现场总线控制系统在火力发电厂的应用

　一、前言
　　
　　目前，现场总线技术已被广泛认识，并逐步应用于实际工程中。十多年来，在国内火力发电厂（以下简称火电厂）的热工自动化领域，DCS控制系统的成功应用已得到了普及。如何在现有控制水平的基础上，将现场总线技术应用于火电厂的热工自动化控制系统中，需要对火电厂的多种因素进行综合分析，选择能充分发挥FCS优势的监控项目，采用FCS现场设备，以节省的布线方式，*的数字化通信，完成对生产过程的监视和控制功能。作者试结合火电厂热工自动化技术的发展，提出将现场总线技术或FCS设备应用于建立全厂辅助公用系统监控网络，单位项目的监控以及设备状态检修系统的设计思路。
　　
　　二、现场总线控制系统（FCS）在火力发电厂的应用
　　
　　如何在火电厂成功地应用现场总线技术，设计的合理性、优化性将是成功应用的关键。要实现成功的设计，就要明确现场总线技术在火电厂的应用功能和应用原则，进而在实际工程项目中，选择合理的应用范围。
　　
　　（一）FCS在火力发电厂的应用功能
　　
　　1．FCS的技术特点和优势
　　
　　（1）FCS的技术特点。概括起来，FCS的技术特点主要表现在两个方面，其一是总线通信网络方面，FCS总线通信具有开放性，它可将满足已规定通信协议的不同厂商的产品进行通信互联，实现信息共享。FCS总线区别于其他网络的主要特点是，FCS总线应用于工业现场级，它的通信功能不仅仅是传递信息，而且承担了完成各种工业自动化任务。FCS总线的第二个特点是现场级设备智能化，通过设置不同的功能块软件，这些软件不仅具有测量、控制运算等自动控制基本功能，并且具有设备自诊断功能。FCS现场设备抗*力强，满足本质安全防爆要求，并可通过传输线路为FCS现场设备提供电源。
　　
　　（2）FCS的优势。FCS的优势可以简化地概括为四个方面。*，全开放式通信网络。由于FCS规约了网络的通信协议，对不同的供货商的控制产品，可实现通信互联，为实现现代电厂工厂级自动化系统提供了必要的条件。第二，提高了系统的准确性和可靠性，采用智能化的FCS现场级设备，数字通信方式，减少了信号传输误差。第三，节省了系统布线，采用通信技术，用一条电缆连接FCS现场设备，节约了布线设备及安装。第四，实现了现场级设备的自动控制，现场级智能化设备不仅具有信号测量与隔离、信号整理及控制运算等功能，还具有设备自诊断及简单故障处理的维护功能，简化了系统，提高了自动化控制水平。
　　
　　2．FCS在火电厂的应用功能
　　
　　结合FCS的技术特点和优势，可以将FCS在火电厂的应用功能，初步归纳为以下几个方面：
　　
　　（1）增强了通信功能。采用FCS通信技术，实现火电厂中不同控制系统之间的通信互联。
　　
　　（2）提高了现场级控制水平。对控制对象相对独立，特别是对于在控制方式上具有共性的控制对象，采用FCS智能化现场设备，实现现场级自动控制。
　　
　　（3）节省投资。较大量地节省布线及相关安装的投资费用。分散了控制功能，减少了集中控制的硬件设备和负担。
　　
　　（4）提高了系统组态的灵活性。当过程控制需要增加或减少现场设备时，不必修改现场的接线．只需增加或减少FCS现场设备和通信接口。
　　
　　（5）提供了设备维护功能。FCS所具有的设备自诊断等维护功能，为设备的管理系统提供了设备的基础信息。
　　
　　（二）FCS在火力发电厂的设计原则
　　
　　设计的原则应该是在安全可靠的基础下，充分发挥FCS的功能优势，以达到提高控制水平的目的。
　　
　　1．满足生产过程监控的要求
　　
　　根据生产过程的监视和控制的要求，确定FCS控制方案。这种要求主要体现在对实时性的要求，特别是对待火电厂中复杂的调节或监控方案，更要进行充分的预设计，进而确定控制方案。
　　
　　2．FCS的设备选择
　　
　　根据已确定的控制方案和通信模式，包括通信速率、通信距离及通信协议，选择能满足控制要求和通信模式的FCS设备。根据设计方案中的供电方式，选择FCS设备的总线供电方式，或者外供电方式。根据FCS布置环境，确定是否采用本安防爆型FCS设备。还需三点强调的选择原则是，被选择的FCS设备必须是被授予过现场总线标志的产品，确保通信的一致性与开放性。
　　
　　3．突出FCS的优势
　　
　　采用FCS的设计方案，应能充分体现出FCS的优势，使FCS的应用具有实际提高控制水平的意义。
　　
　　（三）FCS在火力发电厂的应用范围
　　
　　FCS在火电厂的应用范围，可以从构成全电厂的工厂级自动化系统的整体来综合考虑。面对火电厂多项实时性要求高、系统复杂的过程监视和控制任务，采取DCS与FCS共存，发挥两者各自的优势，乃是一种现阶段可选的方案。基于这种思路，初步提出以下FCS的应用范围。
　　
　　智能化的FCS现场级设备，数字通信方式，减少了信号传输误差。第三，节省了系统布线，采用通信技术，用一条电缆连接FCS现场设备，节约了布线设备及安装。第四，实现了现场级设备的自动控制，现场级智能化设备不仅具有信号测量与隔离、信号整理及控制运算等功能，还具有设备自诊断及简单故障处理的维护功能，简化了系统，提高了自动化控制水平。
　　
　　2．FCS在火电厂的应用功能
　　
　　结合FCS的技术特点和优势，可以将FCS在火电厂的应用功能，初步归纳为以下几个方面：
　　
　　（1）增强了通信功能。采用FCS通信技术，实现火电厂中不同控制系统之间的通信互联。
　　
　　（2）提高了现场级控制水平。对控制对象相对独立，特别是对于在控制方式上具有共性的控制对象，采用FCS智能化现场设备，实现现场级自动控制。
　　
　　（3）节省投资。较大量地节省布线及相关安装的投资费用。分散了控制功能，减少了集中控制的硬件设备和负担。
　　
　　（4）提高了系统组态的灵活性。当过程控制需要增加或减少现场设备时，不必修改现场的接线．只需增加或减少FCS现场设备和通信接口。
　　
　　（5）提供了设备维护功能。FCS所具有的设备自诊断等维护功能，为设备的管理系统提供了设备的基础信息。
　　
　　（二）FCS在火力发电厂的设计原则
　　
　　设计的原则应该是在安全可靠的基础下，充分发挥FCS的功能优势，以达到提高控制水平的目的。
　　
　　1．满足生产过程监控的要求
　　
　　根据生产过程的监视和控制的要求，确定FCS控制方案。这种要求主要体现在对实时性的要求，特别是对待火电厂中复杂的调节或监控方案，更要进行充分的预设计，进而确定控制方案。
　　
　　2．FCS的设备选择
　　
　　根据已确定的控制方案和通信模式，包括通信速率、通信距离及通信协议，选择能满足控制要求和通信模式的FCS设备。根据设计方案中的供电方式，选择FCS设备的总线供电方式，或者外供电方式。根据FCS布置环境，确定是否采用本安防爆型FCS设备。还需三点强调的选择原则是，被选择的FCS设备必须是被授予过现场总线标志的产品，确保通信的一致性与开放性。
　　
　　3．突出FCS的优势
　　
　　采用FCS的设计方案，应能充分体现出FCS的优势，使FCS的应用具有实际提高控制水平的意义。
　　
　　（三）FCS在火力发电厂的应用范围
　　
　　FCS在火电厂的应用范围，可以从构成全电厂的工厂级自动化系统的整体来综合考虑。面对火电厂多项实时性要求高、系统复杂的过程监视和控制任务，采取DCS与FCS共存，发挥两者各自的优势，乃是一种现阶段可选的方案。基于这种思路，初步提出以下FCS的应用范围。
　　
　　（1）采用PLC可编程控制器，实现监控的全厂辅助公用系统：选用遵循现场总线通信协议的PLC可编程控制器，对火电厂多个辅助公用系统实现监控，通过现场总线通信技术，建立全厂辅助公用系统PLC网络，提高电厂的监控和管理水平。
　　
　　（2）地域分散的单冲量调节项目：对地域分散布置的调节阀，或设置有多个具有调节共性的控制对象的区域，或火电厂改造中拟增加的调节项目且DCS已不便修改的项目，可按区域采用FCS设备，实现现场控制。
　　
　　（3）地域分散的独立电动控制装置：对分散布置在电厂的电动装置（电动阀或电动机），或在工程后续阶段及电厂改造中拟增加的单位电动装置。
　　
　　（4）全厂的设备状态检修，设备管理系统。
　　
　　（5）电厂改造过程中新增的监控区域。
　　
　　三、采用现场总线控制系统（F（踢）的几种设计思路
　　
　　目前，在DCS已形成火电厂的主要控制系统的情况下，FCS的应用应考虑到与DCS共存的协调。作者拟从三个方面提出在火电厂采用FCS的设计思路。　　
　　（一）建立全厂辅助公用系统监控网络：
　　
　　火电厂建设中，相对独立的辅助公用系统大约有10～15个。近两年来，新建的大型火电厂在设计阶段，大多采用PLC可编程控制器，建立PLC全厂辅助公用系统监控网络，集中监控点，分散控制，并通过通信接口将信息向上通信至工厂级自动化系统。目前，这种设
　　
　　计方式已被广泛采纳。
　　
　　1．新建电厂辅助公用网络的建立
　　
　　采用遵循性开放式现场总线通信标准的PLC（例如PROFIBUS现场总线通信标准），设置在电厂的多个辅助公用系统车间，这些辅助公用系统包括有化学车间、工业用水车间、污水处理车间、输煤车间、除灰车间、除渣车间、除尘车间、空压机车间、制氢站及根据工业系统的不同而设置的其他辅助公用系统车间。电厂辅助公用系统的监控信号主要是开关量，模拟量调节项目较少，选用PLC可编程控制器，实现系统的监视和控制，往往是一种方案。设计中，依据各辅助公用系统的测控点的量，按系统、按车间分布地域进行小归类，例如对于化学车间，便可将化水处理、化学加药、化水的制氢归为一类，设置为一个PLC控制点。还可将工业水系统、污水处理系统也归纳为一个控制点，或合并至化学车间控制点。具体的分类可按工程的需要来确定。
　　
　　通过建立全厂辅助公用系统PLC网络，设置车间工作站（主要用于现场调试和维护）和中央监控站。全电厂可以设置2～3个辅助公用系统监控分站，例如，水系统监控站、煤系统监控站和灰系统监控站，还可以在主控制室设中央监控站。根据电厂的管理模式的需要，方便地选择集中或者分站监控方式。辅助公用系统的信息通过网络通信至工厂级自动化系统，加强全厂信息的综合管理，提高控制水平。
　　
　　2．改造电厂辅助公用网络的建立
　　
　　国内大多数2000年以前建设的火电厂中的辅助公用系统的监控方式，仍然是各车间设模拟表盘，或者虽采用了PLC可编程控制器实现程序控制，但实际上各辅助车间相互独立，没有建立网络。这样的监控模式，不仅值班点多，而且无法进行信息通信，即使建立了全厂工厂级自动化系统，也无法获取辅助公用系统的信息，这种模式显然已不能适应当今信息时代的发展，无论是从电厂的整体管理及有待开发的设备管理系统来考虑，还是按地域划分的电力公司的管理去思考，改造老电厂辅助公用系统，建立遵循现场总线通信标准的PLC监控网络，已势在必行。
　　
　　（二）实现单位项目的监控
　　
　　1．智能化FCS现场设备在火电厂的应用
　　
　　智能化FCS现场设备，包括有智能化的传感器、执行器及通信接口设备等。根据生产过程控制的需要，通过嵌入在FCS智能化现场设备中的功能块软件组态，对需要监控的生产过程对象，实现测量信号处理、开方、加减、PID运算以及超前、延时、函数运算等功能，将控制指令传至智能化执行器（或调节阀的智能定位器），自动在现场完成对生产过程对象的调节和控制。
　　
　　2．实现生产过程的单位项目的监控
　　
　　正因为FCS现场设备具有智能化功能，在火电厂热工自动化设计中，可以有选择地将一些测量点和控制点布置位置相近的单位调节或单位控制项目采用FCS现场设备，实现现场控制。在火电厂的过程控制范围中，这些单位项目可以有：磨煤机制粉区域的温度、压力调节项目，高压（低压）加热器区域的液位、压力调节项目，远离电厂主厂房的水泵房区域的调节、监控项目，电厂中需要实施监控的、孤立布置的一些液罐、液池、料位容器、调节阀门以及相对独立布置的电动阀、电动机装置。
　　
　　在实际工程中，有些单位项目的监控已经纳入DCS控制中，或者采用基地式调节方案，但在新建工程中，仍可进行设计方案比较。例如，目前市场上满足FCS开放性通信标准的智能变送器与非智能变送器差价不大，许多新建工程采用的变送器已全部智能化。在这种情况下，对确定的单位监控项目，进一步选用嵌有相应功能块软件的智能变送器、智能执行器，实现现场调节和监控，用一条电缆实现现场设备连接，不但可节省大量的控制接线，满足生产过程监控的要求，并且，因为采用了智能变送器和执行器，也为今后进一步在电厂内实现设备状态检修和自动设备管理，提供了现场硬件设备基础。
　　
　　同样，在老电厂改造项目中，可以在不改变原有DCS控制方式的基础上，通过增加FCS现场设备，改造监控项目。
　　
　　（三）实现设备状态检修系统的应用设想
　　
　　设备状态检修系统，目前在我国尚处于开发与试验阶段，作者在本文中提出设备状态检修系统，主要是基于两方面的设想，一方面是生产过程控制中采用的FCS设备本体己具有的设备状态描述功能和设备故障自诊断功能。另一方面是设想采用FCS设备实现火电厂主要辅机的设备状态描述和设备故障自诊断功能，相对独立地建立设备状态检修系统。
　　
　　1．FCS设备状态检修
　　
　　智能化的FCS设备，通过现场总线传递的数字信号，不仅包括反映生产过程参数的测量信息，还包括了多种FCS设备制造商提供的设备原始信息。这些信息可以是：被测量参数的单位、量程上下限、阻尼、仪表位号、zui小量程间隔、设备型号、制造商、设备版本号、设备制造日期、设备材料等，除了这些FCS设备通常具有的共性外，对于一些特定设备，还有一些特定描述。例如，对测温传感器，可以包括有热元件型号、连线方式、允许测量范围等信息。通过FCS设备传递的设备本体信息，电厂设备管理系统可以对FCS设备进行有效的管理。由于目前大多FCS现场设备遵循HART通信协议标准，通过的遵循HART通信协议标准的现场仪表校验设备，方便地完成设备的定期校验和记录。通过总线通信，将信息送至上层设备管理系统，实现科学管理。
　　
　　2．采用FCS设备实现火电厂主要辅机设备的状态检修
　　
　　对火电厂的主要辅机设备建立设备状态检修系统，是近几年来人们共同关心的课题。由于是一个新课题，在国内尚属开发阶段。作者认为，在火电厂中，DCS控制系统主要完成电厂中实时性要求高的监控项目，而设备状态检修系统采集的信息，有很大一部分是设备的非实时信息，即使是实时变量，设备状态检修系统对信息的实时性要求也不高。由于系统需要采集的信息分散在电厂的各辅机现场，布线区域广，如果将其全部纳入DCS系统，显然是不合适的。如果采用FCS现场设备将主要辅机设备的状态检修功能置于现场，作者认为这也是一种可探讨的方案，因为FCS总线的优势之一便是适于地域分散布置的被控对象。一方面，可节省布线；另一方面，可通过FCS总线的设备管理模块软件的功能，对采集到的反映设备状态的温度、压力、振动、声音、应力、强度等参数，结合来自设备制造商提供的反映设备状态的原始参数和设定时间段记录的历史数据，进行现场信息处理、分析和比较，再将分析结果通过总线通信至上层设备管理层，实现主要辅机设备检修的科学管理。
　　
　　采用FCS设备构成设备状态检修系统，具有一定的优势，这是因为独立设置的FCS设备，与DCS系统在硬件或软件方面都有明显的界限，系统初建投入运行的时间也可以较DCS滞后。这种设计设想，可以用于新建电厂，更有利于老电厂改造，因为系统的建立不会破坏老电厂原有的控制系统。需要注意的是，设备的状态测点，有一部分已由DCS采集，因此这—部分信息是通过现场采集，还是通过总线通信，取决于设备状态检修的软件分析功能是设置在现场FCS设备中，还是设置在上层网络系统中，这是一个需要进一步深入研究的问题。如果是在新建电厂，则电厂新建时，应充分考虑设备状态检修的测点布置。在厂区采用一条电缆将FCS现场设备连接起来，节省的布线方式，既利于新厂建立系统，更利于在老厂改造中建立系统。
　　
　　四、结语
　　
　　通过分析现场总线控制系统在火电厂的应用功能，结合热工自动化设计的新技术，提出FCS在火电厂应用的几种设计思路。随着FCS的不断优化和进步，随着热工自动化设计技术的提高，FCS在火电厂的应用将更广泛，以其具有开放性数字通信的特点，为发展火电厂热工自动化技术发挥作用。