宁海二期百万机组国产化设计脱硫DCS现场总线控制系统施工

1、现场总线（FCS）的应用作者：朱宝祥 单位：天津电建宁海项目部摘要：现场总线系统的技术含义、技术特点和技术优势；对现场总线控制系统(FCS)与集散控制系统(DCS)的优缺点进行了分析比较；现场总线的实际应用；对现场总线线控制系统的发展现状提出了新的要求。关键词：现场总线；开放性；互操作性；自治性；分布式控制系统。工业控制从早期的就地控制、集中控制，已经发展到现在的集散控制(DCS)，在过去的30年中，DCS系统广泛应用于化工、石油、电力等工业过程，基本上满足了大、中、小控制工程的需求。但是DCS系统并非尽善尽美，DCS系统基本上是采用一对一连线，4-20mA模拟信号是DCS系统及现场设备相互连

2、接的最本质特点，致使设备与设备之间、系统与系统之间、系统与外界之间无法进行信息交流在一定程度上成为”信息孤岛”。然而现在，数字化和网络化成为当今控制网络发展的主导方向。人们意识到传统的模拟信号只能提供原始的测量和控制信息，而智能变送器在420mA信号之上附加信息的能力又受其低通信速率的制约，所以对整个过程控制系统的机制进行数字化和网络化改革，应是其发展的必然趋势。现场总线（Fieldbus）是以现场总线为基础贯穿于生产现场，应用在测量、执行机构(过程控制现场仪表)和控制设备(控制室操作站)之间实现双向、串行、多节点数字通信的控制系统，也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。实质上它是将

3、DCS、PLC控制系统的远程分散在现场的控制器(控制站)和I0的现场总线功能延伸到现场的测量控制仪表、执行器。基于现场总线的控制系统被称为现场总线控制系统（FCS，Fieldbus Control System）。FCS实质是一种开放的、具有的、彻底分散的分布式控制系统。一、FCS相比DCS的优势现场总线控制系统主要由现场总线仪表(智能仪表)、控制器、现场总线线路、监控组态计算机组成，具有全数字化、全分布、双向传输自诊断、节省布线及控制空间、多功能仪表、智能化与自治性、开放性等特点。现场总线系统的本质特征是使用有现场总线通信能力的智能现场仪表设备，这些可通信智能现场仪表设备所构成的网络站点，不

4、仅具有竖向(与系统)通信也具有横向(节点之间)通信的能力。1.现场总线的技术特点现场总线技术以数字信号取代模拟信号，在3C(Computer计算机、Control控制、Commcenication通信)技术的基础上，大量现场检测与控制信息就地采集、就地处理、就地使用，许多控制功能从控制室移至现场设备。现场总线技术不仅是一种通信技术，它实际上融人了智能化仪表、计算机网络和开放系统互连(OSI)等技术的精粹。1.1开放性由于DCS的不彻底的开放性， 不同厂家的产品不能互换、互联、限制了用户的选择范围。而FCS具有开放性，系统的通信协议一致公开，各不同厂家的设备之间可实现信息交换，通过现场总线可组成

5、开放互连系统。开放系统把系统集成的权利交给了用户，用户可按自己的需要和条件把来自不同供应商的产品组成系统。1.2智能化与自治性FCS系统具有高度的分散性，这就要求现场仪表或设备具有高度的智能化与功能自主性，它可以由现场设备组成自治的控制回路，将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场设备中完成，仅靠现场设备即可完成自动控制的基本功能，并可随时诊断设备的运行状态，从而减少了由于控制站故障的原因而引起的机组停运、设备损坏等事故发生。从根本上改善了现有DCS集中与分散相结合的集散控制系统的不足。1.3控制系统的高精度DCS系统的信息全都是二进制或模拟信号形成的， 必须有D/A与A/D转换

6、。而FCS系统是全数字化，免去了D/A与A/D变换，高集成化、高性能，精度可从0.5提高到0.1 。2.现场总线的优点所有这些特点使得以现场总线技术为基础的现场总线控制系统(FCS)相对于传统DCS系统具有巨大的优越性：2.1节省投资FCS系统由于信息处理现场化，能直接执行多种传感、控制、报警和计算功能，因而可减少变送器的数量，不再需要单独的控制器、计算单元等，也不再需要DCS系统的信号调理、转换、隔离技术等功能单元及其复杂接线，与DCS系统相比，可以省去相当数量的隔离器、端子柜、I/O终端、I/O卡件、I/O文件及I/O柜，同时也节省了I/O装置及装置室的空间与占地面积，有专家认为可达60。

7、FCS系统还可以减少大量电缆与敷设电缆用的桥架等，同时也节省了设计、安装和维护费用，有专家认为可达66。2.2节省安装费用现场总线系统的接线十分简单，由于一对双绞线或一条电缆上通常可挂接多个设备,因而电缆、端子、槽盒、桥架的用量大大减少，连线设计与接头校对的工作量也大大减少。当需要增加现场控制设备时，无需增设新的电缆，可就近连接在原有的电缆上,既节省了投资,也减少了设计、安装的工作量。2.3节省维护开销由于现场控制设备具有自诊断与简单故障处理的能力，并通过数字通讯将相关的诊断维护信息送往控制室，用户可以查询所有设备的运行，诊断维护信息，以便早期分析故障原因并迅速排除。同时由于系统结构简化，连线

8、简单而减少了维护工作量。2.4用户具有高度的系统集成主动权用户可以自由选择不同厂商所提供的设备来达到最佳的系统，集成FCS系统可以将PID闭环控制功能装入变送器或执行器中，缩短了控制周期，目前可以从Dcs的25次/S，提高NFcs的1020次/S，从而改善调节性能。避免因选择了某一品牌的产品而限制了设备的选择范围，不会因系统集成中不兼容的协议、接口而一筹莫展，使系统集成过程中的主动权完全掌握在用户手中。2.5远程诊断、维护和组态DCS系统可以控制和监视工艺全过程，对自身进行诊断、维护和组态。但是，由于其自身的致命弱点，其IO信号采用传统的模拟信号，无法在DCS工程师站上对现场仪表(含变送器、执

9、行器等)进行远程诊断、维护和组态。FCS系统采用全数字化技术，数字智能现场装置发送多变量信息，而不仅仅是单变量信息，并具备检测信息差错的功能。FCS系统采用双向数字通信现场总线信号制。因此，它可以对现场装置(含变送器、执行器等)进行远程诊断、维护和组态。FCS系统这点优越性是DCS系统无法比拟的。二、火电厂FCS的发展前景FCS以其高精度、双向性、开放性、网络化、方便而低价的扩充性，今后将逐渐取代DCS的现场控制功能，而DCS在监控、管理、和决策方面将会扮演更加重要的角色。在设计中应更多地考虑FCS与DCS的集成，保留了DCS丰富的监控、协调管理功能，另一方面也发挥了FCS网络化、分散化控制的

10、优势，从而提高生产过程的综合自动化水平。将来的控制系统：FCS处于控制系统中心地位，兼有DCS系统思想的一种新型控制系统。三、火电厂FCS的实际应用研究和实施我们都知道工程技术是实践技术，在应用中是不允许失败的。因此示范工程对工程设计来讲十分重要。当然在设计时也不能生搬硬套，必须根据国情和工程的实际情况，通过调查研究，学习消化和吸收提高。可以用渐进的办法，先在外围或者辅助设施上，进而在主机不太关键的部位上采取措施进行试验，取得成功后再逐步扩大。国华宁海电厂二期2100W机组脱硫系统是现场总线试点工程。FGD系统采用现场总线(FCS)的范围如下：受控设备（包括大部分电气低压控制设备）及仪表（变送

11、器及分析仪表）均采用FCS系统。1.1 网络设计，是系统设计的重点：1.2 系统组成：1.2.1控制器：PLC（高性能冗余CPU系统）；1.2.2现场总线：Profibus-DP、Profibus-PA；1.2.3现场总线仪表：PA雷达液位计、PA压力/差压变送器、PA差压式液位计、PA流量计、PA密度计、PH计等；1.2.4现场总线设备：DP电动执行机构、DP智能电机控制和保护单元(SIMOCODE)；1.2.5信息和管理软件：自主开发中文界面的诊断和管理软件对仪表进行远程诊断、参数设定等；PDM软件对变送器、CIMOCODE进行远程参数化、调试等。1.3 施工细节1.3.1 FCS系统合理

12、设计仪表、设备的地理位置及电缆桥架的走向，是优化通讯支路，仪表、设备连接的条件，同时也节省了设计、安装和维护费用。（如下扩扑结构图）：DCS的现场底层传感器和数据采集器之间采用了一对一的物理连线，所以布线的面积很大。导致现场作业量很大，需要多根导线，例如100个检测点需100根导线。FCS避免了DCS中冗余的电缆，实现了简单的接线，即一对双绞线或一条电缆上就可以挂接多个设备。如果需要新增测控设备，那么在原有的电缆上就近挂载就可以了，省去了增设新电缆的麻烦，可以减少大量电缆与敷设电缆用的桥架等。FCS系统比DCS系统更好地体现了“信息集中 控制分散”的思想。1.3.2安装、接线的数量减少，但要求

13、有提高，优化安装工艺；1.3.2.1 什么是 PROFIBUS DP？PROFIBUS DP 是使用“DP”传输协议（DP 代表分布式 I/O）并符合 IEC 61784-1:2002Ed1 CP 3/1 标准的开放式总线系统。物理上，PROFIBUS DP 的实现方式有两种：基于屏蔽双绞线的电气网络和基于光纤电缆的光网络。“DP”传输协议有助于在控制系统 CPU 和分布式 I/O 设备之间实现快速、周期性的数据交换。1.3.2.2 什么是 PROFIBUS PA？PROFIBUS PA 是 PROFIBUS DP 的通讯兼容扩展，包含可在潜在的易爆区域实现各种应用的传输技术。自 PROFIB

14、US PA 进行的传输符合国际标准 IEC 61784-1:2002 Ed1CP 3/2。PROFIBUS PA 使处于潜在易爆区域中的传感器和控制设备可与自动化系统进行长距离通讯。使用 PROFIBUS PA，可通过数据引线同时对现场设备供电。1.3.2.3 PROFIBUS PA（DP）电缆的连接步骤：1.3.2.3.1按照说明使用总线电缆专用剥线工具剥去总线电缆的绝缘层并使编织屏蔽层盖住绝缘层。（如下图）1.3.2.3.2用电缆夹夹住总线电缆的屏蔽层，并拧紧电缆夹。1.3.2.3.3固定连接到螺钉型端子 P+ 和 P- 的总线的接线。确保接线的极性正确。1.3.3设置 PROFIBUS

15、地址和冗余模式通过 PROFIBUS 地址来激活 DP/PA 耦合器的诊断功能。DP/PA 耦合器在PROFIBUS 地址为 0 的 DP/PA 连接器中是透明的。激活 DP/PA 耦合器对上和组态中的冗余模式、环型冗余或耦合器冗余。规则： 有效的 PROFIBUS 地址为 1 至 125。 每个 PROFIBUS 地址只能在 DP 主站系统中分配一次。 两个 DP/PA 耦合器的 PROFIBUS 地址必须不同。 在 DP/PA 耦合器上设置的 PROFIBUS 地址必须与组态软件中的地址相匹配。 在 DP/PA 耦合器对上设置的冗余模式必须与组态软件中的模式相匹配。 DP/PA 连接器中的

16、 DP/PA 耦合器：组态的和设置的 IM 153-2 的 PROFIBUS 地址必须匹配。四、火电厂应用FCS将带来自动化技术革命n 现场总线的技术优越性 突破信号传统的“点对点”传输，带来丰富的现场状态、诊断信息，以及远程参数调整、校正功能； 促进信息管理、设备管理、优化控制软件的开放、发展和应用； 电厂控制、管理自动化实现革命化发展，建立真正的“数字化电厂”。n 现场总线产生的新理念 网络设计，是系统设计的重点； 需要设计仪表、设备的地理位置，电缆桥架的走向，是优化通讯支路设计，仪表连接设计的条件； 安装、接线的数量减少，但要求有提高，优化安装工艺； 仪表、设备的状态能够在集控室监视，就地工作减少，但技术要求提高。五、现场总线的发展现状及展望虽然现场总线将是DCS发展的一个重要方向，现场总线技术理论上讲有着众多优点，但用户并不希望对他们现有的仪表系统做大的改动。目前在现场总线的发展的初期，大多数用户更倾向于对他们现有的仪表系统进行逐步的增添和替换。DCS系统及其仪表的消失或完全被取代，对于费用或人力而言也都是不合理的。另一方面，目前现场总线的国际标准共有12种之多。众多标准的并存，对大公司来讲好像皆大欢喜