浅谈现场总线在电厂的应用__墨水学术,论文发表,发表论文,职称论

所属栏目：电力论文范文发布时间：2011-02-25浏览量:201

副标题#e#【摘要】本文概述了现场总线技术的特点及现状，对比FCS与DCS之间的优点和不足，分析了现场总线在电厂应用过程中存在的问题及使用现状，展望FCS的发展前景。
 关键词  现场总线  FCS  DCS
 1． 前言
随着科学技术的发展，电厂控制过程对现场信号的采集、传输和数据转换提出了更高的要求。现场总线FCS是安装在生产过程区域的现场设备、仪表与控制室内的自动控制系装置之间的一种串行、数字式、多点通讯的数据总线。它与DCS的本质差异在于现场级设备的数字化、网络化，实现了控制装置与现场装置的双向通信，消除了生产过程监控的信息“盲点”。
对比传统的DCS，FCS具有巨大的优越性。但到目前为止，在国内电厂中，全面和系统地应用现场总线控制系统的非常少。对比传统的DCS，笔者就这个问题进行探讨。
2． 现场总线的标准
根据2001年8月经过修订IEC61158国际标准制定出10种类型的现场总线标准（第三版），分别为：
Type 1 TS61158现场总线
Type 2 Control Net 和Ethernet/IP现场总线
Type 3 Profibus现场总线
Type 4 P-Net现场总线
Type 5 FF HSE现场总线
Type 6 Swift Net现场总线
Type 7 WorldFIP现场总线
Type 8 Interbus现场总线
Type 9 FF H1 现场总线
Type 10 PROFInet现场总线
3． 现场总线技术的主要特征
在FCS中，现场总线的主要特征是把数字通讯技术、网络技术、微处理技术集合在一起，充分体显了当今科学技术发展的数字化、模块化、网络化及互换性、兼容性、开放性的特点。可以从4个方面表述现场总线的含义。
3.1现场通讯网络：传统的DCS项目中，通讯网络的终点是控制站或者IO站，现场仪表仍是采用4-20MA 模拟信号进入控制系统。而现场总线技术可以使用一条通讯电缆将现场设备连接，用数字化信号代替模拟量信号，完成现场设备控制、监测、远程参数化等功能，实现真正意义上的现场通讯网络。
3.2互操作性：不同厂商制造的设备，只要支持相同的总线通讯协议，就可以集成在一个系统内，相互通讯运用同一个软件进行组态，实现系统组态策略。
3.3分散功能：在FCS系统中，将传统输入、输出IO控制站的一些功能分散的分配给现场智能执行器、智能变送器、智能控制仪表、智能马达控制器等，提高了智能化和数字化水平，大大提高了系统的可靠性。
3.4开放式互联网络：现场总线为开放式互联网络，既可以同类网络互联，也可以与不同网络互联（如TCP/IP）。
4现场总线的优缺点
4.1现场总线的优点
现场总线技术开发的出发点就是要为用户提供开放的、具有可互操作性、可互换性和统一标准的测量和控制产品，克服传统DCS和PLC等含有专利性技术的控制系统所带来的封闭性问题，集成最佳的生产过程控制系统，降低工程项目的建造和运营成本，提高企业的竞争力。与传统的PLC点对点的控制方法相比，现场总线控制系统具有无可比拟的优势。 
4.1.1.具有较高的性能价格比，降低了系统及工程成本。由于导线、连接附件的大幅度的减少，从而也使接线端子、电缆桥架等附件大幅度的减少。所以设计、安装、调试、维护的费用大幅度地减少；强大 的故障诊断能力，使系统的调试和维护工作量也大幅降低。 
4.1.2.系统集成能力，可靠性、可维护性提高。系统具有强大的自动诊断、故障显示功能，且减少了大量接线点造成的不可靠因素。
4.1.3采用数字信号通讯，有效提高系统的测量和控制精度。各种开关量、模拟量信号就近转变为数字信号，避免了信号的衰减和变形。
4.2 现场总线的缺点
   作为一个新兴的技术，现场总线技#p#副标题#e#术虽然发展迅速，但也有自身的缺点
4.2.1  现场总线的噪音问题
由于所有的现场设备完全连接到现场总线的网络当中 ，连接处必然使用TAP接头，这种接头长期处于较为恶劣的现场环境中，就会出现网络噪音现象，继而出现设备与网络连接错误的报警，所以现场总线对现场条件要求较为苛刻，每次停机都要进行检查。
4.2.2  冗余问题
  现场总线设计思想，低速部分是不要冗余的，因为现场总线已经分散了危险，现场仪表在现场可以自成调节回路自主调节。但一旦总线故障，虽然可以依靠就地进行完成调节，但运行人员无法监测到系统运行情况。
4.2.3 维修及对旧的系统升级改造成本较高
  假如把旧的DCS系统改造为FCS系统，现场的所有设备及电缆都需重新换掉，加上支持现场总线的设备相对较少，价格较高，都增加了DCS换代的成本，加大了难度。
5 现场总线在火力发电厂的应用
    火力发电厂系统I/0测点多，现场装置多且密集，设备立体布置，厂域高度集中，并要求运行高可靠性。火电厂主机DCS系统、脱硫DCS系统以及主要辅机程控系统，都存在可靠性要求高、监控设备和对象多而复杂、实时性要求高等特点。特别是主机DCS系统，涉及数百台压力和差压变送器，数百台电动或启动执行机构，数百个温度测点，系统要进行复杂的闭环控制、串级控制、三冲量控制、比率控制，要进行设备连锁控制，要进行复杂的锅炉燃烧管理、机炉协调控制，汽机控制、时间顺序控制(SOE)要求ms级响应速度。所有这些都需要有高可靠性的控制系统来保证整个生产过程的安全、稳定、可靠运行，但目前的现场总线系统(FCS)还不能完全满足这些要求。
    随着DCS和FCS的发展，目前两种系统在技术上己进行了充分的融合，大部分DCS系统生产厂商，提供并生产的控制系统(控制器)，均具备接入传统I/0模件与现场总线接口模件，使得DCS系统的数字通讯功能延伸至现场智能设备，这一通讯功能的扩展，使得DCS可以通过现场总线采集现场智能设备的更多信息，如启动次数、寿命计算、故障诊断报警等信息。这些信息是传统DCS系统用传统方式不能得到的。这样融合两种技术优点的DCS系统为火力发电厂自动化系统提供了更好的选择。在技术层面上，由于在DCS系统中采用现场总线大大提高了系统信号的抗干扰能力，提高了系统整体可靠性;同时现场总线的使用，也使得从热工过程到系统的信号转换环节减少，系统整体精度提高另外现场总线预制电缆的使用，大大减少了传统手工作业的镶钉端子数量，从而提高了系统的整体安全性。在运行层面上，由于采用现场总线系统，系统的监控范围从传统的系统端子排扩展到全厂，真正实现了全厂监控;同时由于可方便采集设备的管理、诊断及维修信息，使系统具有完善有效的设备诊断功能，真正实现现场设备的远程编程和维护，真正实现了全厂数据的集中管理，使设备的状态检修成为可能，提供更多的设备信息使操作和维护得到优化。在投资层面上，由于采用现场总线，大幅减少了控制柜的数量，大幅减少了电缆数量和电缆桥架的数量，从而大幅减少了施工和工程的费用。同时缩短了工程调试周期并减少了维护量，因此减少了项目的综合投资。
但目前还有以下主要问题制约着基于现场总线的控制系统在火电厂中的广泛应用:
    •现场总线标准很难在几年内得到统一，使之配套的产品无法做到通用性，使得在进行设备选型和备件储备上增加困难。
    •现场总线技术尚未普及应用，在实际工程应用中技术配套将有阻碍。设备厂家、设计、安装、调试单位及电厂专业人员对现场总线技术的掌握都十分有限。
    •现场总线虽然#p#副标题#e#可以实现总线供电，但由于其供电能力有限，不能满足多个设备的需要，在这样的应用场合，还需要提供另外的供电电缆和相应的配电器。采用同一总线供电的设备，当其中一台电源系统故障，有可能影响与之相连的所有设备，降低了系统的可靠性。
    •现场总线设备由于运算能力与DCS相比差的很大，对电厂机组的高级控制策略需要DCS完成，只有简单的控制策略在现场总线设备完成，在标准不统一的情况下，DCS很难做到兼容各种标准，也给实际的设计、调试带来很大的困难，现场维护人员也很难将设备系统维护好。
    •对于电力系统要求高可靠性，有些现场总线设备部件还不能完全满足高可靠性要求，在高温区域电子设备的散热冷却问题解决不好等均将影响现场总线技术的推广。
    •国内电力系统现场总线设备工程应用较少，厂家科研成本难以摊薄，现场总线技术执行器及热控元件价格较普通设备高30%~50%，在小范围实施现场总线节约施工费用及电缆费用不明显。
    •电厂技术人员对现场总线的了解还很不够，社会上对现场总线设备的技术支持力量和支持深度还满足不了实际的需要。
   6．结论
目前虽然现场总线在火力发电厂全面应用还存在许多现实问题，但凭借自身的技术优势及良好的发展前景，在不久的将来必将成为技术发展及实际应用的主流。所以要积极稳妥地进行推广应用现场总线，积累丰富的实践经验，以应对数字时代的挑战。