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1、火电厂现场总线控制系统综述刘宾热能 1003 2010000874随着火力发电厂建设规模的不断扩大，电厂自动化水平的不断提高，对电厂的生 产运行和管理提出了更高的要求，为实现电厂全面的信息化管理，大型火力发电 厂基本上都逐步建立了电厂管理信息系统。发电厂电气监控管理系统（简称ECMS） 是在智能化和网络化的电气设备的基础上，采用大量现场总线通信技实现的电气 自动化产品，它的出现势必会对火力发电厂现有的计算机网络监控系统产生很大 的影响，本文将对发电厂电气监控系统的设计范及其它监控系统的关系等方面进 行分析和探讨。1现场总线系统的发展随着控制、计算机、通信、网络等技术的发展，信息交换的领域正在迅
2、速覆 盖从工厂的现场设备层到控制、管理的各个层次，从工段、车间、工厂、企业乃 至世界各地的市场。信息技术的飞速发展，引起了自动化系统结构的变革，逐步 形成以网络集成自动化系统为基础的企业信息系统。现场总线（Fieldbus）就是 顺应这一形势发展起来的新技术。2. 什么是现场总线现场总线是应用在生产现场、在微机化测量控制设备之间实现双向串行多节 点数字通信的系统，也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。它在 制造业、流程工业、交通、楼宇等方面的自动化系统中具有广泛的应用前景。现场总线技术将专用微处理器置入传统的测量控制仪表，使它们各自都具有 了数字计算和数字通信能力，采用双绞线等作为总
3、线，把多个测量控制仪表连接 成的网络系统，并按公开、规范的通信协议，在位于现场的多个微机化测量控制 设备之间以及现场仪表与远程监控计算机之间，实现数据传输与信息交换，形成 各种适应实际需要的自动控制系统。简而言之，它把单个分散的测量控制设备变 成网络节点，以现场总线为纽带，把它们连接成可以相互沟通信息、共同完成自 控任务的网络系统与控制系统。它给自动化领域带来的变化，正如众多分散的计 算机被网络连接在一起，使计算机的功能、作用发生的变化。现场总线则使自控 系统与设备具有了通信能力，把它们连接成网络系统，加入到信息网络的行列。 因此把现场总线技术说成是一个控制技术新时代的开端并不过分。现场总线是
4、20世纪80年代中期在国际上发展起来的。随着微处理器与计算 机功能的不断增强和价格的急剧降低，计算机与计算机网络系统得到迅速发展， 而处于生产过程底层的测控自动化系统，采用一对一连线，用电压、电流的模拟 信号进行测量控制，或采用自封闭式的集散系统，难以实现设备之间以及系统与 外界之间的信息交换，使自动化系统成为“自动化孤岛”要实现整个企业的信 息集成，要实施综合自动化，就必须设计出一种能在工业现场环境运行的、性能 可靠、造价低廉的通信系统，形成工厂底层网络，完成现场自动化设备之间的多 点数字通信，实现底层现场设备之间以及生产现场与外界的信息交换。由于现场总线适应了工业控制系统向分散化、网络化、
5、智能化发展的方向， 它一经产生便成为全球工业自动化技术的热点，受到全世界的普遍关注。现场总 线的出现，导致目前生产的自动化仪表、集散控制系统、可编程控制器在产品的 体系结构、功能结构方面的较大变革，自动化设备的制造厂家被迫面临产品更新 换代的又一次挑战。传统的模拟仪表将逐步让位于智能化数字仪表，并具备数字 通信功能。出现了一批集检测、运算、控制功能于一体的变送控制器；出现了可 集检测温度、压力、流量于一身的多变量变送器；出现了带控制模块和具有故障 信息的执行器；并由此大大改变了现有的设备维护管理方法。3. 现场总线的发展50年代以前，由于当时的生产规模较小，检测控制仪表尚处于发展的初级 阶段，
6、所采用的仅仅是安装在生产设备现场、只具备简单测控功能的基地式气动 仪表，其信号仅在本仪表内起作用，一般不能传送给别的仪表或系统，即各测控 点只能成为封闭状态，无法与外界沟通信息，操作人员只能通过生产现场的巡视， 了解生产过程的状况。由于模拟信号的传递需要一对一的物理连接，信号变化缓慢，提高计算速度与精 度的开销、难度都较大，信号传输的抗干扰能力也较差，人们开始寻求用数字信 号取代模拟信号，出现了直接数字控制。由于当时的数字计算机技术尚不发达， 价格昂贵，人们企图用一台计算机取代控制室的几乎所有的仪表盘，出现了集中 式数字控制系统。但由于当时数字计算机的可靠性还较差，一旦计算机出现某种 故障，就
7、会造成所有控制回路瘫痪、生产停工的严重局面，这种危险也集中的系 统结构很难为生产过程所接受。随着计算机可靠性的提高，价格的大幅度下降，出现了数字调节器、可编程控制 器以及由多个计算机递阶构成的集中管理、分散控制相结合的集散控制系统。这 就是今天正在被许多企业采用的DCS系统。DCS系统中，测量变送仪表一般为 模拟仪表，因而它是一种模拟数字混合系统。这种系统在功能、性能上较模拟仪 表、集中式数字控制系统有了很大进步，可在此基础上实现装置级、车间级的优 化控制。但是，在DCS系统形成的过程中，由于受计算机系统早期存在的系统封 闭这一缺陷的影响，各厂家的产品自成系统，不同厂家的设备不能互连在一起，
8、难以实现互换与互操作，组成更大范围信息共享的网络系统存在很多困难。新型的现场总线控制系统则突破了 DCS系统中通信由专用网络的封闭系统 来实现所造成的缺陷，把基于封闭、专用的解决方案变成了基于公开化、标准化 的解决方案，即可以把来自不同厂商而遵守同一协议规范的自动化设备，通过现 场总线网络连接成系统，实现综合自动化的各种功能；同时把DCS集中与分散相 结合的集散系统结构，变成了新型全分布式结构，把控制功能彻底下放到现场， 依靠现场智能设备本身便可实现基本控制功能。现场总线之所以具有较高的测控能力指数，一是得益于仪表的微机化，二是 得益于设备的通信功能。把微处理器置入现场自控设备、使设备具有数字
9、计算和 数字通信能力，一方面提高了信号的测量、控制和传输精度，同时为丰富控制信 息的内容，实现其远程传送创造了条件。在现场总线的环境下，借助设备的计算、 通信能力，在现场就可进行许多复杂计算，形成真正分散在现场的完整的控制系 统，提高控制系统运行的可靠性。还可借助现场总线网段以及与之有通信连接的 其他网段，实现异地远程自动控制，如操作远在数百公里之外的电气开关等。还 可提供传统仪表所不能提供的如阀门开关动作次数、故障诊断等信息，便于操作 管理人员更好、更深入地了解生产现场和自控设备的运行状态。1994年，ISP和World FIP北美部分合并，成立了现场总线基金会（Fieldbus Found
10、ation，简标FF）,推动了现场总线标准的制定和产品开发，于1996年第 一季度颁布了低速总线H1的标准，安装了示范系统，将不同厂商的符合FF规范 的仪表互连为控制系统和通信网络，使H1低速总线开始步入实用阶段。 与此同时，在不同行业还陆续派生出一些有影响的总线标准。它们大都在公司标 准的基础上逐渐形成，并得到其他公司、厂商、用户以至于国际组织的支持。如 德国Bosch公司推出CAN (Control Area Network)，美国Echelon公司推出的 Lon Works等。大千世界，众多行业，需求各异，加上要考虑已有各种总线产品 的投资效益和各公司的商业利益，预计在今后一段时期内，会
11、出现几种现场总线 标准共存、同一生产现场有几种异构网络互连通讯的局面。但发展共同遵从的统 一的标准规范，真正形成开放互连系统，是大势所趋。4. 现场总线的特点系统的开放性：开放是指对相关标准的一致性、公开性，强调对标准的 共识与遵从。一个开放系统，是指它可以与世界上任何地方遵守相同标准的其他 设备或系统连接。通信协议一致公开，各不同厂家的设备之间可实现信息交换。 现场总线开发者就是要致力于建立统一的工厂底层网络的开放系统。用户可按自 己的需要和考虑，把来自不同供应商的产品组成大小随意的系统。通过现场总线 构筑自动化领域的开放互连系统。 互可操作性与互用性：互可操作性，是指实现互连设备间、系统间
12、的信 息传送与沟通；而互用则意味着不同生产厂家的性能类似的设备可实现相互替 换。现场设备的智能化与功能自治性：它将传感测量、补偿计算、工程量处 理与控制等功能分散到现场设备中完成，仅靠现场设备即可完成自动控制的基本 功能，并可随时诊断设备的运行状态。系统结构的高度分散性：现场总线已构成一种新的全分散性控制系统的 体系结构。从根本上改变了现有DCS集中与分散相结合的集散控制系统体系，简 化了系统结构，提高了可靠性。 对现场环境的适应性：工作在生产现场前端，作为工厂网络底层的现场 总线，是专为现场环境而设计的，可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外 线、电力线等，具有较强的抗干扰能力，能采用两线
13、制实现供电与通信，并可满 足本质安全防爆要求等。5在电厂应用的前景通过ECMS系统在部分电厂的实际应用，总结获得的经验和教训，对ECMS系 统设计思路有必要作出调整，使现场总线技术能发挥更好、更大的作用。根据2007 年11月底在北京召开的现场总线技术在火力发电厂电气控制系统中应用研讨会 的精神，在实际工程中可根据电厂运行管理模式、自动化管理水平的要求设计 ECMS系统方案。鉴于目前现场总线技术发展的现状，难以实现DCS系统与 ECMS之间的紧密无缝联接，因此建议ECMS系统不与DCS通信，减少两个系 统之间的相互干扰。这样既保证DCS和ECMS系统运行可靠性，又大大减少了 两个系统之间的通信
14、信息，改善系统响应时间。方案一:从安全角度考虑，因电动机负荷与机炉过程控制密切相关，其控制逻辑 在DCS系统实现，为保证实时性，电动机控制仍按传统硬接线方式输入DCS I/O 卡件;而电源负荷因其保护和控制逻辑基本在就地以硬接线和智能装置实现，与 通信网络无关，因此可采用全通信控制方式。与传统方案通信+关键硬接线模 式的ECMS相比，该方案取消ECMS与DCS系统通信后，可以大大减少DCS 系统通信接口板卡数量和通信配合调试工作量，减轻DCS系统通信负担，系统 维护简便，专业接口清晰，接线简化，避免重复投资和功能重叠。方案二:工艺负荷和电气负荷均采用传统硬接线方式输入DCS I/O卡件;ECM
15、S系 统实现对就地电气设备的监视和管理功能。6结论现场总线控制技术的出现，极大改变了电厂电气系统控制方式，提升了电厂信息 化管理水平，ECMS系统作为一种全计算机、全数字、双向通信的新型控制系统, 它与常规DCS的本质差异在于现场级设备的数字化、网络化，实现控制装置与 现场装置的双向通信，消除电厂生产过程监控的信息盲点。在目前阶段，现场总线的应用应该采用循序渐进的方式，对于已经具备就地信息 化、智能化的电气系统，应积极推动现场总线技术的使用和推广，最大发挥其带 来的经济效益和管理效益;而对于尚不具备条件的部分，也不宜硬性推广使用。在工程设计中应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，以实事求是的科学态度应对现场总线技术带来的机遇与 挑战。
