現(xiàn)場總線技術(shù)分析論文

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【論文關(guān)鍵詞】:現(xiàn)場總線;控制系統(tǒng);冗余;電廠

【論文摘要】:文章主要討論了現(xiàn)場總線的特點，闡明了基于現(xiàn)場總線的電廠自動化系統(tǒng)構(gòu)成，著重強調(diào)了現(xiàn)場總線在電廠中應用應注意的問題。

1.前言

在電廠信息化的建設過程中，越來越多的專家、學者和電力工程設計人員意識到推動現(xiàn)場總線技術(shù)在電廠應用的重要性和迫切性，提出了現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)在電廠的應用設想和建議。但到目前為止，在國內(nèi)已建和在建電廠中，真正意義上的全面和系統(tǒng)地應用現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的實例尚未見報道，還只是局部的試點。

根據(jù)國際電工委員會IEC61158標準的定義：安裝在制造或生產(chǎn)過程區(qū)域的現(xiàn)場裝置與控制室內(nèi)的自動控制裝置之間的數(shù)字式、串行、雙向、多點通信的數(shù)據(jù)總線稱為現(xiàn)場總線。由現(xiàn)場總線與現(xiàn)場智能設備組成的控制系統(tǒng)稱為現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS)。而衡量一個控制系統(tǒng)是否為真正的FCS有三個關(guān)鍵要點，即：核心、基礎和本質(zhì)。FCS的核心是總線協(xié)議，只有遵循現(xiàn)場總線協(xié)議的控制系統(tǒng)，才能稱為現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)；FCS的基礎是數(shù)字智能現(xiàn)場儀表，它是FCS的硬件支撐；FCS的本質(zhì)是信息處理現(xiàn)場化，這是FCS系統(tǒng)的效能體現(xiàn)。

因此現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)是一種全計算機、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)場級設備的數(shù)字化、網(wǎng)絡化，實現(xiàn)了控制裝置與現(xiàn)場裝置的雙向通信，消除了生產(chǎn)過程監(jiān)控的信息“盲點”。可以說，現(xiàn)場設備級的數(shù)字化、網(wǎng)絡化是電廠信息化管理的基礎。

2.電氣現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的特點

2.1電氣參數(shù)變化快

電氣模擬量一般為電流、電壓、功率、頻率等參數(shù)，數(shù)字量主要為開關(guān)狀態(tài)、保護動作等信號，這些參數(shù)變化快，對計算機監(jiān)控系統(tǒng)的采樣速度要求高。

2.2電氣設備的智能化程度高

電氣系統(tǒng)的發(fā)電機一變壓器組保護、起動一備用變壓器保護、自動同期裝置、廠用電切換裝置、勵磁調(diào)節(jié)器等保護或自動裝置均為微機型，6kV開關(guān)站保護為微機綜合保護，380V開關(guān)站采用智能開關(guān)和微機型電動機控制器，所有的電氣設備均實現(xiàn)了智能化，能方便地與各種計算機監(jiān)控系統(tǒng)采用通信方式進行雙向通信。

2.3電氣設備的控制邏輯簡單

電氣設備的控制一般均為開關(guān)量控制，控制邏輯十分簡單，一般無調(diào)節(jié)或其它控制要求。

2.4電氣設備的控制頻度較低

除在機組起、停過程中，部分電氣設備要進行一些倒閘或切換操作外，在機組正常運行時電氣沒備一般不需要操作。在事故情況下，大多由繼電保護或自動裝置動作來切除故障或進行廠用電源切換。

2.5電氣設備具有良好的可控性

這是因為電氣的控制對象一般均為斷路器、空氣開關(guān)或接觸器，其操作靈活，動作可靠，與電廠其它受控設備相比，具有良好的可控性。

2.6電氣設備的安裝環(huán)境較好且布置相對集中

電氣設備大多集中布置在電氣繼電器室和各電氣配電設備問內(nèi)，設備布置相對比較集中，且安裝環(huán)境極少有水汽或粉塵的污染，為控制設備就地布置提供了有利條件。

3.基于現(xiàn)場總線的電廠自動化系統(tǒng)構(gòu)成

電廠熱工控制系統(tǒng)中所使用的儀表設備不同、連接方式不同、通信協(xié)議不同，給系統(tǒng)的兼容性、可擴展性、穩(wěn)定性、維護等帶來了很大的困難。為了使現(xiàn)場總線具有開放性，便于用戶選擇不同的產(chǎn)品，我們按照國際電工委員會(IEC)制定的IEC61158國際標準，提出了基于現(xiàn)場總線的電廠綜合自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。此系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)分為三層，從低到高分別為現(xiàn)場控制層、監(jiān)控層和企業(yè)管理層。

3.1現(xiàn)場控制層

現(xiàn)場控制層由現(xiàn)場設備和控制網(wǎng)段組成。H1層網(wǎng)絡是在FF現(xiàn)場總線的H1層基礎上定義的低速現(xiàn)場級網(wǎng)絡，低速總線H1支持點對點連接、總線型、菊花鏈型、樹型拓撲結(jié)構(gòu)，而高速總線僅支持總線拓撲結(jié)構(gòu)。Hl主要用于連接現(xiàn)場智能儀表，如壓力、溫度、液位、流量等變送器及其執(zhí)行機構(gòu)等。

3.2監(jiān)控層

監(jiān)控層由高速以太網(wǎng)0t2總線)以及連接在總線上的擔任監(jiān)控作務的工作站或顯示操作站組成。tt2層網(wǎng)絡屬于現(xiàn)場總線的高速現(xiàn)場級網(wǎng)絡，主要用于連接現(xiàn)場智能設備(PLC、遠程I／O、電動門、變頻器等)、操作員站、工程師站等設備，完成監(jiān)控級的通訊任務和比較復雜的控制策略。

3.3企業(yè)管理層

企業(yè)管理層由各種服務器和客戶機組成。其主要目的是在分布式網(wǎng)絡環(huán)境下。集成企業(yè)的各種信息，實現(xiàn)與internet的連接。完成管理、決策和商務應用的各種功能。首先要將監(jiān)控層實時數(shù)據(jù)庫中的信息轉(zhuǎn)入上層的關(guān)系數(shù)據(jù)庫中，這樣管理層用戶就能隨時查詢網(wǎng)絡運行狀態(tài)以及現(xiàn)場設備的工況，對生產(chǎn)過程進行實時的遠程監(jiān)控。

4.工程應用中需考慮的問題

雖然現(xiàn)場總線具有很多優(yōu)越性能，但尚無十分成熟的應用經(jīng)驗，特別是目前的標準中還包含有多種協(xié)議，給實際應用帶來了許多困難。因此，工程應用中必須精心設計，慎重考慮，在充分考慮到滿足生產(chǎn)現(xiàn)場對控制系統(tǒng)功能需求和安全可靠的前提下，盡量發(fā)揮現(xiàn)場總線設備的優(yōu)越性能。

4.1應用范圍

在沒有成熟的應用經(jīng)驗情況下，有選擇地在部分區(qū)域控制中應用并總結(jié)經(jīng)驗，不斷改進。如在火電廠中可廣泛應用于輔助車間、單回路控制區(qū)域，特別是用作遠程智能I／O與DCS系統(tǒng)混合使用，既可將DCS控制站的部分簡單算法下裝到現(xiàn)場設備，還能將現(xiàn)場設備信息及時送到操作員站、工程師站以及廠級實時監(jiān)控系統(tǒng)(sIs)和電廠管理信息系統(tǒng)(MIs)。

4.2冗余問題

目前現(xiàn)場設備級總線大多采用非冗余的單總線結(jié)構(gòu)，如果總線故障必然導致信息傳輸中斷，失去控制作用，因此在要求具有高可靠性的場合，應采取備份措施以實現(xiàn)總線和設備的冗余，以提高系統(tǒng)的可靠性。

4.3通信速率問題

目前現(xiàn)場總線尤其是設備級總線的通信速率都不高，在高速測量與控制場合以及在實施協(xié)調(diào)控制時對控制周期有嚴格要求的場合，必須考慮精確計算控制系統(tǒng)在最復雜和最惡劣的情況下的響應速度，并驗證其是否滿足工藝要求，以確保被控設備或被控過程的穩(wěn)定性。

4.4軟件組態(tài)問題

由于現(xiàn)場總線標準中包含多種通信協(xié)議，現(xiàn)場總線產(chǎn)品多種多樣，功能也各不相同，因此在工程應用中，必須對現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的組態(tài)方法、步驟和操作權(quán)限作出規(guī)定，嚴格按照軟件開發(fā)規(guī)程編制組態(tài)程序，確保系統(tǒng)的可靠性、可修改性。

4.5檢測與驗收問題

由于現(xiàn)場總線設備既具有相對獨立的測控功能，又具有聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)復雜控制的功能，因此現(xiàn)場總線的控制功能更為分散，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加獨立，但耦合程序更加復雜。因此對控制系統(tǒng)功能、響應速度和可靠性測試都更加復雜，所以在控制系統(tǒng)設計時同時考慮對系統(tǒng)自檢測與驗收方法的設計。

5.現(xiàn)場總線在火力發(fā)電廠的應用范圍

現(xiàn)場總線在火電廠的應用范圍，可以從構(gòu)成全電廠的工廠級自動化系統(tǒng)的整體來綜合考慮。面對火電廠多項實時性要求高、系統(tǒng)復雜的過程監(jiān)視和控制任務，采取DCS與FCS共存，發(fā)揮兩者各自的優(yōu)勢，是現(xiàn)階段可選的方案。基于這種想法，初步提出以下FCS的應用范圍：

1)采用PLC可編程控制器實現(xiàn)監(jiān)控的全廠輔助公用系統(tǒng)，選用遵循現(xiàn)場總線通信協(xié)議的PLC可編程控制器，對火電廠多個輔助公用系統(tǒng)實現(xiàn)監(jiān)控，通過現(xiàn)場總線通信技術(shù)，建立全廠輔助公用系統(tǒng)PLC網(wǎng)絡，提高電廠的監(jiān)控和管理水平。

2)地域分散的單沖量調(diào)節(jié)項目。

3)地域分散的獨立的電動閥或電動機。

4)全廠的設備狀態(tài)檢修，設備管理系統(tǒng)。

5)電廠改造過程中新增的監(jiān)控區(qū)域，且DCS已不便修改的項目，可按區(qū)域采用FCS設備，實現(xiàn)現(xiàn)場控制。

6.結(jié)語

合理規(guī)劃電廠的自動化和信息化架構(gòu)，降低工程造價，提高電廠自動化和信息管理水平，投資方、建設方以及設計院，同設備供應商一道推動現(xiàn)場總線技術(shù)在電廠的應用，享受新技術(shù)帶來的效益和成果。