现场总线用于电厂机组级控制的原则、要素

现场总线用于电厂机组级控制的原则、要素内容摘要：在大容量电厂机组级控制应用FCS重在改变观念与工程实践。

通过工程实践，取得了开发、设计、调试、运行FCS的第一手经验(含教训)，笔者对此进行了研究归纳，总结出FCS应用延伸至大容量电厂机组级控制应重点考虑的原则、要素。

1、 应用FCS重在改变观念与工程实践进入20世纪90年代，现场总线控制系统（Fieldbus Control System－FCS）走向实用化。

在我国推广应用仍不十分普遍，尤其是在电站领域，其原因是电站控制系统的特殊性：1.1、电站运行可靠性对国民经济影响面太大，对新技术、新装置既渴望又保守的矛盾态度。

1.2、电站I/O 特点：测点密集、现场装置密集、设备立体布置。

厂域远小于石油、化工企业，应用FCS在节省电缆、桥架方面没有石油、化工企业明显。

1.3、火电厂自动化监控的六大系统（DAS、FSSS、MCS、SCS、DEH、ECS）；机炉协调控制涉及设备多、信息量大、控制复杂；汽机控制、SOE要求ms级响应速度。

随着技术进步的步伐，信息化已渗透到国民经济及人们生活的各个领域，数字化电厂的建设已提到日程。

为实现这一目标必须做到：1.1、改变观念。

采用现场总线的目的不仅是为了节省电缆，节省电缆只不过是现场总线技术表层的优点，因为DCS／PLC的远程I／O 也可达到类似效果，现场总线的真正意义在于它避免了智能现场仪表与智能控制室装置之间的非智能连接，而从现场设备获得丰富的信息才是现场总线技术独有的本质优越性，领悟充分信息化带来的效益。

1.2、工程实践。

工程实践是推广应用FCS的关键，工程实践可以让我们更深入的掌握FCS 系统的技术，理论上的认知深度远比不上工程实践理解的深度。

这种深入的认知对于进一步开发、研究FCS系统用于大型火电机组是十分重要的，也是必须的。

另一方面，对于FCS 系统的推广，缺少的就是工程实践，只有通过工程应用实例才能使人们深入了解和认识FCS 的优越性。

可喜的是目前我国在大型火电机组应用了FCS已有突破，在华能九台电厂2×660MW超临界新建工程、华能金陵电厂1000MW级超 (超)临界火电机组的主控和辅控系统成功应用了FCS。

在一实际应用FCS的系统中首次计算出有实际工程价格的FCS与PLC价格比率(见下表)，对大规模应用FCS的经费预算有实际的参考价值。

类 别 PLC(%) Profibus(%)降低比例 电缆桥架成本和安装成本对比 100 49.4 50.60%电缆材料成本对比 100 47.3 52.70%电缆敷设、接线成本对比 100 13.72 86.28%I/O卡件、控制机柜成本对比 100 112.6 -12.60%现场智能仪表升级成本 100 112.2 -12.20%总价比率 100 93 7%2、现场总线用于电厂机组级控制的原则、要素通过工程实践，取得了开发、设计、调试、运行FCS的第一手经验(含教训)，笔者对此进行了研究归纳。

FCS应用延伸至大容量电厂机组级控制应重点考虑下列原则、要素。

2.1、采用主流现场总线标准大家都知道现场总线国际标准已由当初制订单一现场总线国际标准的初衷，扩大为8种，进而又扩充至为15种。

多标准实际上就是没有标准，但在现阶段它们又是共存的现场总线国际标准。

在诸多标准中，我们认为适用于过程控制的现场总线标准是：FF（Foundation fieldbus）和Profibus两主流现场总线标准。

其理由是：一方面这一两总线标准的开发基础分别为DCS 和PLC(DCS和PLC皆是针对过程控制)；另一方面这两总线标准的市场份额大，而且配套产品相对齐全。

2.2、重要控制与安全回路暂不考虑采用FCS现场总线技术在国内大型机组的主控系统上应用，目前仍处于起步阶段，发展要循序渐进，实施方案要考虑缜密，一切要以安全第一为原则，要保证务期必成。

具体：炉膛安全监控系统（FSSS）、汽机数字电液控制系统（DEH）、汽机本体紧急跳闸系统（ETS ）、给水泵汽机数字电液控制系统（MEH）和给水泵汽机紧急跳闸系统（METS）等系统对机组安全运行至关重要，其相关设备的控制目前暂不纳入现场总线控制方式，仍采用成熟的常规控制技术。

2.3、马达控制在遵循第二条原则的前提下，部分马达控制(380v、6kv)采用现场总线控制方式。

2.4、以成熟的DCS为基本系统该点有两层意义，一是DCS本身技术先进、业绩良好，二是应能与主流现场总线无缝连接，即，无缝嵌入现场总线网络通信模件，形成现场总线的各级网络，连接现场总线仪表、设备，实现数据采集、控制和设备驱动。

采用现场总线系统的信息处理、设备诊断和设备管理软件，发挥FCS的本质优越性(该处DCS是指能与FCS无缝结合的DCS系统)。

2.5、就地智能设备控制功能部分现场总线的就地智能设备具备控制功能，例：遵循FF协议的就地智能设备，PID 等50多种算法的运算功能(控制策略)可以下装至就地智能设备(变送器或者执行机构)中完成，己能满足一般模拟量闭环控制的需求。

应该如何利用现场总线的这一功能。

首先我们对电厂机组级控制对象分级控制进行研究，其研究结果如下表：机组级控制对象控制系统分级划分及比率系统 机组级控制对象顺序控制系统(SCS)功能级划分 执行级 筒单功能组级一般功能组级复杂功能组级 协调级 总数 比率 35.9% 10.7% 39.8% 9.7% 3.9% 100% 计算比率 合并：46.6%39.8%合并：13.6%100% 系统 机组级控制对象模拟量控制系统(MCS)功能级划分 执行级 筒单功能组级一般功能组级复杂功能组级 协调级 总数 比率 29.1% 50.9% 16.4% 1.8% 1.8% 100% 计算比率 合并：80%16.4%合并：3.6%100% 系统合计 顺序控制系统、模拟量控制系统合计功能级划分 执行级 筒单功能组级一般功能组级复杂功能组级 协调级 总数 比率 32.4% 31.5% 27.7% 5.6% 2.8% 100% 计算比率 合并：63.9%27.7%合并：8.4%100%从理论上讲，对于执行级与简单功能组级的控制系统(回路)，完全可以将控制策略下装至就地智能设备之中。

而对于一般功能组级的控制系统，经分析，一般功能组级的控制系统中，有近50%-60%的控制系统也可以下装到就地智能设备之中。

这样，将有：63.9%＋(27.7%×50%∼27.7%×60%)＝63.9%＋(13.9∼16.6)＝77.8%∼80.5%上述分析结论是：将有77.8%∼80.5%的控制系统(回路)可以将控制策略下装到就地智能设备之中。

在这里有几点说明：a、控制策略分散下装到就地智能设备之中。

可减少中央控制器的配置及复杂程度，也省去了大量的设计工作量。

应看到，控制策略下装到就地智能设备之中的控制系统(回路)都属于较简单的控制系统(回路)，因此，它们所占控制器资源与它们的数量之间并不成1︰1的比例。

b、控制策略下装到就地智能设备之中，将会增加网段总线通讯负荷率。

c、从经济性考虑，现场总线的就地智能设备一般情况不采取冗余配置，因此，应兼顾上述第二条原则。

进一步说明：常规DCS及多数PLC系统，其控制器皆为热备冗余配置，如果以2个现场总线的就地智能设备构成一个简单控制回路，其控制回路运行的安全系数简单的讲为常规DCS及多数PLC的1/2。

对于复杂系统需要在多台智能设备之间进行信息交换，才能构成控制回路，系统可靠性降低。

安全系数降低到怎样的数量级是可以接受的，要针对系统在机组中的安全等级、跨工艺区域情况及网段总线负荷率等详细分析与计算而确定(略)。

对于300MW、600MW、1000MW机组，其控制系统(回路)数量不等，上述电厂机组级控制对象分级控制研究结果，在具体数据上可能略有差异，但按分级控制原则划分的各级控制系统(回路)所占比率大致相同。

从“几点说明”中我们应体会到，现场总线的就地智能设备具备控制功能，应该如何利用现场总线的这一功能，应视具体工程情况通盘考虑，权衡利弊。

2.6、辅助车间（系统）辅助车间（系统）全面推广应用现场总线系统。

一方面是因为已有华能玉环电厂1000MW 超超临界机组水处理现场总线控制系统的实践经验，再一方面辅助系统多为开关量顺序控制，PLC有优势，还因为主流PLC均具有成熟的现场总线通讯能力。

另一点，对于辅助车间（系统）少量模拟量闭环控制，PLC完全胜任，这是因为今天的PLC已十分成熟与完善，更重要的是，它不断向DCS系统“渗透”，开发了诸多的模拟量闭环控制功能。

在一定程度上讲，PLC集开关量顺序控制与模拟量闭环控制于一身。

当然，处理开关量顺序控制仍旧是PLC的特点。

2.7、设计确认作为常规DCS 设计，主要依据于I/O 清单和工艺运行程序，并不重点考虑电缆或设备和接线盒的布置。

而FCS设计要考虑现场侧的“详细设计” (例：网段设计)，还包括设备选型，也就说要进行“设计确认” 。

设计的方案能否实施，要进行调研、试验来确认。

2.8、现场总线网段设计现场总线网段设计是FCS用于电厂机组级控制的重要设计要素，应考虑网段总的负载(风险管理、备用容量、网络宏周期的空闲时间、电压降和电流限制)、电缆型号、总线干线长度、总线支线长度、现场设备数量、总线的拓扑结构形式、中断器配置、集线器(多路接线盒)数量、规格及配置等因素。

总线网段上可挂的设备最大数量受到设备之间的通信量、电源的容量、总线可分配的地址、每段电缆的阻抗以及工艺信号的危险级别等因素影响。

其最终设计结果也应反射至“设计确认” 。

2.9、就地智能设备全面采用遵循现场总线标准的现场总线的智能设备。

对于尚无可选品种的现场设备，均采用遵循Hart通讯协议的智能型现场设备。

笔者曾经定义：在通信和数据传输方面遵循现场总线协议的数字式分散控制系统称之为FDCS控制系统。

就是因为该系统没有采用现场总线的智能设备，虽具备传输现场设备状态信息的能力，但没有足够信息可传输。

智能现场设备是FCS的硬件支持、双向数字通信的基础载体、设备状态信息的来源，是现场控制设备级实现数字化的基础条件。

2.10、通讯、兼容试验工程实践中出现：虽然遵循同一现场总线标准的设备在理论上，甚至在说明书中，都申称能够实现互联、互操，但在实际工程中并不是简单连接即可实现。

不同公司生产的产品在软件版本、通信协议细节、电气兼容性等方面，尚存在一定差异。

必须经过通讯、兼容试验。

该试验结果也应反射至“设计确认” 。

2.11、通讯速率德国尼德豪森电厂一期总线通讯速率为500kbps，其工程于1996年开始设计，1998动工，2002年投产，至今已稳定运行5年。

二期的通讯速率设计者建议为1.5Mkbps(Profibus-Dp 通讯速率可达12Mbps)。