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【論文關鍵詞】:現場總線;控制系統(tǒng);冗余;電廠

【論文摘要】:文章主要討論了現場總線的特點，闡明了基于現場總線的電廠自動化系統(tǒng)構成，著重強調了現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場總線技術在電廠應用的重要性和迫切性，提出了現場總線控制系統(tǒng)在電廠的應用設想和建議。但到目前為止，在國內已建和在建電廠中，真正意義上的全面和系統(tǒng)地應用現場總線控制系統(tǒng)的實例尚未見報道，還只是局部的試點。

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

因此現場總線控制系統(tǒng)是一種全計算機、全數字、雙向通信的新型控制系統(tǒng)。它與DCS的本質差異在于現場級設備的數字化、網絡化，實現了控制裝置與現場裝置的雙向通信，消除了生產過程監(jiān)控的信息“盲點”?？梢哉f，現場設備級的數字化、網絡化是電廠信息化管理的基礎。

2.電氣現場總線控制系統(tǒng)的特點

2.1電氣參數變化快

電氣模擬量一般為電流、電壓、功率、頻率等參數，數字量主要為開關狀態(tài)、保護動作等信號，這些參數變化快，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、勵磁調節(jié)器等保護或自動裝置均為微機型，6kV開關站保護為微機綜合保護，380V開關站采用智能開關和微機型電動機控制器，所有的電氣設備均實現了智能化，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量控制，控制邏輯十分簡單，一般無調節(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，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.基于現場總線的電廠自動化系統(tǒng)構成

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。為了使現場總線具有開放性，便于用戶選擇不同的產品，我們按照國際電工委員會(IEC)制定的IEC61158國際標準，提出了基于現場總線的電廠綜合自動化系統(tǒng)結構。此系統(tǒng)體系結構分為三層，從低到高分別為現場控制層、監(jiān)控層和企業(yè)管理層。

3.1現場控制層

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

3.2監(jiān)控層

監(jiān)控層由高速以太網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層網絡屬于現場總線的高速現場級網絡，主要用于連接現場智能設備(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絡環(huán)境下。集成企業(yè)的各種信息，實現與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)控層實時數據庫中的信息轉入上層的關系數據庫中，這樣管理層用戶就能隨時查詢網絡運行狀態(tài)以及現場設備的工況，對生產過程進行實時的遠程監(jiān)控。

4.工程應用中需考慮的問題

雖然現場總線具有很多優(yōu)越性能，但尚無十分成熟的應用經驗，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現場對控制系統(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驗情況下，有選擇地在部分區(qū)域控制中應用并總結經驗，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場設備，還能將現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

目前現場設備級總線大多采用非冗余的單總線結構，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

由于現場總線標準中包含多種通信協(xié)議，現場總線產品多種多樣，功能也各不相同，因此在工程應用中，必須對現場總線控制系統(tǒng)的組態(tài)方法、步驟和操作權限作出規(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

由于現場總線設備既具有相對獨立的測控功能，又具有聯(lián)網實現復雜控制的功能，因此現場總線的控制功能更為分散，系統(tǒng)結構更加獨立，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.現場總線在火力發(fā)電廠的應用范圍

現場總線在火電廠的應用范圍，可以從構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可編程控制器實現監(jiān)控的全廠輔助公用系統(tǒng)，選用遵循現場總線通信協(xié)議的PLC可編程控制器，對火電廠多個輔助公用系統(tǒng)實現監(jiān)控，通過現場總線通信技術，建立全廠輔助公用系統(tǒng)PLC網絡，提高電廠的監(jiān)控和管理水平。

2)地域分散的單沖量調節(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，實現現場控制。

6.結語

合理規(guī)劃電廠的自動化和信息化架構，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場總線技術在電廠的應用，享受新技術帶來的效益和成果。