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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 方案設想 根據(jù)對現(xiàn)場總線技術(shù)的應用情況，本工程660MW超臨界機組火力發(fā)電廠現(xiàn)場總線的設計方案初步考慮如下： 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標準信號的基礎上疊加了數(shù)字信號。這個數(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)字量的信號卻無實際應用。但國內(nèi)也有一些電廠已應用了帶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）機組，把所有現(xiàn)場智能變送器（每臺機組約200臺）的HART信號送入HART多路轉(zhuǎn)換器，接入羅斯蒙特的設備管理系統(tǒng)（AMS），揚州二電廠將現(xiàn)場智能變送器（每臺機組約500臺）的HART信號送入OVATION分散控制系統(tǒng),可在控制室的計算機上就能監(jiān)視、管理和調(diào)整運行的設備。 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、增強機組安全經(jīng)濟性方面大有益處。采用傳統(tǒng)方法在檢修或日常維護工作中，要對檢驗的壓力、差壓變送器進行解列/投運、停電/送電、拆線/接線、拆/裝等工作，檢驗一臺變送器需要使用中、高級檢修工1.5個工作日。采用HART信號及 AMS，變送器檢驗工作全在電腦中完成，檢驗一臺變送器只需約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，在計算機上可監(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，縮短故障排除時間。 本工程可采用智能變送器的HART信號構(gòu)置設備管理系統(tǒng)，以提高工作效率，減少設備維護費用的支出，并提高測量系統(tǒng)的準確、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（如汽水循環(huán)、煙氣系統(tǒng)和機組協(xié)調(diào)），對于對安全特性有特殊要求的自動控制任務（如鍋爐保護和燃燒器管理等）及用于汽輪發(fā)電機的閉環(huán)控制設計（如DEH等）不采用現(xiàn)場總線。 本工程考慮進一步擴大現(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)范圍也可進一步擴大，可以考慮參考德國Niederaussem電廠現(xiàn)場總線電動門的設置范圍，即除了對安全特性有特殊要求的自動控制任務及用于汽輪發(fā)電機的閉環(huán)控制設計外，其它電動門均采用現(xiàn)場總線電動門。現(xiàn)場總線電動門的總線網(wǎng)絡可采用冗余通訊網(wǎng)絡，以確保控制網(wǎng)絡的可靠性。 1.3 電動機采用現(xiàn)場總線 由于設備廠家在這方面也沒有成熟的經(jīng)驗，在系統(tǒng)調(diào)試及設備單體調(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，增加適量的接口設備如（Y型切換器、光電轉(zhuǎn)換器等）改進措施，改進后類似故障未再出現(xiàn)。江陰夏港電廠400V及以下電機均采用現(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，啟、停指令信號及電機已啟、已停信號可通過硬接線信號進入分散控制系統(tǒng)，其它信號通過總線方式進入分散控制系統(tǒng)。兩臺機組目前已投入運行，采用現(xiàn)場總線控制運行情況穩(wěn)定可靠。 從電廠電動機采用現(xiàn)場總線控制情況來看，電動機采用現(xiàn)場總線控制在電廠實際運行中已證明是可靠的，而且也已積累了一定的經(jīng)驗。在本工程中可根據(jù)電動機的電壓情況進行分別對待：400V及以下電機采用現(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，啟、停指令信號及電機已啟、已停信號可通過硬接線信號進入分散控制系統(tǒng)，其它信號可通過總線方式進入分散控制系統(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)尚未有大范圍應用的業(yè)績，正在工程建設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形式，分島招標中工藝設備與控制系統(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)工藝設備供貨商提供現(xiàn)場總線設備及控制系統(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)上的應用，必須采取工藝設備單獨分島招標、控制系統(tǒng)集中招標的形式才有可能實現(xiàn)，根據(jù)單元機組現(xiàn)場總線方案設計原則，結(jié)合輔助車間工藝特點，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)量和建設工期滿足要求。對鍋爐補給水處理系統(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。報價的基礎條件： 單元機組I/O點約為9400點，電動調(diào)門約75個，電動關(guān)斷門（含部分氣動關(guān)斷門）約240個，400V及以下電機約110個，6kV電動機約22個，每對通訊口帶電動門數(shù)量按不超過15、每個通訊口帶電動機數(shù)量按不超過10個。單元機組I/O點列表如下： 分散控制系統(tǒng)（DCS）廠商一：提供的報價采用現(xiàn)場總線方案比采用常規(guī)分散控制系統(tǒng)方案費用每臺機組約貴150萬元人民幣。 分散控制系統(tǒng)（DCS）廠商二：提供的報價采用現(xiàn)場總線方案比采用常規(guī)分散控制系統(tǒng)方案費用每臺機組約貴225萬元人民幣。 2.2 現(xiàn)場設備 1）電動門 · 進口電動門 當今新建工程項目中，系統(tǒng)設計的電動門大多數(shù)已要求采用智能機電一體化產(chǎn)品，在這種情況下，通過進一步明確現(xiàn)場設備應符合的總線標準，即可將設備接入現(xiàn)場總線系統(tǒng)，成本增加不大。平均每個進口現(xiàn)場總線電動門約比進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)行機構(gòu)尚未有成熟的應用業(yè)績，本工程超臨界機組現(xiàn)場總線電動門執(zhí)行機構(gòu)采用進口設備，但進口現(xiàn)場總線電動門執(zhí)行機構(gòu)與國產(chǎn)的差價較大，平均每臺差價約為3～4.5萬元人民幣。 2）電動機 通過調(diào)研，電動機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)議進入分散控制系統(tǒng)對現(xiàn)場一次設備而言不增加任何費用。對于變送器的設備管理軟件等，每臺機組需人民幣約為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，每個電動調(diào)門與分散控制系統(tǒng)之間需敷設2根兩根控制電纜，每個電動關(guān)斷門與分散控制系統(tǒng)之間一般需敷設1根控制電纜，每個電機與分散控制系統(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設備，可以節(jié)約大量電纜，節(jié)約安裝費用，但同時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，目前其價格要比普通的儀表要貴，所以綜合比較下來，在經(jīng)濟上基本持平。 綜合以上的經(jīng)濟比較，保守的計算采用現(xiàn)場總線方案約比采用常規(guī)分散控制系統(tǒng)方案每臺機組需增加費用585萬元左右（增加費用主要是現(xiàn)場總線電動門及執(zhí)行機構(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)品價格會高一些，但控制采用現(xiàn)場總線技術(shù)后，這些電氣設備在節(jié)省的電纜、匯線槽、橋架、機柜以及運行階段對設備進行的維護和管理、采用遠程參數(shù)設定和遠程故障診斷等方面將會有明顯的經(jīng)濟效益。 3 現(xiàn)場總線技術(shù)應用可能存在的問題和預防措施 3.1 可能存在的問題 1）現(xiàn)場總線系統(tǒng)遠程診斷優(yōu)勢的充分發(fā)揮 以智能化現(xiàn)場儀表為基礎的現(xiàn)場總線系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比，其優(yōu)點不僅在控制方面，更多的在于維護簡單、具有自動診斷、校正等管理功能方面，而目前國內(nèi)實際使用時還未應用其管理自動化和遠程診斷功能，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)場總線本身相當復雜，在工程調(diào)試和運行時常會遇到困難，因此，需要有一支較強的技術(shù)隊伍來解決調(diào)試運行中產(chǎn)生的技術(shù)難題。相對而言，PROFIBUS較為簡單和容易實現(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)場設備較少，即缺少廣泛的現(xiàn)場智能設備的支撐，特別是國產(chǎn)總線設備，因而在設計系統(tǒng)時選擇的余地不大，某些情況下設備價格將偏高。 4）現(xiàn)場總線產(chǎn)品統(tǒng)一標準采購難度大 現(xiàn)在電廠的基建模式是：由設計單位負責編制設備規(guī)范書，建設單位組織采購。也有一些設備由施工單位采購，還有一些設備隨工藝設備配套或分包提供。這種設備采購方式難以保證按照統(tǒng)一的總線標準供貨。根據(jù)現(xiàn)在的實際情況，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)場總線標準是不兼容的，結(jié)果花了錢卻起不到效果。 5）統(tǒng)一現(xiàn)場總線標準設計難度大 在設計單位內(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)場設備各不相同。如主廠房內(nèi)，泵與風機的電動機配電裝置由電氣專業(yè)負責設計，電動門配電裝置由熱控專業(yè)負責設計，成百個設備在設計和訂貨時，要求采用統(tǒng)一的現(xiàn)場總線標準，難度可想而知。 3.2 預防措施 為了使工程設計達到預期的目標，工程建設各方應加強技術(shù)儲備和廣泛開展多方位的技術(shù)交流。工程技術(shù)人員應努力學習現(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)的工程應用能力。 對于實際操作過程，應從技術(shù)角度出發(fā)，根據(jù)工程的特點和需要，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、售后服務、價格和兼容性以及與其它系統(tǒng)接口的難易程度等進行綜合比較，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)性標準和國家、國際標準的可能性最大，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、順利實施，在工程設計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，使控制工程公司預先了解本工程期望達到的目標，以便在技術(shù)上進行充分的準備。 在技術(shù)交流時，將要求各控制工程公司按PROFIBUS或FF總線標準，提供他們認為在以往工程實踐具有良好應用業(yè)績的現(xiàn)場總線電動門、變送器、馬達控制器等現(xiàn)場總線設備的配套廠商名單，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)場設備，以確保整個控制系統(tǒng)能達到良好的實用效果。 4、結(jié)束語 綜觀目前國內(nèi)外現(xiàn)場總線技術(shù)的應用，大致可分為兩類，其一是分散控制系統(tǒng)（DCS）遠程 I/O通訊采用現(xiàn)場總線標準的協(xié)議技術(shù)的應用，主流分散控制系統(tǒng)（DCS）廠商幾乎都有應用業(yè)績，國內(nèi)工程上已有許多的經(jīng)驗；第二類是符合現(xiàn)場總線技術(shù)標準的智能現(xiàn)場設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)議標準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)，這是目前工程設計上的突破點，也是目前國內(nèi)外在工程設計上探討的，希望能廣泛應用的真正的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)方案。 |
