基于现场总线的电厂综合自动控制系统

基于现场总线的电厂综合自动控制系统

罗莉娟, ,钞俊

国家电投集团江西电力工程有限公司南昌分公司 江西省南昌市  

330100

摘要：随着经济的发展，人们对电能的需求迅速增加，机组控制技术在电厂发展中的应用引起了广泛关注。如何选择合理有效的机组控制运行技术，提高电厂运行安全稳定性，保证电能生产质量，已成为电厂企业在发展中面临的主要问题。

关键词：现场总线；电厂；综合自动化

随着信息时代的发展，传统控制技术的局限性越来越明显，尤其是在传统的集散控制模式下，生产系统故障频繁，控制效率低下。对电厂生产而言，随着生产规模的扩大，电厂生产系统中的内部要素越来越多，控制系统所要控制的对象也逐渐增多。为提高控制可靠性，要充分利用现场总线技术下的控制系统，实现数字化和自动化控制，以保持电厂生产系统的高效运转，降低系统运行中的故障概率，保持正常的生产运行，从而为电厂赢得更大利润空间。

一、传统集散控制(DCS)方式

DCS系统是随着现代大型工业生产自动化的逐步兴起及过程控制要求的日益复杂而出现的一种集成控制系统，它是计算机技术、系统控制技术、网络通信技术和多媒体技术相结合的产物，能提供一个窗口友好的人机界面与强大的通信功能，是一种完成过程控制和管理的现代化设备。从结构上看，DCS包括过程级、操作级和管理级。其中，过程级由过程控制站、I/O单元、现场仪表组成，是系统控制功能的主要实现部分。而FCS控制系统真正做到了这一点，并将控制完全下放到现场，现场智能仪表可完成数据采集、数据处理、控制运算、数据输出等大部分现场功能；上位机只能完成一些现场仪表无法完成的高级控制功能。因此，发展FCS取代DCS控制是现场过程控制发展的必然。

二、基于FCS的电厂综合自动化网络结构

为实现电厂的综合自动化及生产过程的信息集成，需实现现场设备间和现场控制层与其上层监控层间的数据交换及信息共享。FCS采用智能现场设备，具备完全的数字通信能力，现场智能设备的现场测量变送仪表间和现场仪表与过程级计算机间能直接传递数字信息，实现完全分散控制及现场级数字化通信，在现场层面解决了传统DCS中遗留的最后一个模拟信号“信息孤岛”，为实现企业生产全过程自动化做好了最后的准备。图1显示了电厂综合自动化网络结构，包括：厂级、机组自动化。前者是基于工业以太网的通信网络，包括电厂管理信息系统MIS及厂级监控系统SIS；后者是基于FCS的机组自动化控制系统，包括监控层及现场层。

1、现场控制层由现场智能设备及低速总线网段组成，是电厂综合自动化网络的底层，包括电气控制系统、锅炉、辅机控制系统、汽轮机、辅机控制系统、辅助车间控制系统。现场智能设备以网络节点形式连接到现场总线低速总线上，支持点对点连接、总线型、菊花链型、树型等拓扑结构，而高速总线仅支持总线拓扑结构。总线用户层包括大量功能块，控制系统结构设计可通过连接分布在各现场设备中的功能块来实现。

2、监控层由高速以太网(HSE)和连接到总线的工程师站、操作站、服务器组成。监控层通过总线接口与现场控制层连接，完成控制系统的组态设计及下装，并完成控制系统的监视、操作、趋势分析、报警、维护和各种人机交互功能，对于电厂来说，还需实现重要的先进控制，如单元机组内协调控制和最优控制等。通过总线网桥，数据能在不同总线间传递，也就是说，总线网络中一个变送器的变量能传输到另一个变送器，两个变送器能在同一总线上，也可在不同总线上。对于不同标准(包括PLC)的总线通信，可通过网关识别和解释不同格式数据包，并在不同网络间转发。

3、厂级监控系统SIS是实现电厂各机组及全厂生产过程最优控制和管理的系统，也是电厂生产过程控制系统与MIS之间的纽带。SIS可集成全厂各单元机组和公用系统的相关实时信息，通过计算、优化、分析，为各单元机组的运行及设备维护提供在线运行指导，并在电厂各单元机组间进行负荷经济分配。通过其计算机及通信设施，全厂所有生产部门的实时信息能上网共享。SIS主要功能是：实时显示全厂各生产系统信息；机组性能计算和经济性分析；机组在线性能监测与分析；预测和预防性维护、电厂负荷经济分配等。

4、管理信息系统MIS主要目的是在分布式网络环境下，集成各种企业信息，实现与Internet的连接，完成管理、决策、商务应用的各种功能。一方面，通过SIS获取实时数据处理后的信息，使管理层用户可随时了解机组运行状态及现场设备工况，并对生产过程进行实时远程监控；另一方面采集及处理生产、行政管理的非实时信息，为生产及行政管理服务(如设备及维修管理、生产经营管理、生产技术管理、人力资源管理、财务管理、办公自动化等)，实现电厂内部管理现代化，还可向电厂上级管理部门发送管理和生产信息，以满足外市场营销需要。MIS功能包括：经营管理系统、生产管理制度、设备管理制度、办公自动化系统、系统维护系统。

三、基于现场总线的自动控制系统设计

1、控制系统的网络结构设计

①现场设备监控层。设计是为了保证系统控制技术在后期运行中控制效果的合格性，有效降低因数据采集不完善而导致的控制质量不合格。现场设备监控层的逻辑结构设计应从实现基本配置角度进行设计，包括基础数据采集、数字滤波技术设计、温度、电流、压力补偿机构设计、A/D转换设计。此外，还应考虑系统运行初期的控制稳定性和向下的技术兼容性。在总线设计方面，PLC接口的设计应便于与原始控制系统的连接。

②现场总线监控层的设计。其是电厂自动化综合控制的重要设计步骤之一，良好的现场总线监控层设计的实施，为提高系统设计质量及其应用效果奠定了良好的基础。现场总线监控层的设计主要通过实施现场设计的基础数据监控设计，完成基础设备控制、运行监控、预警、数据分析等功能。具体来说，在实施现场总线监控层时，主要结合网络节点、数据通信和转换器的方式，实现基础数据的采集和各种信息的交互传输，从而提高系统基本配置质量的合格性，以及系统应用安全稳定性。

③远程监控层的设计。与现场操作和现场数据采集不同，远程监控层设计目的是通过网络连接实现对生产机组设备的远程控制运行，并通过远程操作调整优化相关机组设备的运行模式。

2、控制实现方式的设计。从电厂生产控制系统结构来看，包括控制与数据采集子系统，数据采集系统必须具有强大的功能，以满足需求，为后续控制指令执行及实施提供参考。控制系统功能的多样性能提高电厂运行安全可靠性。在现场总线控制技术下，每个单一机组的控制保持相对独立性，在独立数字智能设备下，完全能满足单一设备的独立控制需求，从而达到分散控制目的。机组单一设立的微型处理器在优化整个控制中起着重要作用。

3、FCS、DCS控制系统对比优势

①系统的开放性优势。DCS控制系统在运行中相对封闭，只能通过本地连接传输信息和执行相关指令，并且在一定程度上智能性不足，应用效率不高。FCS系统在运行中具有一定开放性，体现在其控制系统在运行中能同时接入现场总线和LAN层级网络，有效地实现信息的交互和共享。

②可操作性及互操作性优势。与DCS相比，FCS控制系统在运行中硬件产品可操作性和软件的互操作性方面具有较高优势。良好的可操作性及互操作性确保了系统运行期间信息传输稳定性与安全性。同时，在相关设备选择上，对应用企业的成本控制也起着重要作用。

③系统结构高分散性。与DCS控制系统的运行现状相比，FCS控制系统在应用中的高分散性是其主要应用优势。体现在：在系统运行中，通过落实基础设备的数据采集和独立数字智能控制系统的设计，保证了系统机组设备在运行控制中的高分散性，在一定程度上提高了系统应用便捷性及可靠性。

参考文献：

[1]徐磊.浅谈基于现场总线的电厂综合自动控制系统[J].智能建筑与工程机械，2020(09).

[2]李川.基于现场总线的电厂综合自动控制系统[J].电力系统,2018(11).