现场总线技术在数字化电厂中的应用范围及投资分析

1、现场总线技术在数字化电厂中的应用范围及投资分析黄冬兰吴国瑛（广东省电力设计研究院广州510663 ）【摘 要】数字化电厂是火力发电厂发展的热点及趋势， 数字化电厂的本质是信息化， 现场设备的数字化是实现数字化电厂的基础， 现场总线技术是实现现场设备数字化的关键。 现场总线在火力发电厂的大范围应用是必然的， 但是目前由于各种原因， 我们还需要在实际工程应用中进行慎重分析。本文主要论述了现场总线在数字化电厂中的应用范围及投资分析。【关键词】 现场总线Profibus基金会现场总线数字化电厂应用范围投资分析0引言按照国际电工委员会IEC61158 的定义，现场总线（fieldbus）为：“安装在制造

2、或过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行、 双向、多点通信的数据总线称为现场总线”；由现场总线和现场智能设备组成的控制系统称为现场总线控制系统通称为FCS（ Fieldbus Control System）。数字化电厂是近年来火力发电厂发展的一个热点,现代火力发电机组，特别是大容量、 高参数机组，其复杂程度越来越高，对这样的机组的操作、控制和检修的要求也越来越高。数字化电厂是在传统的火力发电站的基础上发展起来的，它通过应用一系列先进的科学技术、融入现代化的管理思想，旨在解决火力发电厂管理粗放水平低下、发电能耗高、污染物（气、水、渣）排放严重、辅助系统运行不稳定、设备故障率

3、高、自动保护投入率低、运行人员多的现状，最终实现火力发电站现代化的运营和管理，达到企业运营成本最小、发电能耗最低、污染物零排放（废气达标排放）、设备可用系数高、人均产值高。数字化电厂目的是为了实现电厂的现代化运营和管理，而电厂的现代化运营和管理是要以大量的数据信息为基础的，传统的DCS系统是模拟量、开关量、数字信号混合系统信号制，而且是单向的、一对一的，无法满足实现数字化电厂的需求。现场总线技术的发展有望解决这一难题。目前，火电厂厂级和机组（车间）级这二级已经实现数字化 ( 工业以太网备级绝大部分尚未实现数字化，这是目前数字化电厂建设中的一个瓶颈。) ，但是现场控制设火电厂现场总线的应用将更侧

4、重于现场设备的数字化及由此数字化而带来的种种益处，在于纯粹意义上的FCS应用。智能现场设备是FCS的硬件支持、双向数字通信的基础载体、而不设备状态信息的来源，是现场控制设备级实现数字化的基础条件。由于现场总线技术的出现，推动了现场智能设备和智能仪表的发展，促进了传统DCS 系统和 PLC 系统的融合，并推动了FCS（以现场设备为基础形成的网络集成式全分布控制系统)的出现、发展和广泛应用。1适用于过程控制的现场总线控制系统（FCS ）现场总线的种类很多，适用于电厂过程控制的现场总线( 或称之为主流产品) 有：1基金会（ FF）现场总线 ( 有带控制功能的智能现场装置)2.Profibus现场总线

5、 ( 尚未开发用于闭环控制的功能块)3.WorldFIP现场总线 ( 尚未开发相应的智能现场装置)目前火电厂较普遍应用的是基金会现场总线（FF）和 Profibus现场总线。1.1 FF 现场总线控制系统通信模型：物理层低速总线 H1： 31.25kb/s高速总线 HSE(H2)： 100Mb/s( 高速以太网）数据链路层通信栈调度 / 周期通信：按传输时间表，有规律的“广播”通信方式。非调度 / 非周期通信：令牌通信方式。用户层标准用户程序模块功能块： 10个标准功能， 19 个高级控制功能，4 个附加功能块及柔性功能块(注4)。设备描述DD：实现互操性的重要环节(EDDL：增强型设备描述语

6、言) 。1.2Profibus现场总线控制系统通信模型：物理层 DP、 FMS为 RS 485 传输， 9.6k 12Mb/s( 传输距离直接影响速度)PA为 IEC1158 传输， 31.25kb/s数据链路层采用一致的总线存取协议：令牌和主从令牌：主站与主站之间通信主从：主站与从站之间通信用户层实现不同厂家设备的互换和互操性电子设备数据文件（GSD、 EDD）2现场总线应用分析虽然 FCS系统现有的技术在大型火电机组上全面应用还存在一些难点， 但是，利用 FCS系统的现有技术， 积极开展 FCS系统在大型火电机组局部控制领域的应用， 不仅有可为， 也是十分重要的。通过工程实践可以让我们更深

7、入的认知和掌握 FCS系统技术， 这种深入的认知对于进一步开发、研究 FCS系统用于大型火电机组的难点是十分重要的，也是必须的。另一方面， 只有通过工程应用实例才能使人们深入了解和认识并且验证 FCS的优越性。2.1DCS与FCS的联系与差别1) FCS是在 PLC、 DCS的基础上发展起来，不仅具备二者特点，而且是标志性的技术进步。2) FCS继承了 DCS分级、层次化的拓扑结构。3) FCS不仅强化了 DCS分散控制的思想，而且进行了彻底性的技术变革。4) 信号制： DCS系统采用的是模拟量、开关量、数字信号混合系统信号制，而且是单向的； FCS 系统采用的是全数字、双向通信现场总线信号制

8、。5) 现场装置： DCS系统使用的是模拟式单功能仪表、变送器、执行机构。虽然有时也称之为“智能”现场装置，主要是指在装置安装调试期间的智能功能；FCS系统使用的是全数字化、智能、多功能现场装置。带有控制器功能，除能输出数字化的工艺参数信号外，还能输出数字化的状态信号。2.2电厂控制系统的特殊性电厂控制系统一贯以来都有对运行可靠性的“特殊要求”，对新技术、 新装置既渴望又保守的矛盾态度。电厂系统具有：I/O测点密集、现场装置密集、设备立体布置（厂域远小于石油、化工企业）、控制功能和控制策略复杂等特点。一些在安全系统中的核心技术( 如冗余技术、三重化技术、四重化技术、高度自诊断技术等) 已被证明

9、对提高安全性是卓有成效的。现场总线采用冗余技术将使系统变得异常复杂，同时使成本大幅度提高，这有悖于开发现场总线的初衷。前还未有任何一个FCS可以应用于安全联锁及紧急停车系统。因此，FCS不能替代故障安全控制系统应用在安全联锁及紧急停车系统中。目电厂控制系统还存在自动化监控系统复杂（包括 DAS、FSSS、MCS、SCS、DEH、ECS等六大系统）；机炉协调控制涉及设备多、信息量大、控制复杂；汽机控制、 SOE要求 ms级响应速度等等一系列要考虑的问题。基于以上原因，只有在充分理解FCS的机理、与DCS、 PLC的差异以及运用中可能存在的难题，充分协调考虑安全性和经济性的原则下，才能将现场总线技

10、术真正运用于工程实践，体现现场总线的优越性。3现场总线应用范围现场总线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【4】：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，立全厂辅助公用系统PLC 网络，提高电厂的监控和管理水平。建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

11、动机。4)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。3.1辅助车间（系统）全面推广应用现场总线系统相对于机组级系统而言，辅助车间 （系统） 重要性及对整个电站安全性的影响程度相对弱一些，且有一定“时间段”的缓冲。另一方面辅助系统多为开关量顺序控制， PLC有优势，且主流PLC均具有成熟的现场总线通讯能力。对于辅助车间（系统）少量模拟量闭环控制， PLC完全可以胜任。目前现场总线技术在国内燃煤电厂辅助车间系统已有大范围应用的业绩。通过在这些应用中得到的经验， 我们得出在应用的过程中需要注意的一些问题。例如： 由于新建电厂辅助车间系统如输煤系统

12、、干灰输送系统、电除尘系统、凝结水精处理系统、化学加药系统、汽水取样系统、循环水加氯系统、 污水处理系统等往往采用分岛招标形式，分岛招标中工艺设备与控制系统及仪表常又打捆供货， 造成控制系统及仪表由多个供货商提供；另一方面， 现场总线技术就目前而言还是较新的技术， 各辅助系统工艺设备供货商对现场总线仪表及控制系统还缺乏了解，业绩较少，在这种情况下， 如果由各辅助系统工艺设备供货商提供现场总线设备及控制系统可能会对电厂辅助控制系统的质量和建设工期有所影响。因此， 现场总线技术在全厂辅助车间系统上的应用，必须采取工艺设备单独分岛招标、控制系统集中招标的形式才有可能实现，根据单元机组现场总线方案设计

13、原则，结合辅助车间工艺特点，全厂统一规划技术要求，尽早安排， 确保辅助控制系统的质量和建设工期满足要求。锅炉补给水处理系统、 废水处理系统、 净水站等辅助车间系统可优先考虑采用现场总线技术。3.2FCS 应用至大容量电厂机组级控制通过工程实践，取得了开发、设计、调试、运行FCS的第一手经验( 含教训 ) ，之后，应将FCS应用延伸至大容量电厂机组级控制。机组级控制应用FCS要考虑的问题很多，诸如： 现场总线标准选择、重要控制与安全回路应用、马达控制、 DCS系统选择、就地智能设备、就地智能设备控制功能的应用、设计确认、现场总线网段设计、通讯、兼容试验、通讯速率、工程时间网络图安排等等。基于目前

14、国内的应用情况，用于数据采集和简单控制的对象完全可以纳入现场总线控制范围。1) 智能变送器用于数据采集和简单模拟量控制的变送器选为带FF 或 PROFIBUS/PA的现场总线型变送器，通过总线接入DCS系统；由于目前发电厂所配的智能变送器（如压力、差压变送器），都是带有HART通讯功能的智能变送器，其它变送器可通过HART 总线送入DCS（带 HART协议的 IO 卡或 HART协议多路转换器），通过安装于上位管理机的专用管理软件可对设备进行监视、管理和调整。采用专用管理系统在提高工作效率、增强机组安全经济性方面有很大作用。采用传统方法在检修或日常维护工作中，要对检验的压力、差压变送器进行解列

15、/ 投运、停电 / 送电、拆线 / 接线、拆 /装等工作，检验一台变送器需要使用中、高级检修工1.5 个工作日。采用上述配置后，变送器检验工作全在电脑中完成，检验一台变送器只需约15 分钟，大大提高了工作效率、充分利用智能变送器的功能，迅速查明故障原因，缩短故障排除时间。2)电动门现场总线电动门用于对安全特性无特殊要求的自动控制任务（如汽水循环、 烟气系统和机组协调），对于对安全特性有特殊要求的自动控制任务（如锅炉保护和燃烧器管理等）及用于汽轮发电机的闭环控制设计（如DEH等）不采用现场总线。实际工程中现场总线电动门的总线网络可局部按等级考虑采用冗余通讯网络，以确保控制网络的可靠性。3)电动机

16、从电厂电动机采用现场总线控制情况来看，电动机采用现场总线控制在电厂实际运行中已证明是可靠的，而且也已积累了一定的经验。在工程中可根据电动机的电压情况进行分别对待：400V 及以下电机采用现场总线方式控制，所有信号都通过现场总线与分散控制系统连接，对于6kV 电机，启、停指令信号及电机已启、已停信号可通过硬接线信号进入分散控制系统，其它信号可通过总线方式进入分散控制系统。4 技术经济分析4.1分散控制系统采用现场总线方式后，对于分散控制系统（DCS）而言， I/O 卡件可以减少，但通讯模件却要大量增加，总体价格会增加15%左右。但随着现场总线的推广，应用的增加，卡件的价格也会相对降低。4.2 现

17、场设备1) 电动门进口电动门新建工程项目中， 系统设计的电动门大多数已要求采用智能机电一体化产品，在这种情况下，通过进一步明确现场设备应符合的总线标准，即可将设备接入现场总线系统，成本增加不大。 平均每个进口现场总线电动门约比进口智能一体化电动门贵1 万元人民币左右【注 1】。国产电动门目前国产电动门执行机构已具备支持现场总线功能，但国产电动门执行机构目前尚无现场总线应用业绩， 采用应谨慎。 如果电动门执行机构全部采用进口设备，而进口现场总线电动门执行机构与国产的差价较大，平均每台差价约为3 万元人民币 【注 1】 。2) 电动机电动机控制单元大批量采用现场总线智能控制单元后，每台电动机的现场

18、总线智能控制单元，比常规控制单元贵5 千元人民币左右【注 1】 。3) 现场变送器由于目前电厂采用的压力、差压变送器等基本上都带有HART总线协议接口，所以变送器采用 HART协议进入分散控制系统对现场一次设备而言不增加任何费用。对于采用 FF 或 PROFIBUS/PA的现场总线型变送器，每台贵1 千元人民币左右【注 1】。4) 电缆采用现场总线技术可以节约电缆、电缆桥架等安装材料。常规分散控制系统方案， 每个电动调节阀与分散控制系统之间需敷设2 根控制电缆， 每个电动关断门与分散控制系统之间一般需敷设 1 根控制电缆，每个电机与分散控制系统之间约需2 3 根控制电缆，每根电缆平均长度约为1

19、20 米。采用现场总线技术后只需少量的通讯电缆。电缆的投资变化视采用现场总线范围而不同，全范围采用时，电缆桥架、电缆保护管等材料和安装可节省73费用及工作量。4.3 辅助系统辅助系统采用现场总线与采用可编程控制器（PLC）相比，会减少一些I/O 卡件，但同时也需增加一些通讯卡件， 可以在一对双绞线或一条电缆上就可以挂接多个设备，可以节约大量电缆，节约安装费用， 但同时由于要采用的仪表是数字化和智能化的现场总线仪表，目前其价格要比普通的仪表要贵，所以综合比较下来，在经济上基本持平。综合以上的经济比较，采用现场总线方案约比采用常规分散控制系统方案每台机组需增加费用 500 万元左右。5现场总线在数

20、字化电厂中的应用效益5.1现场总线系统的真正效益很多人一提到现场总线， 就会联想到一根总线上可挂很多仪表， 甚至是全系统的仪表。 其实不然，在有本安要求时，每条现场总线上最多只能挂接 8 台现场总线仪表 ( 除此之外还受供电限制、运行速度等限制) 。现场总线也可作点对点的配置，即每条总线挂2 个节点的配置。在做一个具体的方案时，仍然可以按照风险分散的原则而并非省电缆的原则对现场总线进行配置，完全可以获得一个安全性与传统的420mA方案一样的FCS。采用现场总线的目的不仅仅是为了节省电缆（节省电缆只不过是现场总线技术表层的优点，采用DCS PLC的远程 I O 也可达到类似效果），其真正意义在于

21、它避免了智能现场仪表与智能控制室装置之间的非智能连接，可以从现场设备获得丰富的信息，这才是现场总线技术独有的本质优越性。5.2电站整个生命周期的成本节约初期的成本节约表现在较低的购买成本、 工程设计与安装费用。 长期的成本节约则包括因有了网络化的设备管理所带来的较低的维护及运行成本，还有较低的扩建及改造费用。运行、维护成本节约表现在：1)由于现场总线设备具有更多的故障自诊断能力，并通过数字通信方式将诊断维护信息送往控制器，管理人员通过控制器的资产管理系统(AMS)查询所有仪表设备的运行情况，诊断维护信息， 寻查故障， 以便早期分析故障原因并快速排除，仪表设备状况始终处于维护人员的远程监控之中。 根据 AMS系统提供的信息准确地制定大修或抢修的作业计划和备件储备，不必进行现场设备的周期性轮流解体检修，缩短停工维修时间，节约维修费用，降低生命周期成本。2) 实现包括基础自动化、管理自动化和决策自动化的高层次综合自动化是电厂必然选择。充分信息化是基础。 FCS是消灭火电厂“信息孤岛”的最好武器： FCS的现场智能设备能将大量现场信息送上通信网络，这是 DCS、 PLC无法实现的。这些实时信息为企业综合自动化所必需。也是发电集团企业信息集成的基础。3) FCS在提供高层次控制、管理性能的同时，使系统在其生命周期中的投资大大低于S。电厂在重视长期的综