原稿件修改：试论现场总线技术在火电厂的应用及前景

试论现场总线技术在火电厂的应用及前景

摘要：随着自动化仪表技术、计算机网络技术和过程控制技术的日益成熟和快速发展，工业控制领域发生了一次技术变革，而这次变革的基础就是现场总线技术的产生，由于火电厂控制系统采用了现场总线技术，使得其在结构和性能上产生了较大提高。本文介绍了现场总线技术的特点，列举了国内外部分火电厂现场总线技术的应用状况，并通过其与传统DCS 的比较阐述了其应用前景。

关键词：现场总线；技术；火电厂；应用前景

0 前言

根据IEC 和ISA 的定义，现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络，它的关键标志是能支持双向、多节点、总线式的全数字通信且要求使用具有现场总线通信能力的智能现场设备。火电厂的现场智能设备完成数据采集、数据处理、控制运算及数据输出等功能，并把这些信息通过现场总线传到控制室的操作员站上，运行人员通过操作员站查看电厂各个设备运行状态和控制就地设备。由于现场总线控制系统体现了“信息集中、控制分散”的概念，正符合了火电厂过程控制的发展方向和必然趋势，因此，近些年在火电厂较多的采用了具有现场总线功能的控制系统。

1 现场总线技术特点

当前国内外电力行业应用较多的现场总线协议有: FF、Profibus、Modbus、HART、Devicenet、ASI以及CAN 等。在实际应用中FF、Profibus、HART、ASI 总线协议较成熟，其中比较适用于过程控制的现场总线标准是FF 和Profibus-DP /PA。除这两种主流现场总线标准外，HAＲT、Devicenet 及ASI 等现场总线协议在火电厂中不同需要和场合下也有适当的应用。

以火电厂Profibus-DP /PA 协议现场总线为例，典型的网络结构如图1 所示，Profibus-DP 总线设备连接方式为串级连接，由于其连接方式会造成一定的信号衰减或通信速度降低，实际上每个总线网段最多可连接32 台总线设备。PA 总线仪表通过DP /PA 耦合器进行协议转换后挂接在DP总线上，DP 总线将数据信息传到DPU 并与主控设备通信。DP 总线常用于控制电动、气动执行结构或电机等实时性要求较高的设备，总线控制网络最高通信速率可达到12Mbps，在低速率时，最大传输距离达1 200m; PA 总线一般与变送器、定位器及流量计等连接，为低

速总线，传输速率为31.25kbps，最大传输距离2 000m，与传统的DCS相比，现场总线在结构、安装和使用中具有较多的优点，如:

a．信息量大，在现场仪表中实现了更多的控制、多变量的测量和传输、仪表设定值的远程整定以及基于自诊断原则的现场设备预测维护、管理等。

b．节约资源，现场智能设备通过现场总线与DCS 总线接口相连，不占用I /O 模件的点位，使DCS 模件柜、继电器柜的数量减少，节约集控室电子设备间的面积。

c．安装简单，一对双绞线或一条光缆上通常可挂接多个设备，电缆、槽盒、电缆桥架的用量将减少。当需要增加现场控制设备时，无需增设新电缆。

d．维护方便，智能设备将大量信息送入工程师站和操作员站，及时了解就地设备信息，并在设备发生故障时，快速排查，提高了设备安全性和工作效率。

e．性能提高，智能化的数字设备与传统模拟设备相比，提高了测量与控制的准确度，减少了传送误差。同时，由于系统结构简化，设备连线减少，现场仪表内部功能加强，减少了信号的往返传输，提高了系统的工作可靠性。另外，由于设备的标准化和功能模块化，其还具有设计简单，易于重构等优点。

图1 Profibus-DP /PA 总线网络示意图

2 现场总线技术应用现状

进入21 世纪后，现场总线技术在各个领域都有了不同程度的应用，尤其是近几年，现场总线技术已经大量应用于国内外火电厂的控制系统中，由于总线传输的信息量大，负荷的大小会导致通信出现一定的延迟，因此对于重要保护设备和实时性较高的设备一般不推荐采用现场总线，目前火电厂的总线应用大部分集

中在辅网，尤其在水处理和输煤系统中应用最多，国内外也有主机设备采用现场总线的应用实例。

2．1 国外应用情况

比较典型的是德国ＲWE 集团的尼德豪森电厂(1×950MW)，机组采用Siemens Profibus 总线，设备状态和信息全部通过总线传输到DCS系统中，是目前全球范围内智能化程度最高、采用总线技术最全面、装机容量最大的机组; 美国OPPD 能源集团的Nebraska电厂(2×740MW)，采用了Emerson 公司的Ovation 系统，除FSSS、DEH、ETS外，单元机组DCS 的I /O 点约为7 000 点，约有50%的设备和仪表采用了现场总线; 德国Niederraussen电厂(1×950MW) ，控制系统为Siemens 的TXP-2000，除FSSS、DEH、ETS、重要模拟量控制采用常规方案外，其他的被控对象基本采用了Profibus-DP 总线，仪表部分采用了HAＲT 协议，整个系统包括900 台马达、400 个电磁阀、1 000 个阀门定位器和电动执行机构; 意大利TI ＲＲENOPOWEＲ联合循环电厂，该工程为改造项目，控制系统为Siemens 的T2000 系统，模拟仪表和分析仪表采用Profibus-PA协议，除燃机、DEH、ETS 采用常规方案外，其他基本采用了Profibus-DP 现场总线; 意大利联合循环电厂，控制系统采用了FOXBORO 公司的I/A系统，现场总线应用范围:900 个FF 仪表，9300 个Profibus 对象，6000点常规I/O; 意大利联合循环电厂(2×400MW) ，控制系统采用了ABB 公司的800xA 系统，单元机组现场Profibus-DP 总线设备约220 台，包括400V 开关、600V 开关、变频器及执行机构等，Profibus-PA设备约400 台。

2．2 国内应用情况

秦岭电厂(2×660MW)超临界机组首次采用国产FCS165 现场总线控制系统，控制范围包括主控17 个工艺系统和7 个辅助车间系统，采用Profibus-DP /PA 总线协议实现现场总线设备的控制，单元机组和公用系统配置DP 网段20 个，PA 网段18 个，采用现场总线的设备417 台，包含常规I /O 点1539 点，公用系统9 台，包含常规I/O点9点，现场总线设备实际组态点4809点，包括设备诊断、状态及内部参数等数据点，于2011 年12 月通过了168h，目前设备运行稳定; 金陵电厂(2×1000MW)超超临界机组，采用Siemens T-3000 控制系统，除FSSS、DEH、ETS、MEH、METS系统外，主机的单回路控制设备均采用了现场总线，其中1 号机总线对象978 个，辅助生产车间锅炉补给水、净水站和废水处理采用了具有现场