1、現場總線技術在數字化電廠中的應用范圍及投資分析黃冬蘭吳國瑛（廣東省電力設計研究院廣州510663）【摘要】數字化電廠是火力發電廠發展的熱點及趨勢，數字化電廠的本質是信息化，現場設備的數字化是實現數字化電廠的基礎，現場總線技術是實現現場設備數字化的關鍵。現場總線在火力發電廠的大范圍應用是必然的，但是目前由于各種原因，我們還需要在實際工程應用中進行慎重分析。本文主要論述了現場總線在數字化電廠中的應用范圍及投資分析。【關鍵詞】現場總線Profibus基金會現場總線數字化電廠應用范圍投資分析0引言按照國際電工委員會IEC61158的定義，現場總線（fieldbus）為：“安裝在制造或過程區域的現場裝置

2、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”；由現場總線和現場智能設備組成的控制系統稱為現場總線控制系統通稱為FCS（Fieldbus Control System）。數字化電廠是近年來火力發電廠發展的一個熱點, 現代火力發電機組，特別是大容量、高參數機組，其復雜程度越來越高，對這樣的機組的操作、控制和檢修的要求也越來越高。數字化電廠是在傳統的火力發電站的基礎上發展起來的，它通過應用一系列先進的科學技術、融入現代化的管理思想，旨在解決火力發電廠管理粗放水平低下、發電能耗高、污染物（氣、水、渣）排放嚴重、輔助系統運行不穩定、設備故障率高、自動保護投入率低、運

3、行人員多的現狀，最終實現火力發電站現代化的運營和管理，達到企業運營成本最小、發電能耗最低、污染物零排放（廢氣達標排放）、設備可用系數高、人均產值高。數字化電廠目的是為了實現電廠的現代化運營和管理，而電廠的現代化運營和管理是要以大量的數據信息為基礎的，傳統的DCS系統是模擬量、開關量、數字信號混合系統信號制，而且是單向的、一對一的，無法滿足實現數字化電廠的需求。現場總線技術的發展有望解決這一難題。目前，火電廠廠級和機組（車間）級這二級已經實現數字化(工業以太網)，但是現場控制設備級絕大部分尚未實現數字化，這是目前數字化電廠建設中的一個瓶頸。火電廠現場總線的應用將更側重于現場設備的數字化及由此數字

4、化而帶來的種種益處，而不在于純粹意義上的FCS應用。智能現場設備是FCS的硬件支持、雙向數字通信的基礎載體、設備狀態信息的來源，是現場控制設備級實現數字化的基礎條件。由于現場總線技術的出現，推動了現場智能設備和智能儀表的發展，促進了傳統DCS 系統和PLC 系統的融合，并推動了FCS（以現場設備為基礎形成的網絡集成式全分布控制系統) 的出現、發展和廣泛應用。1適用于過程控制的現場總線控制系統（FCS）現場總線的種類很多，適用于電廠過程控制的現場總線(或稱之為主流產品)有：1基金會（FF）現場總線(有帶控制功能的智能現場裝置)現場總線(尚未開發用于閉環控制的功能塊)現場總線(尚未開發相應的智能現

5、場裝置)目前火電廠較普遍應用的是基金會現場總線（FF）和Profibus現場總線。FF 現場總線控制系統通信模型：物理層低速總線H1：高速總線HSE(H2)：100Mb/s(高速以太網）數據鏈路層通信棧調度/周期通信：按傳輸時間表，有規律的“ 廣播”通信方式。非調度/非周期通信：令牌通信方式。用戶層標準用戶程序模塊功能塊：10個標準功能，19個高級控制功能，4個附加功能塊及柔性功能塊(注4)。設備描述DD：實現互操性的重要環節(EDDL：增強型設備描述語言)。 Profibus現場總線控制系統通信模型：物理層DP、FMS為RS485傳輸， 12Mb/s(傳輸距離直接影響速度)PA為I

6、EC1158傳輸，數據鏈路層采用一致的總線存取協議：令牌和主從令牌：主站與主站之間通信主從：主站與從站之間通信用戶層實現不同廠家設備的互換和互操性電子設備數據文件（GSD、EDD）2現場總線應用分析雖然FCS系統現有的技術在大型火電機組上全面應用還存在一些難點，但是，利用FCS系統的現有技術，積極開展FCS系統在大型火電機組局部控制領域的應用，不僅有可為，也是十分重要的。通過工程實踐可以讓我們更深入的認知和掌握FCS系統技術，這種深入的認知對于進一步開發、研究FCS系統用于大型火電機組的難點是十分重要的，也是必須的。另一方面，只有通過工程應用實例才能使人們深入了解和認識并且驗證FCS的優越性。

7、DCS與FCS的聯系與差別1)         FCS是在PLC、DCS的基礎上發展起來，不僅具備二者特點，而且是標志性的技術進步。2)         FCS繼承了DCS分級、層次化的拓撲結構。3)         FCS不僅強化了DCS分散控制的思想，而且進行了徹底性的技術變革。4)      

8、   信號制：DCS系統采用的是模擬量、開關量、數字信號混合系統信號制，而且是單向 的； FCS系統采用的是全數字、雙向通信現場總線信號制。5)         現場裝置：DCS系統使用的是模擬式單功能儀表、變送器、執行機構。雖然有時也稱 之為“智能”現場裝置，主要是指在裝置安裝調試期間的智能功能；FCS系統使用的是全數字化、智能、多功能現場裝置。帶有控制器功能，除能輸出數字化的工藝參數信號外，還能輸出數字化的狀態信號。電廠控制系統的特殊性電廠控制系統一貫以來都有對運行可靠性的“特殊要求”，對新

9、技術、新裝置既渴望又保守的矛盾態度。電廠系統具有：I/O 測點密集、現場裝置密集、設備立體布置（廠域遠小于石油、化工企業）、控制功能和控制策略復雜等特點。一些在安全系統中的核心技術(如冗余技術、三重化技術、四重化技術、高度自診斷技術等)已被證明對提高安全性是卓有成效的。現場總線采用冗余技術將使系統變得異常復雜，同時使成本大幅度提高，這有悖于開發現場總線的初衷。目前還未有任何一個FCS可以應用于安全聯鎖及緊急停車系統。因此，FCS不能替代故障安全控制系統應用在安全聯鎖及緊急停車系統中。電廠控制系統還存在自動化監控系統復雜（包括DAS、FSSS、MCS、SCS、DEH、ECS等六大系統）；機爐協調

10、控制涉及設備多、信息量大、控制復雜；汽機控制、SOE要求ms級響應速度等等一系列要考慮的問題。基于以上原因，只有在充分理解FCS的機理、與DCS、PLC的差異以及運用中可能存在的難題，充分協調考慮安全性和經濟性的原則下，才能將現場總線技術真正運用于工程實踐，體現現場總線的優越性。3現場總線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的整體來綜合考慮。面對火電廠多項實時性要求高、系統復雜的過程監視和控制任務，采取DCS與FCS共存，發揮兩者各自的優勢，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【4】：1)    

11、;     采用PLC可編程控制器實現監控的全廠輔助公用系統，選用遵循現場總線通信協議的PLC可編程控制器，對火電廠多個輔助公用系統實現監控，通過現場總線通信技術，建立全廠輔助公用系統PLC網絡，提高電廠的監控和管理水平。2)         地域分散的單沖量調節項目。 3)         地域分散的獨立的電動閥或電動機。4)      

12、;   電廠改造過程中新增的監控區域，且DCS已不便修改的項目，可按區域采用FCS設備，實現現場控制。輔助車間（系統）全面推廣應用現場總線系統相對于機組級系統而言，輔助車間（系統）重要性及對整個電站安全性的影響程度相對弱一些，且有一定“時間段”的緩沖。另一方面輔助系統多為開關量順序控制，PLC有優勢，且主流PLC均具有成熟的現場總線通訊能力。對于輔助車間（系統）少量模擬量閉環控制，PLC完全可以勝任。目前現場總線技術在國內燃煤電廠輔助車間系統已有大范圍應用的業績。通過在這些應用中得到的經驗，我們得出在應用的過程中需要注意的一些問題。例如：由于新建電廠輔助車間系統如輸煤系統、

13、干灰輸送系統、電除塵系統、凝結水精處理系統、化學加藥系統、汽水取樣系統、循環水加氯系統、污水處理系統等往往采用分島招標形式，分島招標中工藝設備與控制系統及儀表常又打捆供貨，造成控制系統及儀表由多個供貨商提供；另一方面，現場總線技術就目前而言還是較新的技術，各輔助系統工藝設備供貨商對現場總線儀表及控制系統還缺乏了解，業績較少，在這種情況下，如果由各輔助系統工藝設備供貨商提供現場總線設備及控制系統可能會對電廠輔助控制系統的質量和建設工期有所影響。因此，現場總線技術在全廠輔助車間系統上的應用，必須采取工藝設備單獨分島招標、控制系統集中招標的形式才有可能實現，根據單元機組現場總線方案設計原則，結合輔助

14、車間工藝特點，全廠統一規劃技術要求，盡早安排，確保輔助控制系統的質量和建設工期滿足要求。鍋爐補給水處理系統、廢水處理系統、凈水站等輔助車間系統可優先考慮采用現場總線技術。FCS應用至大容量電廠機組級控制通過工程實踐，取得了開發、設計、調試、運行FCS的第一手經驗(含教訓)，之后，應將FCS應用延伸至大容量電廠機組級控制。機組級控制應用FCS要考慮的問題很多，諸如：現場總線標準選擇、重要控制與安全回路應用、馬達控制、DCS系統選擇、就地智能設備、就地智能設備控制功能的應用、設計確認、現場總線網段設計、通訊、兼容試驗、通訊速率、工程時間網絡圖安排等等。基于目前國內的應用情況，用于數據采集和簡單控制

15、的對象完全可以納入現場總線控制范圍。1)         智能變送器用于數據采集和簡單模擬量控制的變送器選為帶FF或PROFIBUS/PA的現場總線型變送器，通過總線接入DCS系統；由于目前發電廠所配的智能變送器（如壓力、差壓變送器），都是帶有HART通訊功能的智能變送器，其它變送器可通過HART 總線送入DCS（帶HART協議的IO卡或HART協議多路轉換器），通過安裝于上位管理機的專用管理軟件可對設備進行監視、管理和調整。采用專用管理系統在提高工作效率、增強機組安全經濟性方面有很大作用。采用傳統方法在檢修或日常

16、維護工作中，要對檢驗的壓力、差壓變送器進行解列/投運、停電/送電、拆線/接線、拆/裝等工作，檢驗一臺變送器需要使用中、高級檢修工個工作日。采用上述配置后，變送器檢驗工作全在電腦中完成，檢驗一臺變送器只需約15分鐘，大大提高了工作效率、充分利用智能變送器的功能，迅速查明故障原因，縮短故障排除時間。2)         電動門現場總線電動門用于對安全特性無特殊要求的自動控制任務（如汽水循環、煙氣系統和機組協調），對于對安全特性有特殊要求的自動控制任務（如鍋爐保護和燃燒器管理等）及用于汽輪發電機的閉環控制設計（如DEH等

17、）不采用現場總線。實際工程中現場總線電動門的總線網絡可局部按等級考慮采用冗余通訊網絡，以確保控制網絡的可靠性。 3)         電動機從電廠電動機采用現場總線控制情況來看，電動機采用現場總線控制在電廠實際運行中已證明是可靠的，而且也已積累了一定的經驗。在工程中可根據電動機的電壓情況進行分別對待：400V及以下電機采用現場總線方式控制，所有信號都通過現場總線與分散控制系統連接，對于6kV電機，啟、停指令信號及電機已啟、已停信號可通過硬接線信號進入分散控制系統，其它信號可通過總線方式進入分散控制系統。4

18、技術經濟分析分散控制系統采用現場總線方式后，對于分散控制系統（DCS）而言，I/O卡件可以減少，但通訊模件卻要大量增加，總體價格會增加15%左右。但隨著現場總線的推廣，應用的增加，卡件的價格也會相對降低。現場設備1)電動門Ø        進口電動門新建工程項目中，系統設計的電動門大多數已要求采用智能機電一體化產品，在這種情況下，通過進一步明確現場設備應符合的總線標準，即可將設備接入現場總線系統，成本增加不大。平均每個進口現場總線電動門約比進口智能一體化電動門貴1萬元人民幣左右【注1】。Ø &#

19、160;      國產電動門目前國產電動門執行機構已具備支持現場總線功能，但國產電動門執行機構目前尚無現場總線應用業績，采用應謹慎。如果電動門執行機構全部采用進口設備，而進口現場總線電動門執行機構與國產的差價較大，平均每臺差價約為3萬元人民幣【注1】。2)電動機電動機控制單元大批量采用現場總線智能控制單元后，每臺電動機的現場總線智能控制單元，比常規控制單元貴5千元人民幣左右【注1】。3)現場變送器由于目前電廠采用的壓力、差壓變送器等基本上都帶有HART總線協議接口，所以變送器采用HART協議進入分散控制系統對現場一次設備而言不增加任何費用。對

20、于采用FF或PROFIBUS/PA的現場總線型變送器，每臺貴1千元人民幣左右【注1】。4)電纜采用現場總線技術可以節約電纜、電纜橋架等安裝材料。常規分散控制系統方案，每個電動調節閥與分散控制系統之間需敷設2根控制電纜，每個電動關斷門與分散控制系統之間一般需敷設1根控制電纜，每個電機與分散控制系統之間約需23根控制電纜，每根電纜平均長度約為120米。采用現場總線技術后只需少量的通訊電纜。電纜的投資變化視采用現場總線范圍而不同，全范圍采用時，電纜橋架、電纜保護管等材料和安裝可節省73費用及工作量。輔助系統輔助系統采用現場總線與采用可編程控制器（PLC）相比，會減少一些I/O卡件，但同時也需增加一些

21、通訊卡件，可以在一對雙絞線或一條電纜上就可以掛接多個設備，可以節約大量電纜，節約安裝費用，但同時由于要采用的儀表是數字化和智能化的現場總線儀表，目前其價格要比普通的儀表要貴，所以綜合比較下來，在經濟上基本持平。綜合以上的經濟比較，采用現場總線方案約比采用常規分散控制系統方案每臺機組需增加費用500萬元左右。5現場總線在數字化電廠中的應用效益現場總線系統的真正效益很多人一提到現場總線，就會聯想到一根總線上可掛很多儀表，甚至是全系統的儀表。其實不然，在有本安要求時，每條現場總線上最多只能掛接8臺現場總線儀表(除此之外還受供電限制、運行速度等限制)。現場總線也可作點對點的配置，即每條總線掛2個節點的

22、配置。在做一個具體的方案時，仍然可以按照風險分散的原則而并非省電纜的原則對現場總線進行配置，完全可以獲得一個安全性與傳統的420mA方案一樣的FCS。采用現場總線的目的不僅僅是為了節省電纜（節省電纜只不過是現場總線技術表層的優點，采用DCSPLC的遠程IO 也可達到類似效果），其真正意義在于它避免了智能現場儀表與智能控制室裝置之間的非智能連接，可以從現場設備獲得豐富的信息，這才是現場總線技術獨有的本質優越性。電站整個生命周期的成本節約初期的成本節約表現在較低的購買成本、工程設計與安裝費用。長期的成本節約則包括因有了網絡化的設備管理所帶來的較低的維護及運行成本，還有較低的擴建及改造費用。運行、維

23、護成本節約表現在：1)         由于現場總線設備具有更多的故障自診斷能力，并通過數字通信方式將診斷維護信息送往控制器，管理人員通過控制器的資產管理系統(AMS)查詢所有儀表設備的運行情況，診斷維護信息，尋查故障，以便早期分析故障原因并快速排除，儀表設備狀況始終處于維護人員的遠程監控之中。根據AMS系統提供的信息準確地制定大修或搶修的作業計劃和備件儲備，不必進行現場設備的周期性輪流解體檢修，縮短停工維修時間，節約維修費用，降低生命周期成本。2)         實現包括基礎自動化、管理自動化和決策自動化的高層次綜合自動化是電廠必然選擇。充分信息化是基礎。FCS是消滅火電廠“信息孤島”的最好武器：FCS的現場智能設備能將大量現場信息送上通信網絡，這是DCS、PLC無法實現的。這些實時信息為企業綜合自動化所必需。也是發電集團企業信息集成的基礎。3)         FCS在提供高層次控制、管理性能