現(xiàn)場總線技術(shù)在火電廠的應(yīng)用

郝乾軍

（西安工程大學，陜西西安 710043）

0 引言

隨著智能儀表和計算機網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，現(xiàn)場總線技術(shù)在國內(nèi)大型電廠逐漸開始應(yīng)用，尤其近幾年對數(shù)字化智慧電廠建設(shè)的呼聲日益增高，現(xiàn)場總線技術(shù)和現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)在電力行業(yè)中的廣泛應(yīng)用提出新的挑戰(zhàn)。針對現(xiàn)場總線技術(shù)在火電廠中的應(yīng)用，進行深入的探究與分析。

1 現(xiàn)場總線技術(shù)概述

現(xiàn)場總線是一個數(shù)字化的、串行、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，是用于工廠/車間儀表和控制設(shè)備的局域網(wǎng)，稱為現(xiàn)場總線。通俗地說，它是一種局域網(wǎng)（Local Area Network，LAN）?，F(xiàn)場總線把單個分散的數(shù)字化、智能化的測量和控制設(shè)備作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，用數(shù)據(jù)總線相連接，實現(xiàn)相互交換信息，并協(xié)同完成檢測、控制功能?，F(xiàn)場總線是將通信功能投入到工作現(xiàn)場與工作設(shè)備的一種智能方式，通過全自動或半自動的優(yōu)化來提升數(shù)據(jù)通信智能化程度，可以突出信號的傳輸功能，為電廠的工作設(shè)備做出技術(shù)優(yōu)化。現(xiàn)場總線技術(shù)可以將電廠的設(shè)備進行智能互聯(lián)，通過互聯(lián)的方式將傳輸變得更加便捷與智能。

現(xiàn)場總線技術(shù)可以促進火電廠向數(shù)字化和智能化電廠進行轉(zhuǎn)換，通過計算機技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，將電廠的監(jiān)控系統(tǒng)、設(shè)備運行系統(tǒng)與信息系統(tǒng)進行綜合的分析與集成化的發(fā)展，運用數(shù)字化的智能手段，提升設(shè)備的硬件設(shè)施，智能數(shù)字化發(fā)電廠是未來的火電廠發(fā)展趨勢。

2 現(xiàn)場總線結(jié)構(gòu)特點及優(yōu)勢

2.1 高開發(fā)性和互操作性

現(xiàn)場總線的發(fā)展因為各廠家產(chǎn)品均自成系統(tǒng)，導致分布式控制系統(tǒng)（Distributed Control System，DCS）在形成過程內(nèi)，無法將不同廠家的設(shè)備接連在一起，無法實現(xiàn)互換和互操作的目的。而現(xiàn)場總線技術(shù)則對DCS 內(nèi)封閉的專用網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)來進行通信這一缺陷進行彌補，將專用的解決方案及封閉系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)闃藴驶慕鉀Q方案、公開式系統(tǒng)。也就是可將不同廠家但遵守同一協(xié)議規(guī)范的設(shè)備，利用現(xiàn)場總線技術(shù)將其連接成系統(tǒng)，對于綜合自動化的各項功能進行完成。

2.2 高分散性和可靠性

現(xiàn)場總線結(jié)構(gòu)的最主要特點就是將火電廠的設(shè)備結(jié)構(gòu)分散，安全系數(shù)得以提升。在火電廠的工作現(xiàn)場，智能化的數(shù)據(jù)分析可以對工作環(huán)境進行適應(yīng)于提升，有較強的抗干擾能力，同時可以滿足設(shè)備的安全防爆需求。

2.3 全數(shù)字化和智能化

現(xiàn)場總線技術(shù)的另一個特點就是設(shè)備工作數(shù)據(jù)的智能數(shù)字化，數(shù)據(jù)更加可靠。自動的數(shù)字化技術(shù)將設(shè)備的工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換成為數(shù)字信號，提升對于設(shè)備的掌控能力，提升工作數(shù)據(jù)的精準程度，將系統(tǒng)進行簡約化發(fā)展，提升系統(tǒng)的工作效率減少繁瑣不必要的程序是智能數(shù)字化的優(yōu)勢發(fā)揮之處。

2.4 節(jié)省投資和安裝費用

電廠使用現(xiàn)場總線技術(shù)可以大量減少I/O 電纜，簡化設(shè)計，節(jié)省電纜、電纜橋架、敷設(shè)空間及安裝工作量。同時減少控制機柜數(shù)量，可節(jié)省電子間的空間。

2.5 提高故障診斷能力、維護更為靈活

現(xiàn)場設(shè)備自身具備自我診斷以及簡要故障處理的能力，同時可利用數(shù)字通信把有關(guān)診斷維護信息傳送到設(shè)備管理系統(tǒng)（Application Management System，AMS）記錄和積累設(shè)備運行狀態(tài)、診斷信息，預測設(shè)備故障，為設(shè)備狀態(tài)檢修和可靠性評估奠定了基礎(chǔ)。工作人員可對設(shè)備的運行情況進行查詢，對維護信息進行診斷，從而對故障原因進行分析并解決，可遠程對現(xiàn)場智能儀表進行調(diào)試，調(diào)試中可減少查驗點，遠程監(jiān)視和診斷現(xiàn)場設(shè)備，節(jié)省工作量和時間。對于維護停工時間進行縮短，加之系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為簡單，因此維護工作量大大減少，維護也更具靈活性。

3 主流總線技術(shù)及分類

在現(xiàn)如今的現(xiàn)場總線技術(shù)之中，主流的技術(shù)手段主要有基金會現(xiàn)場總線（Foundation Fieldbus，F(xiàn)F）、程序總線網(wǎng)絡(luò)（PROcess FIeld BUS，以下簡稱Profibus）、局部操作網(wǎng)（Lucal Operating Netwok，以下簡稱LonWorks）、控制器局域網(wǎng)絡(luò)（Controller Area Network，CAN）、傳感器總線系統(tǒng)（以下簡稱InterBus）等。其中，F(xiàn)F 與Profibus 是目前電力行業(yè)最具發(fā)展前景、最具競爭力的總線，兩者的共同點是低速總線都符合IEC/ICA 的物理層協(xié)議，都可以實現(xiàn)總線供電，有防爆功能適用于較危險的場合，兩者都有得到用戶與生產(chǎn)上的國際組織支持，都是運用數(shù)字信號進行工作，都可以實現(xiàn)多點掛接，可以節(jié)約電纜并且節(jié)約成本，但是兩者還是具有不同的特點。

首先，F(xiàn)F 總線具有開放的數(shù)字通信功能可以與多樣的通信網(wǎng)絡(luò)進行互相連接，F(xiàn)F 的系統(tǒng)是較為開放的，可以由不同的制造商設(shè)備進行組成，可靠性較高，可以采用數(shù)字傳輸技術(shù)，提升通信的抗干擾能力，具有更高的精準程度，工程造價較低，可以實現(xiàn)高度的智能與功能的自主性?？偩€的操作協(xié)議較為復雜，因此在實際的現(xiàn)場總線技術(shù)中應(yīng)用較少。

其次，Profibus 是應(yīng)用最廣泛的一種主流技術(shù)，在火電廠的發(fā)展中也是主流技術(shù)手段，全世界已經(jīng)有超過250 家企業(yè)可以生產(chǎn)超過2000 中支持Profibus 系統(tǒng)的控制設(shè)備。Profibus 可以適用于高速的信息傳遞，時間上可以縮短很多，對于大范圍的復雜通信場合有更強的處理能力。對于不同的應(yīng)用對象，Profibus可以選取不同規(guī)格的總線系統(tǒng)，不需要增添轉(zhuǎn)換裝置。Profibus的數(shù)據(jù)傳遞更加的安全，安全系數(shù)更高，其進入我國的時間盡管還不太長，但是應(yīng)用范圍與日俱增。

再次，DP 總線（Profibus 的高速數(shù)據(jù)傳輸形式）具備以下特點。首先由于其是全數(shù)字調(diào)速裝置，且操作十分簡單，可應(yīng)用于各種場合具備經(jīng)濟性及靈活性。同時對于主動系統(tǒng)及總線系統(tǒng)壓力進行減輕，具備較少的電纜但抗干擾度極高，同時具有保護機制，各個從站都具備獨立的控制定時器，在一定監(jiān)測時間內(nèi)，假如數(shù)據(jù)傳輸有偏差定時器則會超時。超時現(xiàn)象發(fā)生后，用戶會立即得到信息，加強了系統(tǒng)整體的可靠性。

最后，PA 總線（Profibus 的過程自動化控制系統(tǒng)）具備以下特點：使不同廠家生產(chǎn)的現(xiàn)場設(shè)備具備交換性；總線站點的去除與增加，在本站安全區(qū)域也不會對其他站產(chǎn)生影響；過程自動化的PA 段與制造業(yè)自動化的DP 總線段經(jīng)藕合器連接，可實現(xiàn)兩段間的透明通信。

4 現(xiàn)場總線術(shù)在火電廠的應(yīng)用

4.1 現(xiàn)場總線技術(shù)在電廠的應(yīng)用情況

現(xiàn)場總線技術(shù)在電廠的主、輔系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。下面以某電廠應(yīng)用的Profibus 總線技術(shù)為例進行介紹。

火電廠系統(tǒng)具有控制任務(wù)集中而復雜的特點，不同的控制回路之間往往存在相互的聯(lián)系。本工程在現(xiàn)場設(shè)備層采用現(xiàn)場總線技術(shù)，所有的設(shè)備控制策略在控制系統(tǒng)控制器中集中處理?？刂破鞑捎贸墒斓木哂锌偩€接口的冗余控制器，不考慮將控制任務(wù)分散到現(xiàn)場智能設(shè)備的方式，以免造成總線結(jié)構(gòu)復雜、總線通信負荷率增大等缺陷。

現(xiàn)場總線在主控系統(tǒng)的應(yīng)用原則：凡出現(xiàn)故障將直接危急機組安全運行、主機和主要輔機保護的功能不納入現(xiàn)場總線，如鍋爐安全監(jiān)視系統(tǒng)（Furnace Safety Supervisory System，F(xiàn)SSS）、汽機數(shù)字電液控制系統(tǒng)（Digital Electric Hydraulic Control System，DEH）、汽輪機緊急跳閘系統(tǒng)（Emergency Trip System，ETS）、給水泵汽機控制系統(tǒng)（Manufacturing Execution System，MES）等；要求快速控制檢測的對象和要求時間分辯率高的檢測參數(shù)，不納入現(xiàn)場總線系統(tǒng)，如旁路控制系統(tǒng)、事故順序記錄（Sequence Of Event，SOE）等。

（1）主控系統(tǒng)?，F(xiàn)場總線的應(yīng)用范圍包括鍋爐、汽輪發(fā)電機及其輔助系統(tǒng)的部分監(jiān)測、控制（溫度、壓力、流量、液位等），其中包括調(diào)節(jié)型電動執(zhí)行機構(gòu)、開關(guān)型閥門電動裝置、氣動調(diào)節(jié)門、氣動開關(guān)門、部分380 V 電機等。

（2）輔控系統(tǒng)。均采用基于Profibus 現(xiàn)場總線協(xié)議的PLC 系統(tǒng)，這些輔助公共系統(tǒng)具體涵蓋除塵車間、化學車間、污水處理車間、輸煤車間、空壓機等車間，此類車間內(nèi)部監(jiān)控信號多以開關(guān)量為主，而模擬量調(diào)節(jié)項目極少，所以大部分均采取PLC 可編程控制器來進行系統(tǒng)控制及監(jiān)視。利用Profibus 現(xiàn)場總線通信標準，對全廠建立輔助公共系統(tǒng)的PLC 監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，由于Profibus 可以對信息進行快速傳遞，在通信復雜的場合具備極強的處理能力，同時對于不同對象有針對性的選取不同規(guī)格的總線系統(tǒng)，無需加入轉(zhuǎn)換裝置，對數(shù)據(jù)進行傳遞時更為安全可靠。因此在對車間工作站進行現(xiàn)場維護及調(diào)試時，可對監(jiān)控點進行集中管理、分散進行控制，從而經(jīng)由通信接口把信息傳輸至廠級控制網(wǎng)絡(luò)。

4.2 智能設(shè)備管理應(yīng)用

現(xiàn)場總線設(shè)備監(jiān)控管理系統(tǒng)，采集現(xiàn)場總線設(shè)備豐富的信息，以數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)為核心，為用戶提供設(shè)備遠程實時監(jiān)控、故障診斷、設(shè)備檢修（維護）指導、設(shè)備缺陷單管理、設(shè)備運行狀況的統(tǒng)計分析、歷史數(shù)據(jù)管理分析等功能，實現(xiàn)了全廠現(xiàn)場總線設(shè)備的統(tǒng)一監(jiān)管。現(xiàn)場總線設(shè)備監(jiān)控管理系統(tǒng)的應(yīng)用，實現(xiàn)了全廠現(xiàn)場總線設(shè)備的統(tǒng)一監(jiān)控和管理。有效地利用了現(xiàn)場總線設(shè)備的狀態(tài)和診斷數(shù)據(jù)，進行設(shè)備故障預測，并提出維護/維修指導，變“故障檢修”為“預測檢修”，變“就地巡檢”為“遠程巡檢”，降低了設(shè)備的維護成本，提高了設(shè)備的可用率，為電廠的安全穩(wěn)定運行提供了有力的保障。

AMS 以FF 或Profibus 協(xié)議為基礎(chǔ)，以EDDL、FDT 為技術(shù)手段，集數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)分析于一體，為現(xiàn)場總線智能儀表提供統(tǒng)一管理平臺，將多種類型儀表統(tǒng)一集成管理。它采用開放的標準協(xié)議，對于不同協(xié)議、不同廠商、不同類型、不同接入方式的多種儀表設(shè)備提供相同的操作方式和相同的界面顯示。從而為智能設(shè)備預防性維護、預測性維護及前攝性維護提供一體化解決方案。

該平臺可集成儀表的遠程配置與診斷信息，提供了豐富的儀表設(shè)備信息和故障診斷信息，通過對設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測及診斷，對設(shè)備進行主動性維護和預測性維護，提高整個工廠設(shè)備的可靠性與可用性。

提供的設(shè)備管理與維護功能，使智能設(shè)備發(fā)揮最大效益，減少儀表的損耗并降低維護成本?？蛇h程對現(xiàn)場智能儀表進行調(diào)試，完全可替代傳統(tǒng)的手操器功能。智能設(shè)備涵蓋智能傳感器、執(zhí)行器、變送器和通信接口設(shè)備等。由于未來戰(zhàn)斗系統(tǒng)（Future Combat Systems，F(xiàn)CS）現(xiàn)場設(shè)備具備智能化的特點，將其應(yīng)用于火電廠中，可選擇性的對一些控制點及測量點單位進行調(diào)節(jié)，利用智能化設(shè)備來對現(xiàn)場進行控制。智能化設(shè)備可利用現(xiàn)場總線對數(shù)字信號進行傳遞，其中包含設(shè)備制造商提供的基本信息以及生產(chǎn)過程參數(shù)實際測量信息，例如：被測量參數(shù)的設(shè)備型號、量程、材料等，不但對于設(shè)備具備的共性進行描述，某些特定設(shè)備也有相應(yīng)的特有描述。例如溫度傳感器，可能涵蓋熱元件型號、允許測量范圍、連接方式等信息，經(jīng)由智能化設(shè)備傳遞其設(shè)備自身信息，電廠設(shè)備管理系統(tǒng)可對其進行合理有效的管控。當下，大部分智能化設(shè)備均遵循可尋址遠程傳感器高速通信協(xié)議標準（Highway Addressable Remote Transducer，HART），利用遵循該協(xié)議標準的現(xiàn)場儀表來對設(shè)備進行校驗，則可快速完成檢查及校驗工作，利用總線通信將數(shù)據(jù)信息傳輸至上層管理系統(tǒng)，從而達到科學管理的目的。

4.3 與MIS 接口及數(shù)據(jù)傳輸

目前，AMS 里大量的故障診斷信息數(shù)據(jù)在“沉睡”，沒有真正發(fā)揮現(xiàn)場總線技術(shù)的故障診斷能力和優(yōu)勢。只有將AMS 里豐富的故障診斷信息數(shù)據(jù)鏡像傳輸?shù)焦芾硇畔⒋髤^(qū)里的管理信息系統(tǒng)（Management Information System，MIS），才可以為基于設(shè)備的狀態(tài)檢修的大數(shù)據(jù)智能綜合分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和技術(shù)手段。

由于AMS 部署在生產(chǎn)控制大區(qū)，而MIS 部署在管理信息大區(qū)，但生產(chǎn)控制大區(qū)與管理信息大區(qū)之間存在數(shù)據(jù)單向傳輸網(wǎng)閘隔離，不能進行數(shù)據(jù)雙向傳輸。所以需要在生產(chǎn)控制大區(qū)部署AMS 接口機并開發(fā)數(shù)據(jù)傳輸接口程序，解決數(shù)據(jù)單向傳輸訪問受限問題。由于AMS 里的故障診斷信息數(shù)據(jù)存儲在關(guān)系型數(shù)據(jù)庫里，所以接口程序首先要從AMS 定時取出數(shù)據(jù)，并具備數(shù)據(jù)緩存功能，然后打包成用戶數(shù)據(jù)報（User Datagram Protocol，UDP）協(xié)議類型的數(shù)據(jù)包，通過虛擬IP 地址穿越網(wǎng)閘，把數(shù)據(jù)傳輸存儲到MIS 的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫里。相當于在管理信息大區(qū)做了AMS 的數(shù)據(jù)鏡像，并定期更新數(shù)據(jù)，這樣可以解決了在管理信息大區(qū)不能穿越網(wǎng)閘直接訪問生產(chǎn)控制大區(qū)的數(shù)據(jù)問題，從而為基于設(shè)備的狀態(tài)檢修大數(shù)據(jù)智能綜合診斷奠定數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

4.4 故障診斷信息管理應(yīng)用

現(xiàn)場總線技術(shù)在火力發(fā)電廠的應(yīng)用過程中，故障診斷信息管理應(yīng)用是現(xiàn)場總線技術(shù)的核心，為設(shè)備的運行狀態(tài)檢修提供技術(shù)手段。故障的診斷信息管理的發(fā)展需要對所有運行設(shè)備進行常規(guī)的日常狀態(tài)監(jiān)控，也就說俗稱的預防性檢查，計劃性的對投入使用的所有設(shè)備進行狀態(tài)的監(jiān)控。

由于現(xiàn)場總線AMS 里存儲著大量的智能儀表基礎(chǔ)信息和故障診斷信息，把這些故障診斷信息與MIS 系統(tǒng)里的設(shè)備檢修維護記錄、定期試驗記錄、點巡檢記錄、設(shè)備可靠性記錄以及與安全儀表系統(tǒng)（Safety Instrumented System，SIS）的實時數(shù)據(jù)和性能指標數(shù)據(jù)項結(jié)合綜合分析、充分利用，可以為基于設(shè)備的狀態(tài)檢修的大數(shù)據(jù)綜合智能分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和技術(shù)手段。

機械設(shè)備都具有相應(yīng)的數(shù)據(jù)來進行常規(guī)的狀態(tài)監(jiān)測，電壓、電流、氣壓、溫度、振動等不同的數(shù)據(jù)來進行狀態(tài)分析。這些數(shù)據(jù)有一定的標準范圍，例如在火電廠的發(fā)電過程中，電壓超出標準的范圍將會被物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的傳感器提供故障警示，通知管理人員及時的進行修理與檢查。在進行多次檢修的過程中可以根據(jù)不同的數(shù)據(jù)異常形成一套專業(yè)故障診斷辦法，通過對數(shù)據(jù)的專業(yè)化分析來形成故障診斷信息管理的專業(yè)化升級，以此來促進對于設(shè)備狀態(tài)檢修方面的應(yīng)用，提升火電廠的智能化管理水平。

4.5 設(shè)備狀態(tài)檢修方面的應(yīng)用

在設(shè)備的轉(zhuǎn)臺檢修之中根據(jù)維護檢修管理的方式主要的檢修策略可以分為3 種：首先是基于時間的定期檢修。這是一種傳統(tǒng)的檢修方式，不過多的考慮到設(shè)備的運行應(yīng)用狀態(tài)問題，定期進行設(shè)備的檢修，這是最主要的檢修方式；其次，根據(jù)設(shè)備的使用狀態(tài)進行檢修。這是一種較為先進的檢修方式，根據(jù)開關(guān)的開合次數(shù)、馬達的啟停次數(shù)以及設(shè)備的運行時間等數(shù)據(jù)的結(jié)合來確定設(shè)備的工作狀態(tài)，這種檢修周期往往較長，檢查也較為復雜；最后，針對設(shè)備的運行狀態(tài)來進行檢修。這是一種基于設(shè)備的運行具體數(shù)據(jù)來進行設(shè)備的檢修，以此來預估設(shè)備的運行狀態(tài)，根據(jù)設(shè)備的運行健康來安全檢修。利用電子傳感技術(shù)與微電子技術(shù)的不斷應(yīng)用，對故障檢修提供更多的便利。與此同時，現(xiàn)場總線技術(shù)的智能化應(yīng)用可以對機械設(shè)備的各項數(shù)據(jù)進行存檔，形成巨大的數(shù)據(jù)庫，方便日后對于電廠內(nèi)的所有機械設(shè)備進行分析與整合，判斷設(shè)備的運行狀態(tài)。例如：基于現(xiàn)場總線技術(shù)和SIS 設(shè)備的檢修應(yīng)用，通過智能化現(xiàn)場儀表為基本的應(yīng)用，具有維護簡單、自動診斷、校正等管理方面的功能，進行管理自動化與診斷功能的進一步開發(fā)，以此降低運行維修成本。對于設(shè)備故障知識進行積累并對其進行分析，某些難點重點問題采取專題討論的形式，從而找出科學合理的辦法，有效解決問題。

5 總結(jié)

綜上所述，現(xiàn)場總線技術(shù)在新建火電廠的主、輔設(shè)備中廣泛應(yīng)用，但大量的設(shè)備故障診斷數(shù)據(jù)還在“沉睡”，沒有真正發(fā)揮現(xiàn)場總線技術(shù)的優(yōu)勢。在火電廠的發(fā)展中，需要喚醒“沉睡”的大量數(shù)據(jù)，為設(shè)備的狀態(tài)檢修提供技術(shù)手段。只有更多地嘗試新型科技技術(shù)帶來的便利，才能促進火電廠向數(shù)字化和智能化發(fā)展，有利于我國的科技技術(shù)創(chuàng)新升級。因此，在現(xiàn)如今的現(xiàn)場總線技術(shù)發(fā)展過程中，需要為自動化領(lǐng)域進行未來發(fā)展的投入，做到有針對性的技術(shù)升級。