现场总线在火电厂机组控制的应用研究

现场总线在火电厂机组控制的应用研究摘要本文概述了现场总线技术的特点及现状，描述了电厂生产过程的控制特性，论述了国内外火电厂目前现场总线的应用状况，并针对机组控制特点，对火电厂在现场设备层采用现场总线系统的配置、设计原则、注意事项进行了分析，明确了在电厂应用现场总线技术的目的，提出了在电厂应用现场总线技术的对策和设想。

关键词现场总线；设备管理；FCS；火电厂引言现场总线控制技术作为一门新兴技术，已广泛、成功地应用在关系民生的多个行业。

20世纪80年代，广泛用于火力发电厂过程控制的系统是分散控制系统（DCS）和可编程控制器（PLC）。

80年代末至今，DCS以其先进的技术、丰富的控制功能、友好的人机界面等优势，逐步占领了火电厂机、炉、电主控领域，而PLC则由于其逻辑处理功能强、境适应性好、环系统独立性强、采购成本较低等特点，成为电厂辅助生产系统和机组辅助系统的首选控制系统。

80年代末期开始发展起来的现场总线技术和产品，以及由此组成的控制系统——现场总线控制系统（FCS，Field Control System），引发了自动控制领域的革命。

开放的、全数字化和双向多站的通讯网络，与多功能的智能化现场数字仪表是FCS的主要特征，它将使自动控制系统的效能产生巨大的飞跃。

一、现场总线的定义及特点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)。

FCS的核心是总线协议，只有遵循现场总线协议的控制系统，才能称为现场总线控制系统；FCS的基础是数字智能现场仪表，它是FCS的硬件支撑；FCS的本质是信息处理现场化，这是FCS的系统效能体现。

从上述定义可以看出，现场总线控制系统是一种全计算机、全数字、双向通信的新型控制系统。

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”。

可以说，现场设备级的数字化、网络化是电厂信息化管理的基础。

CPU技术的发展导致了现场仪表和装置的数字化革命，也使得现场仪表和装置之间的数字通讯成为可能。

数字化、智能化的现场仪表和装置是可以在现场设备中实现控制功能和设备管理功能，而且有了数字通讯，在控制室可以获得现场设备的诸多信息，如诊断、量程、组态和标识等。

现场总线技术的出现，使得原来需要大量电缆进行点到点连接的众多现场设备信号可通过一根网络电缆来传输，可以显著减少电缆的使用量及降低相关的材料和安装费用。

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，择优选择不同公司的产品，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。

二、电厂生产过程的控制特点电厂的生产包含了以下几个主要工艺过程：燃料系统（煤炭和燃油/气的运输及贮存）、热力系统及锅炉和汽轮机发电机组（将燃料的化学能转变成热能、热能将水变成蒸汽、蒸汽热能在汽轮机中转变成机械能、再转变为电能）、除渣出灰系统（燃烧物的固体废弃物处理）、脱硫系统（大气排放物的处理）、水处理系统（含净水、锅炉补给水、废水、凝结水精处理、化学取样和加药等）、发配电系统（含厂用电系统、升压站等）。

由此可以看出，电力生产是一个极其复杂的工业过程，它涵盖了工厂自动化和过程自动化的内容。

在传统的电厂控制系统模式中，主厂房区域热力生产过程通常采用DCS作为主要的控制系统，其他辅助系统则采用以PLC为核心控制系统。

由于现场级设备主要采用传统的模拟量和开关量信号，生产过程的监控只能到达I/O子系统。

在近几年的电力建设过程中，电力生产企业的信息化管理引起了广泛的重视，投入了大量的资金构建辅助控制系统网络、电厂实时监控系统（SIS）和电厂信息管理系统（MIS）,而对于现场级的设备依然采用传统的装置和方式接入控制系统I/O子系统。

这对于以预测性设备维护和设备管理为预期目标的信息化建设，无疑是“无源之水”。

因此解决电厂“信息盲区”的根本出路是应用支持现场总线的智能现场设备。

三、FCS的国内外应用情况全面信息化和多层次的自动化是今后发电企业发展的方向，建立数字化电厂是必由之路，而现场总线系统是数字化电厂的基础，因此FCS的应用发展有着广阔明亮的前景。

近几年来，各大发电集团都十分关注电厂热控自动化新技术的应用和由此产生的巨大效益。

华能玉环电厂、江苏望亭联合循环发电厂、江阴夏港电厂、广东南海石油化工汽电联产工程、陕西杨凌热电厂、山东龙口电厂、广安电厂、山西平朔电厂、山西漳山电厂等在电厂外围辅助系统中成功实现了现场总线技术的全面应用，并在较短时间内完成了安装、调试，并很快投入稳定可靠运行。

大量的工程项目的顺利实施，证明现场总线在电厂辅助生产控制系统中应用是完全可行的。

山东莱城电厂扩建工程3＃、4＃机组采用西门子TELEPERM-XP分散控制系统，400V及以下的电动机在开关柜中配套西门子公司的SIMOCODE电动机控制保护设备，通过ProfibuS 现场总线与TELEPERM-XP相连接。

目前电厂已投入运行，现场总线系统运行基本稳定。

江阴夏港电厂5、6＃机组(2×330MW)采用Fox-BORO公司的FA分散控制系统，380V开关柜采用西门子公司的SIMOCODE电动机保护控制设备，通过Profibus-DP与FA分散控制系统相连接。

6kV马达采用WDZ400系列国产智能装置，重要信号通过硬接线与分散控制系统相连，其它信号通过Modbus总线与FA分散控制系统连接。

浙江国华宁海发电厂(4×600MW )控制系统采用西门子TELEPERM-XP分散控制系统。

现场总线控制系统的控制范围为闭式水系统34个现场总线电动门(现场总线电动门配AUMA公司的AUMATIC电动执行器)，现场总线标准为Profibus-DP，采用冗余总线接口与TELEPEM-XP连接。

华能玉环电厂(4×1000MW)在锅炉补给水系统、废水系统中完全采用Profibus现场总线技术通信的方式，将气动门电磁阀、气动调节阀、流量变送器、压力变送器、化学分析仪表、水泵电动机、风机电动机、加药变频器等控制设备连在一起。

所有的底层设备都具有数字通信接口，从控制室到现场之间除了工作电源外，没有任何直接的控制硬接线，所有的控制室的指令和现场设备的状态信息都通过现场总线进行传输。

目前已成功投入运行。

除此之外，上世纪90年代末，现场总线控制系统就已经在国外的电厂中得到应用，如SMAR 公司的systern302就曾先后在美国的 Seattle Steam、Mohave Generation Plant、Duke power Oconee Nuclear Power Plant、墨西哥的Mazatlan、Guaymas、巴西的CESE等6个电厂中的15台锅炉上得到的应用。

这些现场总线控制系统除了完成一般的数据采集功能之外，还实现了燃烧控制、给水控制、过热汽温控制、再热汽温控制、除氧器控制以及电机的启停控制、联锁保护和报警等功能。

德国Niederaussem电厂较全面地使用了现场总线。

该厂采用了Profibus-DP和HART两种现场总线。

整个系统包括900台马达、400个电磁阀、1000个阀门定位器和电动执行机构。

这些智能设备均通过Profibus-DP与DPU相连。

通过采用Profibus 现场总线系统，真正实现了全厂监控，提供更加完善有效的设备诊断功能，实现现场设备的远程编程和维护，实现了全厂数据的集中箕理，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。

根据墨西哥Mazatlan电厂的报导，首台应用现场总线控制系统的1号单元机组（158 MW）在1997年3月17日投入运行，曾连续运行12个月无故障、无维护，改善了锅炉动态的相应特性，与分散控制系统（DCS）和可编程控制器（PLC）相比投资节省了45％，安装调试时间缩短到3周。

由于1号单元机组的改造获得成功，该厂紧接着进行了2号单元机组（158 MW）的改造，2号单元机组于1998年2月14日投入运行。

同1号单元机组一样，这次改造十分成功，不但投资进一步节省，达到了50％，而且安装调试时间缩短到1周。

四、FCS现场总线控制系统FCS是一个新型的控制系统，进入我国的时间还不算长，目前在火电厂的应用还处于局部领域使用的阶段。

图1 Alspa P320应用系统例1:Cegelec Alspa P320系统(见图1)应用于我国华能珞璜电厂(4×360MW)二期工程(2×360MW)机组的自动控制。

该系统有31个双冗余WorldFIP网络，16个监视和控制站，32台冗余PLC，处理18000I/O点，50000点控制数据。

该系统采用双绞线媒体，操作站冗余并有后备站，系统典型的响应时间为50ms。

华能珞璜电厂二期工程是从法国GEC ALSTOM集团全套引进的2×360MW燃煤发电机组。

锅炉由STEIN公司提供，汽轮机由STG公司提供，发电机由STG公司提供。

已于1998年底全部投运发电。

控制系统是法国CEGELCE公司提供的、20世纪90年代中期开发推出的ALSPA P320控制系统。

实现了机组的数据采集系统(DAS)、闭环控制系统(MCS)、顺序控制系统(SCS)与燃烧器管理系统(BMS)等主要功能。

汽轮机数字电液控制系统(DEH)采用法国GEC ALSTOM STG公司提供的MICROREC控ALSPA P320控制系统各部分通过标准网络来相互通信，与其他控制部件可以方便地进行通信。

ALSPA P320有三大网络: LOCAFIP现场总线网络(WorldFIP)，采用FIP标准(UTEC64＋601607)，用于链接输入输出模板到P320的C370F900数据总线(WordlFIP)，用于C370控制器之间的数据交换和C370控制器与CENTRALOG 通信。

F900是一种快速的数据传输网络，基于IEEE的FIP标准(UTEC64＋601607)的工业局域网。

CONTRONET控制网使用以太网技术，用于集中控制层CENTRALOG数据库与操作员工作站之间的数据交换。

CONTRONET遵照IEEE803.3局域网标准通过INTERENT标准协议，P320可进行长距离通信，进行远程维护和大型电网控制。

五、应用现场总线技术存在的问题及分析尽管现场总线技术具有一系列的特点和诱人的优越性，尽管建设数字化和信息化电厂的呼声越来越高。