設(shè)備即底層的現(xiàn)場設(shè)備、中層的控制設(shè)備和上層的操作設(shè)備，二層網(wǎng)絡(luò)即現(xiàn)場設(shè)備與控制設(shè)備之間的控制網(wǎng)和控制設(shè)備與操作之間的管理網(wǎng)。這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是導(dǎo)致通信延遲和誤碼的根結(jié)所在，很多公司提出了一層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，即用以太網(wǎng)一通到底。較成熟的以太網(wǎng)有Modbus/TCP、EtherNet/IP、EPA、Profinet、Powerlink及EtherCAT等，其中EtherCAT技術(shù)以其高速、簡單、易于實現(xiàn)正在獲得越來越多的關(guān)注，它是一種直達(dá)I/O級的、高實時性、高可靠性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)靈活的高速工業(yè)以太網(wǎng)總線[8]。通過EtherCAT，無需從現(xiàn)場設(shè)備獲得的數(shù)據(jù)包進(jìn)行接收、解碼、復(fù)制到控制設(shè)備這一過程，而是在報文經(jīng)過從站節(jié)點時讀取相應(yīng)的編址數(shù)據(jù)并將輸入數(shù)據(jù)插入至報文中，整個過程中，報文只有幾納秒的時間延遲。1 000個I/O的更新時間只需30μs，EtherCAT還具有通信性能杰出、布線簡單及高度開放等特點，可以最大化地利用以太網(wǎng)所提供的巨大帶寬，并且成本低廉，EtherCAT技術(shù)出色的性能突破了現(xiàn)場總線的瓶頸。

4 結(jié)束語

現(xiàn)場總線技術(shù)代表著數(shù)字化火電廠的發(fā)展方向，目前在國內(nèi)外火電廠已經(jīng)有了一定規(guī)模的使用，由于其自身的特點和結(jié)構(gòu)，全廠范圍應(yīng)用現(xiàn)場總線的案例還比較少，大多數(shù)都應(yīng)用在重要程度較弱的輔助車間，主機(jī)多是與DCS共存的使用狀態(tài)。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，尤其是簡化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，采用高速的以太網(wǎng)協(xié)議理念的推出，對突破現(xiàn)場總線應(yīng)用瓶頸以達(dá)到全廠范圍內(nèi)采用現(xiàn)場總線具有現(xiàn)實意義。