现场总线在火电厂中的应用

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现场总线在火电厂中的应用
胡蓉
（西南电力设计院，四川成都　610021） 　 摘　要：介绍了现场总线控制系统（FCS）的特点、优势以及在火电厂的应用范围及应用中需考虑的问题。
　　关键词：现场总线（Fieldbus）；现场总线控制系统（FCS）；分散控制系统（DCS）　　现场总线（Fieldbus）是用于过程自动化，将智能化现场设备（如变送器、控制器、执行器）与高层设备（如主机、网关、人机接口设备）之间互联，以实现全数字、串行、双向传输的通信系统。通过它可以实现跨网络的分布式控制。

1　现场总线控制系统特点
1．1　开放性
　　现场总线控制系统具有开放性。对相关标准具有一致性、公开性，强调对标准的共识与遵从。通信协议一致公开，各不同厂家的设备之间可实现信息交换，通过现场总线可构筑自动化领域的开放互联系统。开放性决定了它具有互操作性和互用性。
1．2　可靠性
　　同分散控制系统（DCS）相比，现场总线控制系统（FCS）的安全栅、隔离器、端子柜、I／O模件、现场电缆和接线端子的数量大量减少，因此，由于设备或接线所造成的故障机率将大大减少；FCS中的现场信号采用数字传输，大大提高了系统的抗干扰能力。FCS结构比DCS简化，有的省略了DCS中控制站这一层，操作站直接与现场仪表相连。这些因素均使FCS的可靠性得到提高。
1．3　精确性
　　引入现场总线可消除传输误差和转换误差。现场总线是用数字信号传输数据的，数字信号不产生信号在传输过程中所带来的误差。现场总线中的数据以数字状态传送，不需要A／D、D／A转换，因此，不会产生转换误差。引入现场总线，就消除了上述误差，提高了传送精度。另外，FCS采用彻底的分散控制方式，控制任务分别是由不同的现场总线设备中的微处理机同时执行，实现了控制回路之间的并行分布式处 理，其控制速度可以比DCS提高2～10倍，能够达到更高的控制精度和控制速度。
1．4　分散性
　　FCS系统比DCS系统更好地体现了“信息集中，控制分散”的思想。同传统的DCS相比，FCS体现了更彻底的分散性。现场控制设备具有高度的智能化与功能自主性，可以完成绝大多数的基本控制功能，并可以随时诊断设备的运行情况。DCS仅仅实现了控制站层次的控制分散化，而FCS则实现了现场控制设备层次的控制分散化。
1．5　经济性
　　由于FCS系统结构上的改变，FCS比DCS更节约硬件设备。使用FCS可以大量地减少安全栅、隔离器、I／O模件、现场电缆和接线端子，这样就节省了I／O装置以及安装这些装置的机柜和空间，同时大大地减少了安装和维护工作量及费用。
　　采用现场总线技术，可以实现多仪表互联、多变量检测和多变量传送，这样就可以减少现场设备的数量，降低控制系统的造价。
1．6　维修性
　　FCS的可维修性要更加优于DCS。DCS的故障诊断系统的诊断范围仅能达到I／O模件级，在DCS中几乎完全无法了解现场设备的工作情况；而FCS的故障诊断范围却可以达到现场设备级；从某种意义上说，FCS消除了DCS的“现场盲区”，显著提高了控制系统的诊断速度，使其具有更好的可维修性。
2　工程应用中需考虑的问题
　　虽然现场总线具有很多优越性能，但尚无十分成熟的应用经验，特别是目前的标准中还包含有多种协　　议，给实际应用带来了许多困难。因此，工程应用中必须精心设计，慎重考虑，在充分考虑到满足生产现场对控制系统功能需求和安全可靠的前提下，尽量发挥现场总线设备的优越性能。
2．1　应用范围
　　在没有成熟的应用经验情况下，有选择地在部分区域控制中应用并总结经验，不断改进。如在火电厂中可广泛应用于辅助车间、单回路控制区域，特别是用作远程智能I／O与DCS系统混合使用，既可将DCS控制站的部分简单算法下装到现场设备，还能将现场设备信息及时送到操作员站、工程师站以及厂级实时监控系统（SIS）和电厂管理信息系统（MIS）。
2．2　冗余问题
　　目前现场设备级总线大多采用非冗余的单总线结构，如果总线故障必然导致信息传输中断，失去控制作用，因此在要求具有高可靠性的场合，应采取备份措施以实现总线和设备的冗余，以提高系统的可靠性。
2．3　通信速率问题
　　目前现场总线尤其是设备级总线的通信速率都不高，在高速测量与控制场合以及在实施协调控制时对控制周期有严格要求的场合，必须考虑精确计算控制系统在最复杂和最恶劣的情况下的响应速度，并验证其是否满足工艺要求，以确保被控设备或被控过程的稳定性。
2．4　软件组态问题
　　由于现场总线标准中包含多种通信协议，现场总线产品多种多样，功能也各不相同，因此在工程应用中，必须对现场总线控制系统的组态方法、步骤和操作权限作出规定，严格按照软件开发规程编制组态程序，确保系统的可靠性、可修改性。
2．5　检测与验收问题
　　由于现场总线设备既具有相对独立的测控功能，又具有联网实现复杂控制的功能，因此现场总线的控制功能更为分散，系统结构更加独立，但耦合程序更
加复杂。因此对控制系统功能、响应速度和可靠性测试都更加复杂，所以在控制系统设计时同时考虑对系统自检测与验收方法的设计。
3　FCS在火力发电厂的应用范围
　　FCS在火电厂的应用范围，可以从构成全电厂的工厂级自动化系统的整体来综合考虑。面对火电厂多项实时性要求高、系统复杂的过程监视和控制任务，采取DCS与FCS共存，发挥两者各自的优势，是现阶段可选的方案。基于这种想法，初步提出以下FCS的应用范围：
　　1）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，对火电厂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PLC网络，提高电厂的监控和管理水平。
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。
4）全厂的设备状态检修，设备管理系统。
　　5）电厂改造过程中新增的监控区域，且DCS已不便修改的项目，可按区域采用FCS设备，实现现场控制。
4　结束语
　　由于现场总线符合过程工业控制系统向智能化、数字化、网络化和分散化的发展方向，作为过程工业的一大类电厂，应适时引入基于总线技术的控制系统FCS。随着FCS的不断优化和进步，随着热工自动化设计技术的提高，FCS在火电厂的应用将更广泛，以其具有开放性数字化通信的特点，为发展火电厂热工自动化技术发挥作用。四川电力技术