現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在電廠的應(yīng)用

      在電廠信息化的建設(shè)過程中，越來越多的專家、學(xué)者和電力工程設(shè)計(jì)人員意識(shí)到推動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在電廠應(yīng)用的重要性和迫切性，提出了現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)在電廠的應(yīng)用設(shè)想和建議。但到目前為止，在國(guó)內(nèi)已建和在建電廠中，真正意義上的全面和系統(tǒng)地應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的實(shí)例尚未見報(bào)道，還只是局部的試點(diǎn)。
       根據(jù)國(guó)際電工委員會(huì)IEC61158標(biāo)準(zhǔn)的定義:安裝在制造或生產(chǎn)過程區(qū)域的現(xiàn)場(chǎng)裝置與控制室內(nèi)的自動(dòng)控制裝置之間的數(shù)字式、串行、雙向、多點(diǎn)通信的數(shù)據(jù)總線稱為現(xiàn)場(chǎng)總線。由現(xiàn)場(chǎng)總線與現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備組成的控制系統(tǒng)稱為現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)(FCS)。而衡量一個(gè)控制系統(tǒng)是否為真正的FCS有三個(gè)關(guān)鍵要點(diǎn)，即:核心、基礎(chǔ)和本質(zhì)。FCS的核心是總線協(xié)議，只有遵循現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議的控制系統(tǒng)，才能稱為現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng);FCS的基礎(chǔ)是數(shù)字智能現(xiàn)場(chǎng)儀表，它是FCS的硬件支撐;FCS的本質(zhì)是信息處理現(xiàn)場(chǎng)化，這是FCS系統(tǒng)的效能體現(xiàn)。
      因此現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)是一種全計(jì)算機(jī)、全數(shù)字、雙向通信的新型控制系統(tǒng)。它與DCS的本質(zhì)差異在于現(xiàn)場(chǎng)級(jí)設(shè)備的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化，實(shí)現(xiàn)了控制裝置與現(xiàn)場(chǎng)裝置的雙向通信，消除了生產(chǎn)過程監(jiān)控的信息"盲點(diǎn)"。可以說，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備級(jí)的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化是電廠信息化管理的基礎(chǔ)。
一、現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的特點(diǎn)及現(xiàn)狀
      CPU技術(shù)的發(fā)展導(dǎo)致了現(xiàn)場(chǎng)儀表和裝置的數(shù)字化革命，也使得現(xiàn)場(chǎng)儀表和裝置之間的數(shù)字通訊成為可能。數(shù)字化、智能化的現(xiàn)場(chǎng)儀表和裝置(如傳感器、執(zhí)行器等)不僅替代了4～20mA模擬系統(tǒng)，更主要的是可以在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中實(shí)現(xiàn)控制功能和設(shè)備管理功能，而且有了數(shù)字通訊，在控制室可以獲得現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的諸多信息，如診斷、量程、組態(tài)和標(biāo)識(shí)等?，F(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的出現(xiàn)，使得原來需要大量電纜進(jìn)行點(diǎn)到點(diǎn)連接的眾多現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備信號(hào)可通過一根網(wǎng)絡(luò)電纜來傳輸，可以顯著減少電纜的使用量及降低相關(guān)的材料和安裝費(fèi)用。
      現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的出發(fā)點(diǎn)就是要為用戶提供開發(fā)性、具有可互操作性、可互換性和統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)量和控制產(chǎn)品，克服傳統(tǒng)DCS和PLC等含有專利性技術(shù)的控制系統(tǒng)所帶來的封閉性問題，擇優(yōu)選擇不同公司的產(chǎn)品，集成最佳的生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)，降低工程項(xiàng)目的建造和運(yùn)營(yíng)成本，提高企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。
      同傳統(tǒng)DCS和PLC控制系統(tǒng)相比，以現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)為基礎(chǔ)的控制系統(tǒng)FCS的優(yōu)越性有以下幾方面[1～3]:(1)互操作性;(2)分散性;(3)可靠性; (4)精確性;(5)開放性;(6)經(jīng)濟(jì)性;(7)可維護(hù)性。
      1999年底IEC TC65(負(fù)責(zé)工業(yè)測(cè)量和控制的第65標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì))通過了8種類型的現(xiàn)場(chǎng)總線作為IEC61158國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。這8種類型的現(xiàn)場(chǎng)總線為:
    (1)IEC技術(shù)報(bào)告(即FF的Hl)
    (2)Control Net(美國(guó)Rockwell等公司支持)
    (3)Profibus(德國(guó)西門子等公司支持)
    (4)P-Net(丹麥Process Data公司支持)
    (5)FF HSE(即原FF的H2，F(xiàn)isher-Rosemount等公司支持)
    (6)Swift Net(美國(guó)波音公司等支持)
    (7)World FIP(法國(guó)Alstom等公司支持)
    (8)Interbus(德國(guó)Phoenix Contact公司支持)
       除了上述8種標(biāo)準(zhǔn)之外，還有IEC TCl7B通過的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)SDS(Smart Distributed System)、ASI(Actuator Sensor Interface)和DeviceNet，以及 ISO11898的CAN協(xié)議，還有一些歐洲標(biāo)準(zhǔn)，超過了12種之多。這么多的標(biāo)準(zhǔn)給用戶應(yīng)用帶來了很大的困惑，也就導(dǎo)致了沒有事實(shí)上的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)椴煌默F(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議之間是不能夠直接進(jìn)行互連和通訊的。
       現(xiàn)場(chǎng)總線自身存在著應(yīng)用領(lǐng)域的局限性。上述各種現(xiàn)場(chǎng)總線是針對(duì)不同的應(yīng)用領(lǐng)域開發(fā)的，沒有一種單一的總線能適用于所有的工業(yè)控制。
       在工廠自動(dòng)化領(lǐng)域，離散邏輯控制處于主導(dǎo)地位，因?yàn)楣S自動(dòng)化含有快速移動(dòng)的機(jī)械，同較慢的過程自動(dòng)化相比，要有更快的響應(yīng)。適用于這類場(chǎng)合的現(xiàn)場(chǎng)總線類型有 DeviceNet、ControlNet、Profibus(DP及FMS應(yīng)用行規(guī))，以及Interbus、ASI(AS-Interface)。
       在過程自動(dòng)化領(lǐng)域，連續(xù)的調(diào)節(jié)性控制占支配地位，但也包含離散或開關(guān)量控制。適用于這類場(chǎng)合的現(xiàn)場(chǎng)總線類型有Foundation Fieldbus，Profibus-PA、WorldFIP等。
二、電廠生產(chǎn)過程控制的特點(diǎn)
       電廠的生產(chǎn)包含了以下幾個(gè)主要工藝過程:燃料系統(tǒng)(煤炭和燃油/氣的運(yùn)輸及貯存)、熱力系統(tǒng)、鍋爐和汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組(將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)變成熱能、熱能將水變成蒸汽、蒸汽熱能在汽輪機(jī)中轉(zhuǎn)變成機(jī)械能、再轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?、除渣出灰系統(tǒng)(燃燒物的固體廢棄物處理)、脫硫系統(tǒng)(大氣排放物的處理)、水處理系統(tǒng)(含凈水、鍋爐補(bǔ)給水、廢水、凝結(jié)水精處理、化學(xué)取樣和加藥等)、發(fā)配電系統(tǒng)(含廠用電系統(tǒng)、升壓站等)。由此可以看出，電力生產(chǎn)是一個(gè)極其復(fù)雜的工業(yè)過程，它涵蓋了工廠自動(dòng)化和過程自動(dòng)化的內(nèi)容。在傳統(tǒng)的電廠控制系統(tǒng)模式中，主廠房區(qū)域熱力生產(chǎn)過程通常采用DCS作為主要的控制系統(tǒng)，其他輔助系統(tǒng)則采用以PLC為核心的控制系統(tǒng)。由于現(xiàn)場(chǎng)級(jí)設(shè)備主要采用傳統(tǒng)的模擬量和開關(guān)量信號(hào)，生產(chǎn)過程的監(jiān)控只能到達(dá)I/O子系統(tǒng)。
       在近幾年的電力建設(shè)過程中，電力生產(chǎn)企業(yè)的信息化管理引起了廣泛的重視，投入了大量的資金構(gòu)建輔助控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)、電廠實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)(SIS)和電廠信息管理系統(tǒng)(MIS)，而對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)級(jí)的設(shè)備依然采用傳統(tǒng)的裝置和方式接入控制系統(tǒng)I/O子系統(tǒng)。這對(duì)于以預(yù)測(cè)性設(shè)備維護(hù)和設(shè)備管理為預(yù)期目標(biāo)的信息化建設(shè)，無疑是"無源之水"。因此解決電廠"信息盲區(qū)"的根本出路是應(yīng)用支持現(xiàn)場(chǎng)總線的智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。
三、應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)存在的問題
       電廠應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)總線的主要障礙有:
    (1)現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)多，用戶選擇無所適從。
    (2)支持現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)的智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的規(guī)格和品種較少，尤其是針對(duì)電廠開發(fā)的智能設(shè)備較少，不能滿足電廠各專業(yè)的需要。
    (3)支持現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)的智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備價(jià)格較高。盡管基于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的控制系統(tǒng)軟硬件費(fèi)用與DCS相比持平或略高，但FCS對(duì)于控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、建造、調(diào)試直至運(yùn)行、維護(hù)的整個(gè)項(xiàng)目生命周期成本同DCS相比要低得多。
    (4)連接現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備底層的網(wǎng)絡(luò)不支持冗余結(jié)構(gòu)。
       除了上述這些應(yīng)用障礙之外，筆者以為還有以下一些制約因素:
    (1)現(xiàn)有電廠的基建模式。電廠控制設(shè)備的采購(gòu)大多是由設(shè)計(jì)院編制設(shè)備規(guī)范書，由建設(shè)單位組織采購(gòu)，也有一些設(shè)備由施工單位采購(gòu)，還有的控制裝置由主機(jī)廠配套或分包。這種設(shè)備的采購(gòu)方式難以保證按照統(tǒng)一的總線標(biāo)準(zhǔn)供貨，不同的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)是不兼容的。
    (2)在設(shè)計(jì)院內(nèi)部，自動(dòng)控制涉及電氣專業(yè)、熱控專業(yè)甚至系統(tǒng)專業(yè)。這些專業(yè)分管的系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備各不相同，成百個(gè)設(shè)備在設(shè)計(jì)和訂貨時(shí)要求電氣和熱控采用統(tǒng)一的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，難度可想而知。
    (3)投資方、建設(shè)單位、施工單位甚至設(shè)計(jì)院的技術(shù)人員對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)缺乏深入的了解。
    (4)設(shè)計(jì)觀念的限制。
    (5)缺乏合理的設(shè)計(jì)周期。
    (6)對(duì)于設(shè)計(jì)人員缺乏創(chuàng)新的機(jī)制和動(dòng)力。

（轉(zhuǎn)載）