现场总线应用探讨

现场总线应用探讨

刘玉生

（大唐甘肃发电有限公司八〇三热电厂甘肃省兰州市732850）

摘要：为降低损耗和提高管理效益，利用尖端技术实现生产过程高度自动化和管理现代化，数字化电厂将是未来发展的趋势。

关键词：DCS一体化，FCS技术，技术经济，总线优势

1）DCS主辅一体化

从众多国内DCS项目的情况来看，都实现了主控系统与脱硫系统、辅控系统一体化，很多DCS项目主控、脱硫、辅控、DEH、MEH均保持DCS一体化。相对与以往的在同一个项目中多家DCS并存甚至DCS和PLC并存的方案，这样做的原因或者好处是：首先，这样作提高了DCS系统的效率，从根本上解决了各种不同系统并存时产生的通讯、传输效率等问题。其次，便于现场技术人员的日常工作，即只要精通一种DCS，就可以满足日常工作需要，大大降低了人的工作强度，增加了工作时的舒适度。再次，一体化DCS的技术方案也使用户对备品备件的管理更加的简便，从长期的运行情况来看，这种一体化的做法还可以降低运行和维护的成本，可谓一石多鸟。因此，现在已经有越来越多的国内电厂采用DCS一体化的方案来实现对辅网的控制，并且获得了满意的效果。

2）现场总线FCS技术

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。它与传统的DCS系统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，消除了生产过程现场仪表和装置设备状态监控信息的“盲点”。可以说，现场设备级的数字化、网络化，即现场总线技术的应用是电厂信息化管理的基础。

现场总线控制系统的基本构成可分为3类：两层结构的现场总线控制系统；三层结构的现场总线控制系统；由DCS扩展的现场总线控制系统。两层结构的现场总线控制系统：现场总线设备和操作管理设备之间由现场总线连接构成。通常，这类控制系统规模较小，控制回路不多。三层结构的现场总线控制系统：由现场总线设备、控制装置和操作管理设备构成。这类控制系统具有较完善的递阶结构，控制功能实现较彻底的分散，常用于较复杂生产过程的控制。由DCS扩展的现场总线控制系统：由现场总线设备、现场总线接口、分散控制装置、输入输出总线和操作管理设备组成。目前国际国内上采用现场总线技术的火电厂大多采用这种模式。

数字化、智能化的现场仪表和装置（如传感器、执行器等）不仅仅是替代了4～20mA模拟系统，使得原来需要大量电缆进行点到点连接的众多现场设备信号可通过一根网络电缆来传输，可以显著减少电缆的使用量及降低了相关的材料和安装费用。

另外，现场总线变送器和阀门定位器在安装前无需进行单表的校验调试，安装后只需在DCS的资源管理器中检查现场总线设备的参数就能确认现场总线设备是否正常，阀门的行程可在DCS中做回路调试时再进行检查，节省了调试时间和调试费用。现场总线在初期和现在以及将来都能带来大幅度的成本节约。初期的成本节约表现在基本持平的购买成本和较低的安装费用；而长期的成本节约则包括因有了网络化的设备管理所带来的较低的维护及运行成本，还有较低的扩建及改造费用。应用现场总线所产生的节省费用，是对控制系统从设计到建设、运行、维护、发展的整个生命周期来计算的。

某电厂2×660MW超临界CFB机组现场总线工程造价对比（两台机组）

基建时一次性投资增加282万元。

采用现场总线方式后，对于分散控制系统（DCS）而言，机柜及I/O卡件可以减少，但通讯模件却要大量增加，总体价格约增加15%左右。

3、现场总线技术经济分析

3.1现场设备：

3.1.1电动门：采用智能机电一体化产品，在这种情况下，通过进一步明确现场设备应符合的总线标准，即可将设备接入现场总线系统，成本增加不大。平均每个进口现场总线型电动门执行机构约比进口智能一体化电动门执行机构贵6000元人民币左右。

3.1.2气动调节阀：采用带现场总线接口的智能定位器的气动调节阀执行机构平均每台约比常规带智能定位器的气动调节阀执行机构贵1.5万元人民币左右。

3．1.3现场变送器：采用的压力、差压变送器等基本上都要求带有HART总线协议接口，对于采用FF或PROFIBUS/PA的现场总线型变送器，与带有HART总线协议接口的变送器相比，每台贵1千元人民币左右。

3.1.4电缆及其安装辅材：采用现场总线技术可以节约电缆、电缆桥架等安装材料。常规分散控制系统方案中，每个电动、气动调门与分散控制系统之间需敷设2根控制电缆，每个电动关断门与分散控制系统之间一般需敷设1～2根控制电缆，每个电机与分散控制系统之间约需拉2～3根控制电缆，每根电缆平均长度约为100米。采用现场总线技术后只需少量的通讯电缆和动力电缆。电缆的投资变化视采用现场总线范围的不同而不同，全范围采用时，电缆、电缆桥架、电缆保护管等材料和安装可节省40％的费用及工作量。

3.2辅助系统：

辅助系统采用现场总线会减少一些I/O卡件和机柜，但同时也需增加一些通讯模件，可以节约大量电缆及电缆桥架，节约安装费用，但同时由于要采用的仪表是数字化和智能化的现场总线仪表，目前其价格要比普通的仪表贵，所以综合比较下来，在经济上基本持平。

3.3费用构成

1.采用现场总线技术费用增加的设备：（1）控制系统中网段相关的设备，如通信站、通信电缆、通信箱等，（2）现场总线就地设备，变送器、执行机构等。

2.采用现场总线技术费用减少的设备：（1）常规电缆，（2）控制系统中常规IO模件、电子间机柜数量、电子间面积等。

3.采用现场总线技术后安装工作量减少。

4.采用现场总线技术后调试工作量减少。

采用现场总线技术后维护工作量减少。由于现场总线设备具有更多的故障自诊断能力，并通过数字通信方式将诊断维护信息送往控制器，管理人员通过现场总线设备监控和管理系统（如AMS、PDM等）查询所有仪表设备的运行情况，诊断维护信息，寻查故障，早期分析故障原因并快速排除，仪表设备状况始终处于维护人员的远程监控之中。根据监控和管理系统提供的信息准确地制定大修或抢修的作业计划和备件储备，不必进行现场设备的周期性轮流解体检修，缩短停工维修时间，节约维修费用，降低生命周期成本。

5.从国内多个现场总线工程实际看，采用现场总线技术后，大量现场设备采用一体化智能设备，因此采用现场总线技术总体费用与常规控制系统基本持平。

4.现场总线优势

4.1技术优势

（1）现场总线控制系统（FCS）是一种全开放、全数字、全分散的新型控制系统，实现了现场级设备的数字化。FCS重大意义在于大量设备级数字化状态信号传输至上层控制系统不会增加成本和通信负荷，这不仅可以做到变“设备故障检修”为“设备状态维修”，更重要的是，大量的现场实时信息为管理决策提供依据。

（2）工作人员可以在维修车间或控制室连续监测智能设备的健康状况，可及时发现设备问题所在，从而避免由于故障不能及时排除所造成的重大损失。

（3）可减少维修人员从维修车间到现场的往返次数，减少大量的巡检时间，使维修人员集中注意力于处理预测性维护事件，从而大大降低维护人力成本。

（4）可为预防性维护（计划维护）提供设备故障判断依据，从而减少预防性维护人力投入以及备品备件投入。

（5）利用设备管理系统的可选先进诊断功能，可在线诊断智能仪表电路功能区故障（如：传感器老化/故障、EEPROM故障等）；导压管堵塞故障；PID回路不稳根本原因；智能阀门运行特性、摩擦力以及机械问题等。

（6）建设数字化电厂是电力工业自动化和信息化发展的必然趋势，现场总线技术应用是基础。

4.2日常维护方面

（1）减少了由于设备信号制不统一而出现的检修繁琐问题。

（2）在通信电缆上以相同的形式传送数据，提高了数据的精度。现有的很多DCS系统使用的信号并不是统一的标准，模拟量信号包括有4-20mA、0-5V等，不同的电流、电压信号给检修工作带来极大的不便。而采用现场总线控制系统，则完全没有这种不便利的因素存在。

（3）减少了检修工作量，提高了工作效率。

（4）现场总线系统和就地设备都是通过网络进行数据传输，在进行检修工作时对现场设备的检查完全可以在工程师站或操作员站得以实现，对现场设备的参数设置也可以通过网络直接下载到现场设备当中，并通过定期对参数的检查间接的确定设备是否故障。另外，现场总线控制系统的报警不仅可以对现场控制站出现的硬件故障进行诊断分析，查明故障原因，而且可以通过工程师站或操作员站的报警来提示检修人员设备是否需要维护。

（5）在一定程度上提高了机组的安全性。

（6）目前DCS系统出现的很多问题，如信号接地导致控制系统的IO卡件烧毁或控制系统的电源短路导致失电等，造成系统在故障状态下运行，或者出现非正常停机。这种事故的出现影响了机组的安全、稳定运行。而现场总线的应用避免了这类问题，为设备的故障诊断提供了方便。

（6）现场设备的免维护量提高。由于采用了现场智能设备，所以检修工作量大大降低，设备能够长期稳定的运行。

5、采用现场总线技术支持方面的问题

现场总线技术的应用涉及到许多单位，包括三大主机厂、众多辅机厂、设计院、主控系统厂家、辅控系统厂家、其它控制系统厂家、众多现场设备厂家、安装单位、调试单位、监理单位、电厂等。对现场总线技术的要求很高，包括现场总线总体方案确定、现场总线协议、现场总线网段设计、通信、电源、电缆桥架、现场总线设备兼容性试验、现场总线设备选型、安装指导、调试指导等，需要一大批熟悉现场总线技术并且有丰富现场总线工程经验的技术团队。而电厂作为生产单位，不可能引进一大批现场总线技术的专业人员，一般的做法都是确定一家技术支持单位。

结束语：

选用现场总线后电缆、电缆桥架、I/O卡件、控制机柜等成本大幅减少，现场智能仪表及设备成本会相应增加。不考虑节省的设计、安装、调试及日后维护等人工费用，选用现场总线和选用常规DCS两种方案的硬件投资成本不会发生明显差异，但是数字化电厂将极大提高管理水平。