现场总线技术分析论文

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【论文关键词】:现场总线;控制系统;冗余;电厂

【论文摘要】:文章主要讨论了现场总线的特点，阐明了基于现场总线的电厂自动化系统构成，着重强调了现场总线在电厂中应用应注意的问题。

1.前言

在电厂信息化的建设过程中，越来越多的专家、学者和电力工程设计人员意识到推动现场总线技术在电厂应用的重要性和迫切性，提出了现场总线控制系统在电厂的应用设想和建议。但到目前为止，在国内已建和在建电厂中，真正意义上的全面和系统地应用现场总线控制系统的实例尚未见报道，还只是局部的试点。

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)。而衡量一个控制系统是否为真正的FCS有三个关键要点，即：核心、基础和本质。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系统的效能体现。

因此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。

2.电气现场总线控制系统的特点

2.1电气参数变化快

电气模拟量一般为电流、电压、功率、频率等参数，数字量主要为开关状态、保护动作等信号，这些参数变化快，对计算机监控系统的采样速度要求高。

2.2电气设备的智能化程度高

电气系统的发电机一变压器组保护、起动一备用变压器保护、自动同期装置、厂用电切换装置、励磁调节器等保护或自动装置均为微机型，6kV开关站保护为微机综合保护，380V开关站采用智能开关和微机型电动机控制器，所有的电气设备均实现了智能化，能方便地与各种计算机监控系统采用通信方式进行双向通信。

2.3电气设备的控制逻辑简单

电气设备的控制一般均为开关量控制，控制逻辑十分简单，一般无调节或其它控制要求。

2.4电气设备的控制频度较低

除在机组起、停过程中，部分电气设备要进行一些倒闸或切换操作外，在机组正常运行时电气没备一般不需要操作。在事故情况下，大多由继电保护或自动装置动作来切除故障或进行厂用电源切换。

2.5电气设备具有良好的可控性

这是因为电气的控制对象一般均为断路器、空气开关或接触器，其操作灵活，动作可靠，与电厂其它受控设备相比，具有良好的可控性。

2.6电气设备的安装环境较好且布置相对集中

电气设备大多集中布置在电气继电器室和各电气配电设备问内，设备布置相对比较集中，且安装环境极少有水汽或粉尘的污染，为控制设备就地布置提供了有利条件。

3.基于现场总线的电厂自动化系统构成

电厂热工控制系统中所使用的仪表设备不同、连接方式不同、通信协议不同，给系统的兼容性、可扩展性、稳定性、维护等带来了很大的困难。为了使现场总线具有开放性，便于用户选择不同的产品，我们按照国际电工委员会(IEC)制定的IEC61158国际标准，提出了基于现场总线的电厂综合自动化系统结构。此系统体系结构分为三层，从低到高分别为现场控制层、监控层和企业管理层。

3.1现场控制层

现场控制层由现场设备和控制网段组成。H1层网络是在FF现场总线的H1层基础上定义的低速现场级网络，低速总线H1支持点对点连接、总线型、菊花链型、树型拓扑结构，而高速总线仅支持总线拓扑结构。Hl主要用于连接现场智能仪表，如压力、温度、液位、流量等变送器及其执行机构等。

3.2监控层

监控层由高速以太网0t2总线)以及连接在总线上的担任监控作务的工作站或显示操作站组成。tt2层网络属于现场总线的高速现场级网络，主要用于连接现场智能设备(PLC、远程I／O、电动门、变频器等)、操作员站、工程师站等设备，完成监控级的通讯任务和比较复杂的控制策略。

3.3企业管理层

企业管理层由各种服务器和客户机组成。其主要目的是在分布式网络环境下。集成企业的各种信息，实现与internet的连接。完成管理、决策和商务应用的各种功能。首先要将监控层实时数据库中的信息转入上层的关系数据库中，这样管理层用户就能随时查询网络运行状态以及现场设备的工况，对生产过程进行实时的远程监控。

4.工程应用中需考虑的问题

虽然现场总线具有很多优越性能，但尚无十分成熟的应用经验，特别是目前的标准中还包含有多种协议，给实际应用带来了许多困难。因此，工程应用中必须精心设计，慎重考虑，在充分考虑到满足生产现场对控制系统功能需求和安全可靠的前提下，尽量发挥现场总线设备的优越性能。

4.1应用范围

在没有成熟的应用经验情况下，有选择地在部分区域控制中应用并总结经验，不断改进。如在火电厂中可广泛应用于辅助车间、单回路控制区域，特别是用作远程智能I／O与DCS系统混合使用，既可将DCS控制站的部分简单算法下装到现场设备，还能将现场设备信息及时送到操作员站、工程师站以及厂级实时监控系统(sIs)和电厂管理信息系统(MIs)。

4.2冗余问题

目前现场设备级总线大多采用非冗余的单总线结构，如果总线故障必然导致信息传输中断，失去控制作用，因此在要求具有高可靠性的场合，应采取备份措施以实现总线和设备的冗余，以提高系统的可靠性。

4.3通信速率问题

目前现场总线尤其是设备级总线的通信速率都不高，在高速测量与控制场合以及在实施协调控制时对控制周期有严格要求的场合，必须考虑精确计算控制系统在最复杂和最恶劣的情况下的响应速度，并验证其是否满足工艺要求，以确保被控设备或被控过程的稳定性。

4.4软件组态问题

由于现场总线标准中包含多种通信协议，现场总线产品多种多样，功能也各不相同，因此在工程应用中，必须对现场总线控制系统的组态方法、步骤和操作权限作出规定，严格按照软件开发规程编制组态程序，确保系统的可靠性、可修改性。

4.5检测与验收问题

由于现场总线设备既具有相对独立的测控功能，又具有联网实现复杂控制的功能，因此现场总线的控制功能更为分散，系统结构更加独立，但耦合程序更加复杂。因此对控制系统功能、响应速度和可靠性测试都更加复杂，所以在控制系统设计时同时考虑对系统自检测与验收方法的设计。

5.现场总线在火力发电厂的应用范围

现场总线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，是现阶段可选的方案。基于这种想法，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。

3)地域分散的独立的电动阀或电动机。

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，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。

6.结语

合理规划电厂的自动化和信息化架构，降低工程造价，提高电厂自动化和信息管理水平，投资方、建设方以及设计院，同设备供应商一道推动现场总线技术在电厂的应用，享受新技术带来的效益和成果。