现场总线技术在数字化电厂中的应用

杨 浚，姜春敏

（1.昆明理工大学，云南 昆明 650500；2.华能烟台发电厂，山东 烟台 264002）

0 引言

近几年，数字化电厂建设受到广泛关注。数字化电厂就是将所有电力生产过程信息和管理内容数字化，利用网络技术，实现可靠而准确的数字化信息交换和资源实时共享，利用智能专家系统提供各种生产经营操作指导和优化决策，从而提高电力生产的安全可靠性，降低运营成本，满足现代企业管理和电力改革发展需要。

数字化电厂网络构架可划分为现场设备层、直接控制层、管控一体化层和管理决策层。20世纪90年代起，直接控制层已逐步实现数字化。近期新建电厂也普遍建立了厂级SIS和MIS网络构架，配置了故障诊断、状态检修及性能优化、资源计划系统（ERP）等监控和管理软件。而最基础的现场设备层数字化进程却相对滞后，现场设备信息仍采用传统的一对一模拟量信号或开关量信号上传到直接控制层的DCS/PLC各子系统。由于信号采集方式的限制，许多对现场设备进行故障预测、诊断和状态检修及远程调校和维护、优化决策必需的设备状态实时信息不能采集到系统里去，成了数字化电厂发展的瓶颈。

要实现电厂数字化，必须把数字化扩展到现场设备级。基于现场总线技术和现场智能设备的现场总线控制系统的应用，有效地解决了这个难题。

1 现场总线控制系统概况

1.1 现场总线控制系统概念及优势

根据国际电工委员会IEC61158标准的定义：安装在制造或生产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。由现场总线与现场智能设备组成的控制系统称为现场总线控制系统FCS（Fieldbus Control System）。 与传统 DCS相比，FCS优越性概括起来有以下几方面。

1）开放性的互联结构。它突破了DCS系统采用的专用通信网络的局限，采用了公开化、标准化、全分布式结构的解决方案。当需要增加现场总线设备时，可就近连接在现有现场总线网段上。

2）可互操作性。用户可以选择不同厂商、不同品牌的各种设备接入现场总线系统。当产品符合相应的标准和规范，并通过验证测试后，即可实现不同产品间的互操作。

3）全数字化通信。信息传输全数字化，免去了D/A、A/D转换，信息量大大增加，传输抗干扰能力强，减少了传输误差，提高系统的可靠性。

4）现场设备智能化。 传感测量、补偿计算、工程量处理与基本控制等功能可在现场总线设备中完成，缩短控制周期。

5）可靠性高、维护性好。对现场设备可以进行远程诊断、维护和组态，便于安装运行维护。

6）降低系统及工程成本。 原来需要大量电缆进行点对点连接的设备信号通过一根网络电缆来传输，大大减少DCS的I/O卡件、控制电缆数量，节省了安装工程费用和调试时间。

1.2 常用现场总线标准及控制系统

国际电工委员会IEC61158现场总线的标准有10多种，但广泛应用于火电厂过程控制的现场总线有FF（Foundation Fieldbus）现场总线和PROFIBUS（Process Fieldbus）现场总线两种。两种总线标准相比较，FF较适用于连续量控制，PROFIBUS较适用于离散量控制，也可用于连续量控制，但在连续量控制方面略逊于FF总线。

1.3 现场总线设备情况

现场总线设备是FCS的硬件支撑，现阶段可供选择的、电厂常用的场总线设备也逐步增多，现场设备限制现场总线应用的问题基本解决。

现场总线型执行机构。 现场总线型进口电动执行机构品牌较多，ROTORK电动执行机构现场总线模块有PROFIBUS和FF模块；SIPOS 5 Flash电动执行机构带有PROFIBUS-DP总线接口；AUMA电动执行机构现场总线接口板可提供PROFIBUSFMS、PROFIBUS-DP、INTERBUS-S、MODBUS-RTU现场总线协议。

在电厂常用的气动调节阀阀位定位器产品中，美国FISHER-ROSEMOUNT公司的FIELDVUE DVC系列智能阀门定位器支持FF现场总线；ABB公司TZID-C系列智能阀门定位器和德国西门子公司SIPART PS2阀门定位器支持FF和PROFIBUS-PA；日本山武公司SVP3000智能定位器支持FF总线。

现场总线智能仪表及变送器。各大仪表厂家都相继推出了现场总线型仪表及变送器，支持FF和PROFIBUS现场总线地变送器主要有Rosemount公司的3051系列、Siemens公司的SITRANS P系列、Yokogawa公司的 EJA、ABB公司的 2600T系列、Honeywell公司的ST3000系列等。

电气现场智能化设备。电厂电气系统的发变压器组保护、起备变保护、自动同期装置、厂用电切换装置、励磁调节器等保护和控制装置及6 kV开关、380 kV开关控制器均采用了微机型，智能化程度高，能方便地与计算机控制系统进行双向通信。常用总线接口类型有 RS485、CAN、PROFIBUS和LONWORKS。

2 现场总线控制系统的应用

现场总线技术应用在国内电厂试点已进行了十多年，控制范围从最初的辅助车间部分系统到全部系统，已逐步扩展到机组主控系统。现场总线的应用，不仅确保了机组的安全经济性，而且提高了电厂的控制水平和企业管理水平、节省了基建投资和调试时间，取得了良好的试点效果，为现场总线技术在电厂推广应用奠定基础。

华电莱城电厂 3、4号机组采用西门子TELEPERM-XP分散控制系统，每台机组有83台400 V及以下（配套SIMOCODE控制保护）的电动机及电加热器通过PROFIBUS现场总线与DCS相连，是国内第一个局部采用现场总线技术的电厂。

云南宣威电厂六期工程（2×300 MW）、贵州纳雍二电厂（4×300 MW）、甘肃张掖电厂（2×300 MW）等率先采用LonWorks现场总线技术的CSPA-2000系统，实现对高、低压开关柜的全数字、分层开环监控，把上万点的电气设备管理信息引入独立的电气监控系统（ECMS）进行监控和维护。

华能玉环电厂（4×1 000 MW）是国内第一个在辅助车间全面采用现场总线控制系统的电厂，锅炉补给水控制系统、电厂化学净水及废水控制系统采用现场总线控制系统 （西门子 PCS7 417H）、Profibus-DP和PA通信网络、现场总线仪表和设备。总监控点数为502点，其中486点以现场总线方式接入。

华能金陵电厂（2×1 000 MW）是国内目前最大的数字化电厂试点工程，主控系统采用西门子基于PROFIBUS现场总线技术的SPPA-3000控制系统，纳入现场总线控制范围的包括锅炉、汽机多个复杂工艺子系统，总线设备达900多台。辅助车间采用基于现场总线技术的国产FCS165和NT6000现场总线控制系统，电气监控系统采用国产ECSTAR6000。

华能秦岭电厂（2×600 MW）机组全厂主控及辅控系统全部采用基于Profibus现场总线技术的FCS165现场总线控制系统一体化控制。全厂主控系统现场总线控制设备426台（套），辅控系统现场总线控制设备579台（套）。是首个应用在大型火力发电机组的国产现场总线控制系统。

3 现场总线控制系统配置方案

现场总线技术在单元机组控制应用目前仍处在起步阶段，在遵守《火力发电厂设计技术规程》和有关电力生产相关技术规定前提下，新建发电机组建议采用DCS加现场总线的控制系统模式。

3.1 机组主控系统

影响机组安全运行的主机和主要辅机保护采用成熟的常规控制方式，不纳入现场总线，热工主辅保护和重要联锁的信号保留硬接线，如锅炉安全监视系统（FSSS）、汽机数字电液控制系统（DEH）、汽轮机紧急跳闸系统（ETS）、旁路控制系统（BPS）、事故顺序记录（SOE）等。

用于联锁保护的开关型气动阀门、电磁阀，建议采用常规的方式接入DCS。 用于非重要调节回路的调节型电（气）动执行机构可纳入现场总线。重要调节回路如给水、汽温、送、引风、磨煤机等采用常规硬接线方式。用于非重要系统的开关型阀门电动装置纳入现场总线，用于重要系统的保护联锁的通过硬接线完成。

现场总线型智能仪表及变送器以现场总线方式接入。温度信号因没有过多的诊断信息，且带总线接口的智能温度变送器价格较高，建议采用传统方式；主机/辅机金属温度测点，仍采用远程I/O方式。

开关量仪表如压力开关、液位开关、温度开关等不纳入现场总线。

所有机组电动机及主厂房内重要电源开关的分/合指令、状态反馈信号等电气量采用硬接线方式进入DCS。

3.2 电气监控制系统

在DCS控制系统中，电气设备信号采用硬接线进入，需大量电气模拟量变送器和控制电缆，而且受信号采集方式及DCS的I/O点数的限制，电气设备实时信息不能全部送入DCS。由于信息不完整，不能满足电气设备故障分析、状态诊断、设备管理等数字化电厂高级应用的需要。因此采用现场总线技术的发电厂电气监控管理系统（简称ECMS）也已成为当前主流设计。

ECMS将原先独立运行、数量众多的继电保护装置、测控装置、自动装置等通过现场总线连接起来，从现场电气智能设备得到更多的实时信息；控制方式从单纯DCS控制逐步向具备故障分析、信息管理、设备管理、自动抄表、仿真培训等运行管理功能的方向发展，具有厂用系统电能量管理功能、厂用系统五防闭锁功能、电厂继电保护故障分析整定管理功能，为企业生产经营管理提供全面的电气系统信息。

单元机组电气设备监控系统同样采用硬接线加现场总线控制系统相结合的技术方案：所有主厂房内重要电源开关的分/合控制指令及参与联锁所需要的位置状态经硬接线送至DCS的DI、DO卡件；机组运行必须监视的回路电流、电压、保护动作报警信号则以现场总线通信方式经ECMS通信管理机送入DCS；电气系统分析管理信息如保护定值、故障时电流和电压波形等数据，经ECMS系统分析处理不送入DCS，通过独立的通信接口接入SIS和 MIS。

3.3 全厂辅助车间控制系统

火电厂辅助车间设备的监控信息主要是开关量，模拟量调节系统相对较少。采用由于进口DCS控制造价偏高，辅助车间控制系统建议采用总线型PLC或国产DCS加现场总线模式，构成对辅助车间工艺系统进行集中监控的控制系统，并通过通信接口将现场设备的实时信息通信到厂级网络。

4 影响现场总线技术推广应用的因素

4.1 统一总线标准困难

现场总线国际标准种类较多，但没有一种标准能够覆盖所有的应用面。不同现场总线的通信协议有很大差异，实现不同总线产品的互连比较困难，使得FCS的开放性，分散性和可互操作性等特点不能充分体现。

4.2 实时数据的管理和分析没有有效利用

从投产的发电机组看，虽然现场设备解决了数字化问题，但大部分电厂实际使用时没有真正把远程诊断功能和管理自动化一起纳入监控系统；企业经营决策的管理软件（如ERP）虽广泛应用但功能尚在健全中；厂级SIS和MIS中优化控制、状态诊断需进一步完善充实。实时数据的管理和分析没有效利用，影响了企业推广应用现场总线技术的积极性。

4.3 快速性与安全性需进一步验证

电厂过程控制回路相关度高、控制功能复杂、安全性和稳定性要求高，目前工程技术人员对现场总线技术还没切实掌握，需要实践验证。如PROFIBUS总线和FF总线可以满足机组控制对一般输入、输出信号处理的实时性的要求，但无法满足快速处理回路的时间要求。为安全或快速响应而设置的开关量信号，还必须考虑采用常规DCS的I/O模件来处理。

4.4 现场总线型设备的选择范围相对较小

目前能提供现场总线设备的生产厂家越来越多，但由于没有完善的准入机制，设备质量参差不齐，支持现场总线的成熟的国产设备很少，尤其是针对电厂开发的智能设备，现场总线型设备的选择范围相对较小。

4.5 在电气与热控控制系统规划方面需进一步优化

在新建电厂施工设计中，ECMS和FCS是按（电气/热控）专业划分范围、采用不同现场总线系统又相对独立的模式搭建的。ECMS与DCS之间采用通信模式进行信息交换，受通信方式和通信速率的限制，响应速度慢会对被控制设备的实时性和控制系统本身的安全性产生不良影响。因此充分重视全厂自动化和信息化方案的总体规划，做好专业间的接口模式优化，实现热工电气控制一体化，也是数字化电厂建设必须解决的问题。

5 结语

现场总线技术代表了自动化发展方向。建设数字化电厂是今后发电企业发展的必由之路。十多年的工程试点表明FCS可满足大型发电机组运行控制要求，而且实现了现场设备数字化，解决了制约数字化电厂发展的一个难题。

目前，FCS在单元机组控制中推广应用还处在起步阶段，有许多需要解决完善的问题，在工程实施中可能遇到意想不到的情况，应用现场总线控制系统时不仅要考虑到造价、功能、效益，还必须兼顾技术和安全性，在新建电厂工程设计阶段就必须做好数字化电厂规划。