現(xiàn)場總線技術在電廠的應用思考
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3. 電廠生產(chǎn)過程的控制特點
電廠的生產(chǎn)包含了以下幾個主要工藝過程：燃料系統(tǒng)（煤炭和燃油/氣的運輸及貯存）、熱力系統(tǒng)及鍋爐和汽輪機發(fā)電機組（將燃料的化學能轉變成熱能、熱能將水變成蒸汽、蒸汽熱能在汽輪機中轉變成機械能、再轉變?yōu)殡娔埽?、除渣出灰系統(tǒng)（燃燒物的固體廢棄物處理）、脫硫系統(tǒng)（大氣排放物的處理）、水處理系統(tǒng)（含凈水、鍋爐補給水、廢水、凝結水精處理、化學取樣和加藥等）、發(fā)配電系統(tǒng)（含廠用電系統(tǒng)、升壓站等）。由此可以看出，電力生產(chǎn)是一個極其復雜的工業(yè)過程，它涵蓋了工廠自動化和過程自動化的內(nèi)容。在傳統(tǒng)的電廠控制系統(tǒng)模式中，主廠房區(qū)域熱力生產(chǎn)過程通常采用DCS作為主要的控制系統(tǒng)，其他輔助系統(tǒng)則采用以PLC為核心控制系統(tǒng)。由于現(xiàn)場級設備主要采用傳統(tǒng)的模擬量和開關量信號，生產(chǎn)過程的監(jiān)控只能到達I/O子系統(tǒng)。
在近幾年的電力建設過程中，電力生產(chǎn)企業(yè)的信息化管理引起了廣泛的重視，投入了大量的資金構建輔助控制系統(tǒng)網(wǎng)絡、電廠實時監(jiān)控系統(tǒng)（SIS）和電廠信息管理系統(tǒng)（MIS）,而對于現(xiàn)場級的設備依然采用傳統(tǒng)的裝置和方式接入控制系統(tǒng)I/O子系統(tǒng)。這對于以預測性設備維護和設備管理為預期目標的信息化建設，無疑是“無源之水”。因此解決電廠“信息盲區(qū)”的根本出路是應用支持現(xiàn)場總線的智能現(xiàn)場設備。
4.應用現(xiàn)場總線技術存在的問題
盡管現(xiàn)場總線技術具有一系列的特點和誘人的優(yōu)越性，盡管建設數(shù)字化和信息化電廠的呼聲越來越高，但在電力設計院和建設單位嘗試使用現(xiàn)場總線技術的工程屈指可數(shù)。主要的應用障礙在一些文獻中已有分析，如：
（１）現(xiàn)場總線標準多，用戶選擇無所適從。
（２）支持現(xiàn)場總線標準的智能現(xiàn)場設備的規(guī)格和品種較少，支持總線標準的國產(chǎn)設備更少，尤其是針對電廠開發(fā)的智能設備，不能滿足電廠各專業(yè)的需要。
（３）支持現(xiàn)場總線標準的智能現(xiàn)場設備價格較高。盡管基于現(xiàn)場總線技術的控制系統(tǒng)軟硬件費用與DCS相比持平或略高，但FCS對于控制系統(tǒng)的設計、建造、調(diào)試直至運行、維護的整個項目生命周期成本同DCS相比確實要低得多。而這種效益往往是投資方和建設單位在項目規(guī)劃階段可能不會引起足夠重視的問題。
（４）連接現(xiàn)場總線設備底層的網(wǎng)絡不支持冗余結構。
除了上述這些應用障礙之外，筆者以為還有以下一些制約因素限制了現(xiàn)場總線技術在電廠的應用。
（１）現(xiàn)有電廠的基建模式。現(xiàn)在電廠控制設備的采購大多是由設計院編制設備規(guī)范書，由建設單位組織采購，也有一些設備由施工單位采購，還有的控制裝置由主機廠配套或分包。這種設備的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，結果化了錢卻起不到效果。
（２）在設計院內(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。如在主廠房內(nèi)，泵與風機的開關站（SWITCHGEAR）和PC、MCC設備歸電氣管，電動門MCC歸熱控管。成百個設備在設計和訂貨時要求電氣和熱控采用統(tǒng)一的現(xiàn)場總線標準，難度可想而知。
（３）投資方、建設單位、施工單位甚至設計院的技術人員對現(xiàn)場總線技術缺乏深入的了解?，F(xiàn)場總線是一個新型控制系統(tǒng)，作為現(xiàn)場總線應用的技術人員，尤其是設計院的熱控設計人員如果還停留在對DCS的認識水平上是無法設計合理的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，也不可能發(fā)揮現(xiàn)場總線的優(yōu)勢，甚至不能保證現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的正常工作。比如，現(xiàn)場總線FF和Profibus-PA支持總線供電，但對于掛接的現(xiàn)場設備數(shù)量和總線的通信距離均有限制，還要設置合適的終端裝置，因此必須熟悉掌握現(xiàn)場總線及智能設備的特性，才能保證總線設計的正確性。再如，只有FF總線協(xié)議支持建立控制策略的編程語言，也就是說，只有支持FF總線協(xié)議的智能設備如閥門定位器可以當作調(diào)節(jié)器使用，在自身回路執(zhí)行PID功能，控制功能分散到現(xiàn)場設備，系統(tǒng)功能和故障更加分散，也進一步降低了中央控制器的負載，改善了系統(tǒng)的性能，中央控制器的數(shù)量也相應減少了。但Profibus技術沒有控制策略的編程語言，也即支持Profibus-PA的現(xiàn)場設備不能實現(xiàn)控制策略，控制必須由中央控制器完成。然而，支持Profibus的產(chǎn)品系列比FF要齊全、廣泛。
這些特性都必須是在選擇現(xiàn)場總線標準時設計人員所必須要考慮的。
（４）設計觀念的限制。我們一直強調(diào)在電廠應用的控制系統(tǒng)必須已有在2臺同類型機組3年以上的成功應用業(yè)績。需知現(xiàn)場總線技術已發(fā)展了十多年，支持現(xiàn)場總線技術的智能設備已經(jīng)基本成熟，且在石化等行業(yè)得到了廣泛應用。由美國電力研究院主持編制的核電廠用戶要求文件UDR中已將現(xiàn)場總線作為核電廠控制系統(tǒng)的選項，這對我們在火力發(fā)電廠應用現(xiàn)場總線技術應有所啟示。
（５）缺乏合理的設計周期?，F(xiàn)在大多數(shù)電廠的工程設計周期被大大壓縮，因此從設計院來講能按常規(guī)方案完成設計已經(jīng)是十分緊張。
（６）對于設計人員缺乏創(chuàng)新的機制和動力。在工程中應用新技術總會有一定的風險，這需要設計人員投入大量的精力進行調(diào)研和方案論證，但現(xiàn)實往往是對應用新技術的研究沒有額外的投入，尤其對新技術的成功應用也并無特別的獎勵機制。
5．電廠應用現(xiàn)場總線技術目標和對策
盡管到目前為止市場和工程實踐中尚缺乏真正意義上的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)供電廠使用，但不代表我們在現(xiàn)場總線技術方面無所作為。只要我們認清應用現(xiàn)場總線技術的真正目的，克服制約現(xiàn)場總線技術在電廠的應用障礙，我們就能讓現(xiàn)場總線技術為電廠自動化和信息化發(fā)揮積極的貢獻。
首先，我們必須在電廠自動化和信息化方案的規(guī)劃和設計過程中，避免陷入為現(xiàn)場總線而現(xiàn)場總線的誤區(qū)。應將降低電廠生命周期成本和以合理的投資建設企業(yè)的信息化平臺和企業(yè)管理體系作為投資方、建設單位和設計院共同追求的目標。基于這樣的原則和指導思想，我們將會實事求是地研究現(xiàn)有控制技術、計算機技術和通信技術帶給我們的自動化和信息化產(chǎn)品，構建電廠監(jiān)控和信息管理系統(tǒng)。
在電廠自動化和信息化的規(guī)劃過程中，依然要結合電廠各工藝和生產(chǎn)過程的特點，采用最合適的現(xiàn)場總線標準和檢測、控制裝置。不應強求在全廠統(tǒng)一應用一種現(xiàn)場總線標準，全廠統(tǒng)一為一種現(xiàn)場總線標準既無可能、也無必要。在監(jiān)控層和信息管理層，以太網(wǎng)和OPC協(xié)議、交換機、網(wǎng)關等工業(yè)IT技術已經(jīng)提供了不同網(wǎng)絡之間的互聯(lián)技術。
不應過分強調(diào)在工程使用的是FCS,還是DCS或PLC+現(xiàn)場總線，只要符合上述原則，就是最合適的控制系統(tǒng)。用FCS取代DCS和PLC系統(tǒng)的爭論也無實質(zhì)性意義。
深入了解現(xiàn)有現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)之后，我們就會發(fā)現(xiàn)，除了FF總線現(xiàn)場智能設備可以實現(xiàn)部分現(xiàn)場控制策略以外，邏輯控制還依賴于主站或中央控制器，其他總線系統(tǒng)均還采用中央控制器。雖然這些中央控制器可以小型化、現(xiàn)場化布置，但依然是需要集中運算和處理（有些場合中央控制器可以省去I/O處理，控制器也需要冗余設置）。從現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)總體結構上分析，依然類似DCS的結構分層，只是網(wǎng)絡協(xié)議更開放。系統(tǒng)的集成方式在目前也不會有重大的改變，我們似乎在近期不可能完全脫離主流DCS廠家的產(chǎn)品，完全由設計院或工程公司用市場主流或非主流DCS廠家的產(chǎn)品去集成電廠的控制系統(tǒng)。當然在這個過程中，筆者不否認，設計院在設計模式和設計深度上作出重大轉變之后，與主流DCS或其他型式的控制系統(tǒng)供應商緊密合作，像石化行業(yè)的設計院一樣，承擔更大范圍的工作內(nèi)容和開展DCS或現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的深度設計。就如早期控制系統(tǒng)運用組裝組件儀表的年代，設計院就承擔了整個電廠控制系統(tǒng)的配置和集成，只不過隨著DCS和PLC的應用，設計院在這方面的能力已衰退殆盡。
以下有幾點想法提出來和大家討論：
（１）投資方和建設方在使用現(xiàn)場總線技術方面起關鍵作用。沒有他們的支持，設計院所起的作用是有限的。因為涉及項目的投資和技術風險。設計院自動化設計人員應在現(xiàn)場總線技術的應用中起領先和推動作用。但設計院應對應用現(xiàn)場總線技術作出透徹的技術分析報告，講清應用現(xiàn)場總線的利弊和投資估算，提出切實的項目實施計劃和風險應對方案。
（２）設計院在應用現(xiàn)場總線技術 方面設計人員要有創(chuàng)新意識，管理層要為設計人員營造設計創(chuàng)新條件和環(huán)境。要解決熱控和電氣兩個專業(yè)在控制系統(tǒng)規(guī)劃上各自為政的現(xiàn)狀，要充分重視全廠自動化和信息化方案的總體規(guī)劃，必要的時候?qū)蓚€專業(yè)的分工要進行適當?shù)恼稀Ｔ趹矛F(xiàn)場總線技術方面，一些電力設計院已進行了有益的嘗試，并積累了寶貴的設計和應用經(jīng)驗，如山東萊城電廠、江陰夏港電廠、云南宣威電廠、貴州納雍電廠、浙江寧海電廠、山東威海電廠等。在控制系統(tǒng)招標書編制階段，要廣泛了解主流和非主流DCS產(chǎn)品支持現(xiàn)場總線的能力和解決方案，并組織有關專家進行必要的論證。無論主機招標、輔機招標或輔助系統(tǒng)招標以及DCS、PLC系統(tǒng)的招標，必須把支持應用現(xiàn)場標準的產(chǎn)品要求作為必要條件予以明確。
（３）投資方、建設單位對于設計院采用現(xiàn)場總線技術的設計方案，須給予足夠的設計周期，并在技術方案論證和產(chǎn)品設計選型方面給予必要的支持。在確定工程采用某種類型的總線標準后，設計院在總線產(chǎn)品方面應有更多的自主權。因為總線產(chǎn)品的選型需要供應商更為詳細的設計配合，列入詳盡的規(guī)格和規(guī)范以及參數(shù)和選項，而不似現(xiàn)在只允許設計院開列檢測和控制裝置的工藝參數(shù)要求，而不開列具體型號和供應商的做法。建設單位可以改變以往控制裝置由系統(tǒng)集成商配套的做法，各輔助系統(tǒng)采用的PLC可以確定合適的某兩種總線標準集中招標采購，以利于現(xiàn)場設備的總線標準統(tǒng)一。
（４）由于現(xiàn)場總線不同于常規(guī)設計，設計院自動化專業(yè)的深度和難度均有所提高，因而相應的設計費用和設計定額也要作出合理的調(diào)整。
（５）自動化設計人員要努力提高自己的業(yè)務水平，要改變目前在常規(guī)DCS和PLC系統(tǒng)設計方面的習慣做法，熟練掌握和應用現(xiàn)場總線技術和產(chǎn)品，這需要設計院各級領導尤其是部門領導重視和加強對設計人員的技術培訓。設計院現(xiàn)在幾乎不參與DCS或PLC系統(tǒng)施工圖階段的網(wǎng)絡構建與配置工作，只負責提供PID、初步的I/O清冊，最終完成DCS或PLC的外部接線圖。各設計院的深度與此可能有所不同，但總體上講沒有深入到DCS和PLC系統(tǒng)的內(nèi)部。這樣做的后果就是，設計院對全廠的控制策略掌握不透徹，系統(tǒng)組態(tài)方式和功能分布是否合理了解不深入。因此設計院對于系統(tǒng)優(yōu)化、網(wǎng)絡配置、功能分配的發(fā)言權越來越弱。筆者以為，要扭轉這種局面，設計院應抓住應用現(xiàn)場總線技術的機遇，加深設計深度。這種深度主要體現(xiàn)在以下幾個內(nèi)容：PID圖、儀表位置布置圖、調(diào)節(jié)框圖和邏輯圖、設備規(guī)范和數(shù)據(jù)表、接線圖、電源配置圖等。
當采用FF現(xiàn)場總線時，PID圖工作顯得尤其重要，現(xiàn)有的PID圖深度要提高，因為在采用FF現(xiàn)場總線標準的情況下，需要通過PID規(guī)劃系統(tǒng)和設備的控制策略。在PID圖的設計中，需引入?yún)^(qū)域設計的概念。為了達到調(diào)節(jié)功能和邏輯的可靠和完整，通常一個回路的所有I/O應處于相同的區(qū)域，每個區(qū)域可以有2～6個回路。采用PID應確保所有與區(qū)域回路有關的點都在那個區(qū)域內(nèi)。不僅如此，還要學習和掌握現(xiàn)場總線的接線、布線技術和計算方法。因為現(xiàn)場總線的接線不同于常規(guī)DCS和PLC控制系統(tǒng)的接線?，F(xiàn)場總線區(qū)域設計將取代傳統(tǒng)的I/O分配連線。為了準確估算現(xiàn)場總線網(wǎng)絡電纜的長度、規(guī)劃合理的網(wǎng)絡連接方式，避免現(xiàn)場信號的往返，影響系統(tǒng)響應速度和控制性能，需要依靠現(xiàn)場儀表和控制裝置的布置圖。儀表位置布置圖的作用是確定網(wǎng)絡主干和分支以及接線盒的位置，這才能保證總線安裝符合區(qū)域長度、分支長度和終端位置的要求，實現(xiàn)現(xiàn)場總線的成功安裝和工作。此外，現(xiàn)場總線網(wǎng)絡存在三種拓樸結構：總線帶分支結構、樹型或分支或雞爪型結構、雛菊鏈拓樸結構。不同結構適用的場合不同，要避免使用雛菊鏈拓樸結構，它似乎能降低電纜和安裝費用，但對系統(tǒng)維護和可靠性極為不利。作為設計人員對此均要了解和掌握。電源配置具有類似的問題，不再贅述。
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