0 概 述

現(xiàn)場總線（field bus），按其國際電工委員會IEC61158的定義為：“安裝在制造或過程區(qū)域的現(xiàn)場裝置與控制室內(nèi)的自動控制裝置之間的數(shù)字式、串行、雙向、多點(diǎn)通信的數(shù)據(jù)總線稱為現(xiàn)場總線”；由現(xiàn)場總線和現(xiàn)場智能設(shè)備組成的控制系統(tǒng)稱為現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)通稱為FCS（Field bus Control System）。

1 方案設(shè)想

根據(jù)對現(xiàn)場總線技術(shù)的應(yīng)用情況，本工程660MW超臨界機(jī)組火力發(fā)電廠現(xiàn)場總線的設(shè)計(jì)方案初步考慮如下：

1.1 智能變送器采用HART現(xiàn)場總線連接

目前發(fā)電廠所配的智能變送器（如壓力、差壓變送器），基本是帶有HART通訊功能的智能變送器，HART現(xiàn)場總線是1986年美國羅斯蒙特公司首先研制開發(fā)出來的一種現(xiàn)場通訊協(xié)議，它在過程控制儀表普遍采用的4～20mA標(biāo)準(zhǔn)信號的基礎(chǔ)上疊加了數(shù)字信號。

這個(gè)數(shù)字信號是利用頻移鍵控技術(shù)（Frequency Shift Keying）將數(shù)字信號變換為音頻信號，協(xié)議規(guī)定信號的頻率為1200bit/s。這個(gè)音頻信號正弦波的平均值為零，所以在現(xiàn)場模擬信號中不增加直流部分，因此兩根線上可同時(shí)傳送互不影響的模擬和數(shù)字信號。

目前大多數(shù)電廠只是利用了帶有HART通訊功能的智能變送器的模擬量信號，而對數(shù)字量的信號卻無實(shí)際應(yīng)用。但國內(nèi)也有一些電廠已應(yīng)用了帶HART通訊功能的智能變送器的數(shù)字量信號，如華能威海發(fā)電廠二期工程（2×300MW）機(jī)組，把所有現(xiàn)場智能變送器（每臺機(jī)組約200臺）的HART信號送入HART多路轉(zhuǎn)換器，接入羅斯蒙特的設(shè)備管理系統(tǒng)（AMS），揚(yáng)州二電廠將現(xiàn)場智能變送器（每臺機(jī)組約500臺）的HART信號送入OVATION分散控制系統(tǒng)，可在控制室的計(jì)算機(jī)上就能監(jiān)視、管理和調(diào)整運(yùn)行的設(shè)備。

據(jù)有關(guān)資料介紹，采用智能變送器HART信號及AMS系統(tǒng)在提高工作效率、增強(qiáng)機(jī)組安全經(jīng)濟(jì)性方面大有益處。采用傳統(tǒng)方法在檢修或日常維護(hù)工作中，要對檢驗(yàn)的壓力、差壓變送器進(jìn)行解列/投運(yùn)、停電/送電、拆線/接線、拆/裝等工作，檢驗(yàn)一臺變送器需要使用中、高級檢修工1.5個(gè)工作日。

采用HART信號及AMS，變送器檢驗(yàn)工作全在電腦中完成，檢驗(yàn)一臺變送器只需約15分鐘，大大提高了工作效率。采用HART信號或AMS，可充分利用智能變送器的功能，在計(jì)算機(jī)上可監(jiān)測到變送器安裝環(huán)境的環(huán)境溫度，根據(jù)變送器檢測的環(huán)境溫度，決定是否采用保溫措施，防止測量管路凍結(jié)或凍壞變送器。在現(xiàn)場變送器的故障報(bào)警方面，采用HART信號或AMS能夠幫助迅速查明故障原因，縮短故障排除時(shí)間。

本工程可采用智能變送器的HART信號構(gòu)置設(shè)備管理系統(tǒng)，以提高工作效率，減少設(shè)備維護(hù)費(fèi)用的支出，并提高測量系統(tǒng)的準(zhǔn)確、可靠性。

1.2 電動門采用現(xiàn)場總線

在德國Niederaussem電廠中，現(xiàn)場總線電動門用于對安全特性無特殊要求的自動控制任務(wù)（如汽水循環(huán)、煙氣系統(tǒng)和機(jī)組協(xié)調(diào)），對于對安全特性有特殊要求的自動控制任務(wù)（如鍋爐保護(hù)和燃燒器管理等）及用于汽輪發(fā)電機(jī)的閉環(huán)控制設(shè)計(jì)（如DEH等）不采用現(xiàn)場總線。

本工程考慮進(jìn)一步擴(kuò)大現(xiàn)場總線電動門的范圍。不僅是電動關(guān)斷門采用現(xiàn)場總線，電動調(diào)節(jié)門也可采用現(xiàn)場總線。采用的系統(tǒng)范圍也可進(jìn)一步擴(kuò)大，可以考慮參考德國Niederaussem電廠現(xiàn)場總線電動門的設(shè)置范圍，即除了對安全特性有特殊要求的自動控制任務(wù)及用于汽輪發(fā)電機(jī)的閉環(huán)控制設(shè)計(jì)外，其它電動門均采用現(xiàn)場總線電動門?，F(xiàn)場總線電動門的總線網(wǎng)絡(luò)可采用冗余通訊網(wǎng)絡(luò)，以確?？刂凭W(wǎng)絡(luò)的可靠性。

1.3 電動機(jī)采用現(xiàn)場總線

由于設(shè)備廠家在這方面也沒有成熟的經(jīng)驗(yàn)，在系統(tǒng)調(diào)試及設(shè)備單體調(diào)試中遇到了一些困難，主要是SIMOCODE存在損壞現(xiàn)象，這主要是由于現(xiàn)場環(huán)境不良及維護(hù)不善造成。另外，也出現(xiàn)過通訊中斷情況，故障發(fā)生后，通過采取了SIMOCODE與DCS系統(tǒng)通訊的抗干擾隔離措施，加裝PROFIBUS有源抗干擾模件，增加適量的接口設(shè)備如（Y型切換器、光電轉(zhuǎn)換器等）改進(jìn)措施，改進(jìn)后類似故障未再出現(xiàn)。

江陰夏港電廠400V及以下電機(jī)均采用現(xiàn)場總線方式控制，通過現(xiàn)場總線與分散控制系統(tǒng)連接，對于6kV電機(jī)，啟、停指令信號及電機(jī)已啟、已停信號可通過硬接線信號進(jìn)入分散控制系統(tǒng)，其它信號通過總線方式進(jìn)入分散控制系統(tǒng)。兩臺機(jī)組目前已投入運(yùn)行，采用現(xiàn)場總線控制運(yùn)行情況穩(wěn)定可靠。

從電廠電動機(jī)采用現(xiàn)場總線控制情況來看，電動機(jī)采用現(xiàn)場總線控制在電廠實(shí)際運(yùn)行中已證明是可靠的，而且也已積累了一定的經(jīng)驗(yàn)。在本工程中可根據(jù)電動機(jī)的電壓情況進(jìn)行分別對待：400V及以下電機(jī)采用現(xiàn)場總線方式控制，所有信號都通過現(xiàn)場總線與分散控制系統(tǒng)連接，對于6kV電機(jī)，啟、停指令信號及電機(jī)已啟、已停信號可通過硬接線信號進(jìn)入分散控制系統(tǒng)，其它信號可通過總線方式進(jìn)入分散控制系統(tǒng)。

1.4 輔助車間控制系統(tǒng)

目前現(xiàn)場總線技術(shù)在國內(nèi)燃煤電廠輔助車間系統(tǒng)尚未有大范圍應(yīng)用的業(yè)績，正在工程建設(shè)中的燃煤電廠輔助車間系統(tǒng)采用現(xiàn)場總線技術(shù)的有：浙江華能玉環(huán)電廠（2×1000MW），在鍋爐補(bǔ)給水處理系統(tǒng)、廢水處理系統(tǒng)中采用現(xiàn)場總線技術(shù)。

由于新建電廠輔助車間系統(tǒng)如輸煤系統(tǒng)、干灰輸送系統(tǒng)、電除塵系統(tǒng)、凝結(jié)水精處理系統(tǒng)、化學(xué)加藥系統(tǒng)、汽水取樣系統(tǒng)、循環(huán)水加氯系統(tǒng)、污水處理系統(tǒng)等往往采用分島招標(biāo)形式，分島招標(biāo)中工藝設(shè)備與控制系統(tǒng)及儀表常又打捆供貨，造成控制系統(tǒng)及儀表由多個(gè)供貨商提供；

另一方面，現(xiàn)場總線技術(shù)就目前而言還是較新的技術(shù)，各輔助系統(tǒng)工藝設(shè)備供貨商對現(xiàn)場總線儀表及控制系統(tǒng)還缺乏了解，業(yè)績較少，在這種情況下，如果由各輔助系統(tǒng)工藝設(shè)備供貨商提供現(xiàn)場總線設(shè)備及控制系統(tǒng)可能會對電廠輔助控制系統(tǒng)的質(zhì)量和建設(shè)工期有所影響。

因此，現(xiàn)場總線技術(shù)在全廠輔助車間系統(tǒng)上的應(yīng)用，必須采取工藝設(shè)備單獨(dú)分島招標(biāo)、控制系統(tǒng)集中招標(biāo)的形式才有可能實(shí)現(xiàn)，根據(jù)單元機(jī)組現(xiàn)場總線方案設(shè)計(jì)原則，結(jié)合輔助車間工藝特點(diǎn)，全廠統(tǒng)一規(guī)劃技術(shù)要求，盡早安排，確保輔助控制系統(tǒng)的質(zhì)量和建設(shè)工期滿足要求。對鍋爐補(bǔ)給水處理系統(tǒng)、廢水處理系統(tǒng)、凈水站等輔助車間系統(tǒng)可優(yōu)先采用現(xiàn)場總線技術(shù)。

2 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

2.1 分散控制系統(tǒng)

采用現(xiàn)場總線方式后，對于分散控制系統(tǒng)（DCS）而言，I/O卡件可以減少，但通訊模件卻要大量增加。報(bào)價(jià)的基礎(chǔ)條件：

單元機(jī)組I/O點(diǎn)約為9400點(diǎn)，電動調(diào)門約75個(gè)，電動關(guān)斷門（含部分氣動關(guān)斷門）約240個(gè)，400V及以下電機(jī)約110個(gè)，6kV電動機(jī)約22個(gè)，每對通訊口帶電動門數(shù)量按不超過15、每個(gè)通訊口帶電動機(jī)數(shù)量按不超過10個(gè)。單元機(jī)組I/O點(diǎn)列表如下：

分散控制系統(tǒng)（DCS）廠商一：提供的報(bào)價(jià)采用現(xiàn)場總線方案比采用常規(guī)分散控制系統(tǒng)方案費(fèi)用每臺機(jī)組約貴150萬元人民幣。

分散控制系統(tǒng)（DCS）廠商二：提供的報(bào)價(jià)采用現(xiàn)場總線方案比采用常規(guī)分散控制系統(tǒng)方案費(fèi)用每臺機(jī)組約貴225萬元人民幣。

2.2 現(xiàn)場設(shè)備

1）電動門

?進(jìn)口電動門

當(dāng)今新建工程項(xiàng)目中，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的電動門大多數(shù)已要求采用智能機(jī)電一體化產(chǎn)品，在這種情況下，通過進(jìn)一步明確現(xiàn)場設(shè)備應(yīng)符合的總線標(biāo)準(zhǔn)，即可將設(shè)備接入現(xiàn)場總線系統(tǒng)，成本增加不大。平均每個(gè)進(jìn)口現(xiàn)場總線電動門約比進(jìn)口智能一體化電動門貴1萬元人民幣左右。

?國產(chǎn)電動門

由于目前國產(chǎn)現(xiàn)場總線電動門執(zhí)行機(jī)構(gòu)尚未有成熟的應(yīng)用業(yè)績，本工程超臨界機(jī)組現(xiàn)場總線電動門執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用進(jìn)口設(shè)備，但進(jìn)口現(xiàn)場總線電動門執(zhí)行機(jī)構(gòu)與國產(chǎn)的差價(jià)較大，平均每臺差價(jià)約為3～4.5萬元人民幣。

2）電動機(jī)

通過調(diào)研，電動機(jī)控制單元大批量采用現(xiàn)場總線智能控制單元后，每臺電動機(jī)的現(xiàn)場總線智能控制單元，只比常規(guī)控制單元貴5千元人民幣左右。

3）現(xiàn)場變送器

由于目前電廠采用的壓力、差壓變送器等基本上都帶有HART總線協(xié)議接口，所以變送器采用HART協(xié)議進(jìn)入分散控制系統(tǒng)對現(xiàn)場一次設(shè)備而言不增加任何費(fèi)用。對于變送器的設(shè)備管理軟件等，每臺機(jī)組需人民幣約為20～30萬元。

2.3 電纜

采用現(xiàn)場總線技術(shù)可以節(jié)約電纜、電纜橋架等安裝材料。常規(guī)分散控制系統(tǒng)方案，每個(gè)電動調(diào)門與分散控制系統(tǒng)之間需敷設(shè)2根兩根控制電纜，每個(gè)電動關(guān)斷門與分散控制系統(tǒng)之間一般需敷設(shè)1根控制電纜，每個(gè)電機(jī)與分散控制系統(tǒng)之間約需拉2～3根控制電纜，每根電纜平均長度約為120米。采用現(xiàn)場總線技術(shù)后只需少量的通訊電纜。每臺機(jī)組約節(jié)約電纜80千米。

2.4 輔助系統(tǒng)

輔助系統(tǒng)采用現(xiàn)場總線與采用可編程控制器（PLC）相比，會減少一些I/O卡件，但同時(shí)也需增加一些通訊卡件，可以在一對雙絞線或一條電纜上就可以掛接多個(gè)設(shè)備，可以節(jié)約大量電纜，節(jié)約安裝費(fèi)用，但同時(shí)由于要采用的儀表是數(shù)字化和智能化的現(xiàn)場總線儀表，目前其價(jià)格要比普通的儀表要貴，所以綜合比較下來，在經(jīng)濟(jì)上基本持平。

綜合以上的經(jīng)濟(jì)比較，保守的計(jì)算采用現(xiàn)場總線方案約比采用常規(guī)分散控制系統(tǒng)方案每臺機(jī)組需增加費(fèi)用585萬元左右（增加費(fèi)用主要是現(xiàn)場總線電動門及執(zhí)行機(jī)構(gòu)）。

采用現(xiàn)場總線技術(shù)之后，分散控制系統(tǒng)、現(xiàn)場總線電動門、電動機(jī)現(xiàn)場總線控制單元、現(xiàn)場總線儀表等均需要具備現(xiàn)場總線接口，這部分產(chǎn)品比常規(guī)產(chǎn)品價(jià)格會高一些，但控制采用現(xiàn)場總線技術(shù)后，這些電氣設(shè)備在節(jié)省的電纜、匯線槽、橋架、機(jī)柜以及運(yùn)行階段對設(shè)備進(jìn)行的維護(hù)和管理、采用遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)定和遠(yuǎn)程故障診斷等方面將會有明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

3 現(xiàn)場總線技術(shù)應(yīng)用可能存在的問題和預(yù)防措施

3.1 可能存在的問題

1）現(xiàn)場總線系統(tǒng)遠(yuǎn)程診斷優(yōu)勢的充分發(fā)揮

以智能化現(xiàn)場儀表為基礎(chǔ)的現(xiàn)場總線系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比，其優(yōu)點(diǎn)不僅在控制方面，更多的在于維護(hù)簡單、具有自動診斷、校正等管理功能方面，而目前國內(nèi)實(shí)際使用時(shí)還未應(yīng)用其管理自動化和遠(yuǎn)程診斷功能，因此，可能在近期無法發(fā)揮現(xiàn)場總線系統(tǒng)降低運(yùn)行維修成本的優(yōu)勢。

2）工程調(diào)試難度增加

由于現(xiàn)場總線技術(shù)包含許多新的技術(shù)內(nèi)容，組態(tài)參數(shù)很多，不容易掌握，尤其象FF這樣的現(xiàn)場總線本身相當(dāng)復(fù)雜，在工程調(diào)試和運(yùn)行時(shí)常會遇到困難，因此，需要有一支較強(qiáng)的技術(shù)隊(duì)伍來解決調(diào)試運(yùn)行中產(chǎn)生的技術(shù)難題。相對而言，PROFIBUS較為簡單和容易實(shí)現(xiàn)。

3）現(xiàn)場總線產(chǎn)品的可選范圍相對較少

現(xiàn)場總線是新技術(shù)，其本身仍在發(fā)展過程中，其智能現(xiàn)場設(shè)備的規(guī)范和品種比起常規(guī)儀表來說，還是比較少，特別是針對電廠開發(fā)的現(xiàn)場總線高性能控制器和智能現(xiàn)場設(shè)備較少，即缺少廣泛的現(xiàn)場智能設(shè)備的支撐，特別是國產(chǎn)總線設(shè)備，因而在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)選擇的余地不大，某些情況下設(shè)備價(jià)格將偏高。

4）現(xiàn)場總線產(chǎn)品統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)采購難度大

現(xiàn)在電廠的基建模式是：由設(shè)計(jì)單位負(fù)責(zé)編制設(shè)備規(guī)范書，建設(shè)單位組織采購。也有一些設(shè)備由施工單位采購，還有一些設(shè)備隨工藝設(shè)備配套或分包提供。這種設(shè)備采購方式難以保證按照統(tǒng)一的總線標(biāo)準(zhǔn)供貨。根據(jù)現(xiàn)在的實(shí)際情況，即使規(guī)范書中的技術(shù)條件十分明確，往往現(xiàn)場到貨卻是另一回事。不同的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)是不兼容的，結(jié)果花了錢卻起不到效果。

5）統(tǒng)一現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)難度大

在設(shè)計(jì)單位內(nèi)部，自動控制涉及電氣專業(yè)、熱控專業(yè)甚至系統(tǒng)專業(yè)，這些專業(yè)分管的系統(tǒng)和現(xiàn)場設(shè)備各不相同。如主廠房內(nèi)，泵與風(fēng)機(jī)的電動機(jī)配電裝置由電氣專業(yè)負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)，電動門配電裝置由熱控專業(yè)負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)，成百個(gè)設(shè)備在設(shè)計(jì)和訂貨時(shí)，要求采用統(tǒng)一的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，難度可想而知。

3.2 預(yù)防措施

為了使工程設(shè)計(jì)達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)，工程建設(shè)各方應(yīng)加強(qiáng)技術(shù)儲備和廣泛開展多方位的技術(shù)交流。工程技術(shù)人員應(yīng)努力學(xué)習(xí)現(xiàn)場總線技術(shù)的有關(guān)知識，加深對現(xiàn)場總線的理解，逐步形成現(xiàn)場總線控制技術(shù)的工程應(yīng)用能力。

對于實(shí)際操作過程，應(yīng)從技術(shù)角度出發(fā)，根據(jù)工程的特點(diǎn)和需要，對各種現(xiàn)場總線系統(tǒng)的技術(shù)性能、市場占有率（包括國內(nèi)、外）、產(chǎn)品配套程度、國內(nèi)技術(shù)支持程度、供貨商信譽(yù)、售后服務(wù)、價(jià)格和兼容性以及與其它系統(tǒng)接口的難易程度等進(jìn)行綜合比較，從而選擇和確定現(xiàn)場總線系統(tǒng)的類型。

采用國際知名度高、信譽(yù)好、用戶多、配套廠商多、產(chǎn)品性能優(yōu)越的現(xiàn)場總線產(chǎn)品，這類產(chǎn)品將來成為行業(yè)性標(biāo)準(zhǔn)和國家、國際標(biāo)準(zhǔn)的可能性最大，從而可以保證使用者的投資具有長期效益。

此外，為確保工程的有效、順利實(shí)施，在工程設(shè)計(jì)之前積極開展與控制工程公司之間的技術(shù)交流。通過雙方的技術(shù)交流，使控制工程公司預(yù)先了解本工程期望達(dá)到的目標(biāo)，以便在技術(shù)上進(jìn)行充分的準(zhǔn)備。

在技術(shù)交流時(shí)，將要求各控制工程公司按PROFIBUS或FF總線標(biāo)準(zhǔn)，提供他們認(rèn)為在以往工程實(shí)踐具有良好應(yīng)用業(yè)績的現(xiàn)場總線電動門、變送器、馬達(dá)控制器等現(xiàn)場總線設(shè)備的配套廠商名單，并根據(jù)提供的參考工藝系統(tǒng)配置方案。如有必要，也可采取由控制工程公司提供現(xiàn)場設(shè)備，以確保整個(gè)控制系統(tǒng)能達(dá)到良好的實(shí)用效果。

4、結(jié)束語

綜觀目前國內(nèi)外現(xiàn)場總線技術(shù)的應(yīng)用，大致可分為兩類，其一是分散控制系統(tǒng)（DCS）遠(yuǎn)程 I/O通訊采用現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議技術(shù)的應(yīng)用，主流分散控制系統(tǒng)（DCS）廠商幾乎都有應(yīng)用業(yè)績，國內(nèi)工程上已有許多的經(jīng)驗(yàn)；

第二類是符合現(xiàn)場總線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的智能現(xiàn)場設(shè)備中植入具有控制器功能的控制模塊，并以符合某種現(xiàn)場總線協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的通訊方式與分散控制系統(tǒng)（DCS）相聯(lián)接的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，這是目前工程設(shè)計(jì)上的突破點(diǎn)，也是目前國內(nèi)外在工程設(shè)計(jì)上探討的，希望能廣泛應(yīng)用的真正的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)方案。

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