电气电厂控制系统中现场总线技术的应用

电气电厂控制系统中现场总线技术的应用

姚均天卫丽付铮铮孙平

中机国能电力工程有限公司上海200061

摘要：本文分析了现场总线技术作用于电厂电气控制系统的作用、范围以及特点，并提出了技术应用实例，以深化现场总线技术的应用效率。其目的是为相关建设者提供一些理论依据。

关键词：电厂电气；控制系统；现场总线技术

引言

电厂电气控制系统的自动化运行已经成为满足当前现代化建设对电力系统运行管理需求的关键。而现场总线技术以其具有实现电气控制系统运行智能化、操作灵活性以及动作可靠性特点，被广泛应用于电厂电气控制系统中。然而，y由于总线技术应用的差异性，使得电厂将其作用于电气控制系统的自动化目标难以实现。为此，相关建设人员应在明确其现场总线技术应用现状、应用范围以及应用特点的基础上，找出具体技术应用的优化方法。

1电厂电气控制系统中现场总线技术应用现状

电厂电气控制系统应用的现场总线技术主要作用于实现系统运行到自动化控制。具体来说，由于电厂电气控制系统的自动化建设需要采用大量智能仪表数字化通信方式以及相关智能执行机构。现场总线技术能够使上述自动化内容通过总线接口介入到现有的PLC以及DSC中，这就在很大程度上提高了运行使用效率。受资金投入力度限制，许多电厂的电气控制系统并没有采用现场总线技术来进行自动化系统建设，这就使得短时间内，电厂电气控制系统难以实现整体的总线控制目标。

2现场总线制控制系统技术实施具体含义

现场总线是应用在制造或过程区域现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字化、穿行、多点通信的数据总线；不同于常规意义上的DCS，现场总线技术是将专用的微处理器安装在就地仪表、设备中，使它们自身具备数据处理及通讯的能力，继而利用总线将多个控制仪表连接成网络系统，通过规范的通讯协议实现数据传输与信息共享，即所需自动控制系统。较传统DCS，现场总线制控制系统有如下特点：

2.1结构

1）现场设备无需配套A/D转换模块，且智能设备能执行多种传感控制报警和计算功能，因而能减少变送器数量并避免过于复杂的接线过程；

2）1对双绞线或1条电缆上即可挂接多个设备，可大大优化电缆及桥架用量，并达到整洁、美观的视觉效果；3）可实现将复杂的配电、供气、信号传输回路整合至集成电磁阀箱内；4）将控制设备分散到就地，从而减少了电子设备间及控制室的占地面积。

2.2控制系统分析

2.2.1EFCS系统

EFCS系统是一种基于ECMS系统经过大量改进之后提出的系统。首先，该系统可在网络上与DCS系统建立起相互连接，同时也可通过通信的方式与DCS系统进行相互连接，从而实现对ECMS系统弊端的有效避免，并实现对各项信息的有效共享，从而实现对硬接线使用的有效控制，并以此来达到降低投资成本的目的，同时通过这种方式还可有效放置信息的重复采集，使得系统的操作更加的简单边界。EFCS系统要进入到DCS系统主要是通过两种监控方式来实现：（1）“通信+硬接线”，这种监控方式主要应用于大型电动机，简单来说就是指电气设备，包括超过100kW的低压电动机以及高压电动机。尽管在监控时，与传统的硬接线的方式存在一定差异，但操作原理基本相同，故值班人员能够容易上手；（2）“全通信”，这种监控方式应用于小型的电动机。在ECMS系统上，还能够结合实际需要作深入的改进，在对DCS系统进行电气控制的同时，还可建立起报警、监视、统计功能以及电能管理的独立监控系统，这不仅能够减少运行维护人员，达到投资成本的控制，同时还能够独立完成各项功能。

伴随着科技的持续快速发展，我国对现场总线技术的相关要求也随之统一化和标准化，各种电气设备也随之更加的成熟，并配置了各种各样的连接端口，随着科学技术的快速推进，未来硬接线监控方式将被完全取代，更多的以“全通信”的方式来进行监控。

2.2.2ECMS系统

该系统最初是中国电力工程顾问集团所提出的，其主要存在两种电气控制方案，且均是基于现场总线技术设计获得。ECMS系统所具备的两种实现方案均存在一个相同的弊端，即其均无法与DCS系统实现通信连接，这意味着，必须通过I/O硬接线的方式才能够将其接入，使得现场总线无法更好的发挥其作用，同时还会使得大量资本在硬接线投资上被浪费。两种方案分别为：（1）第一种方案：首先，由机组DCS系统来实现电气设备的控制，并对其进行监视管理；其次，由DCS系统对电动机进行控制，在火力发电厂机组的控制中心，配置了ECMS系统操作站，为其配置相应的操作人员，其主要负责电动机管理以及ECMS系统的监测；（2）第二种方案：该方案与第一种方案存在明显的差异，其主要是运用DCS系统来实现对火力发电厂的电动机与电气设备等的控制，通过I/O硬接线来将其与系统进行连接，再由ECMS系统来实现对电动机与电气设备的监视管理。

2.2.3EFCS系统配置方案

本文针对现场总线控制系统配置方案的分析，主要从数据采集和网格结构两方向来分析。首先，从网格结构上来说，现场总线控制系统其结构呈现为明显的两层网三层设备，其中两层网主要包括总线网与以太网，其中总线网主要是指通信间隔层与子站层之间相连接的，以太网则主要是指监控主层与其他所有通信子站层之间的连接；三层设备则主要包括通信子站层、监控主层以及间隔层。该结构本就是开放性的分层分布结构，其不仅能够达到系统功能分层的作用，还可发挥分散设备的作用。而在数据采集时，其主要通过通信和硬线连接两种方式实现，其中通信主要是通过信号的方式将其数据传输到DCS系统中，多用于对监测信号进行采集，但需要运用专门的现场总线控制系统和相关监控硬件设备；硬线连接则主要是通过硬线将实现设备和DCS系统的连接，通常应用于一些控制量信号的采集上。

2.3运行

1）智能化数字仪表将补偿计算、数据处理、逻辑判断等功能分散到现场设备中完成，故仅需现场仪表、设备就能完成自动控制功能并实时诊断其运行状态，便于运行维护；2）所有制造商都使用相同的功能块，并采用统一的组态方式，简化了调试、组态、检修过程。随着现场总线制控制系统技术的不断推广，各企业为占领产品市场，相继开发了多达100种的总线协议。但这种局面并非利于用户的利益及技术的发展，国际标准化组织最终采纳了经过市场考验的20种现场总线、工业以太网和实时以太网。

3现场总线技术的应用效果及注意事项

对于普通规格的DCS系统而言，由于规模有限，系统无法引入太大的电气I/O数量。而采用现场总线技术后，ECMS系统的信息容量得到了大幅提升。这使得原本不能进入系统监测的一些设备，例如一些主要的就地电气智能装置，均能实现系统监控，从而使更多的现场信息可以通过系统反馈给运行和管理的相关工作人员。除此之外，现场总线通信方式利用现场总线将电气遥测以及测量、状态、保护等遥信信号传入DCS系统，而自身只对控制命令和开关位置的状态进行记录。另外，充分利用就地智能装置对一些模拟量进行采样并通过数字通信传入DCS系统，比如电气设备的电流、电压、功率等信号采集，相比于传统的采集方式而言，就地信号采样传入DCS系统只需要一根专用通信电缆就可实现，不仅能够节约硬接线投入的成本，而且ECMS系统运行人员在集中控制室就能随时监测到就地智能电气装置的运行情况并对其设备进行诊断和维护，同时，系统还能够对设备事故进行记录和追忆，ECMS系统能够通过查询选择合理的方式对设备进行运行维护，更加便捷准确的向运行人员提供信息，帮助工作人员更快更高效的处理事故现场。

在使用现场总线技术时，应结合其系统的特点进行设计。笔者认为，低于三层的网络更匹配现场总线控制系统对网络结构的要求。另外，现场总线的长短决定了通信速率的快慢，总线长度越长，信息传输的速度越慢，因此，在布置节点时，应使支路节点的数量保持在一定的范围内，使总线敷设距离竟可能缩短，以保证通信顺畅；同时，还应该避开信号干扰源，例如高压动力电缆等。此外，系统在安装调试时，应严格按照正确的方案进行安装，以确保系统的正常运行。

4.基于现场总线技术的输煤控制系统分析

4.1控制理念

由于输煤系统中大部分工艺设备厂家自带控制箱，且大部分厂家的控制箱无法直接采用Profibus总线技术实现对设备的控制。因此，基本控制理念是在各转运站设置转运站远程I/0分站，每个分站内设一台总线通讯器。针对输煤控制系统的每个设备设置一台现场总线分控单元，布置于工艺设备厂提供的就地电控箱内，通过Profibus协议通讯至各远程I/0分站，实现信息的上传下发，从而实现整个输煤系统控制。由于每个分控单元均自带CPU，具有自处理功能，系统功能的扩展不再依赖于主站的处理能力。每个就地设备可向程控室提供更多的输入信息和智能化判断功能，系统具有自扩展能力。

4.2系统结构

输煤控制系统采用现场总线技术对整个输煤系统中的设备进行数据采集和控制，通过上位计算机的人机接口对系统设备发出控制命令，同时系统中各设备的运行状态信息在上位机ＬＣＤ上直观、动态地显示出来。输煤控制系统采用３层网络结构，即站控层、主控装置层和现场设备层，主要任务是实现输煤程控主站与上位机监控系统、全厂DCS系统的连接，采用以太网网络架构，在输煤综合楼设置操作员站。

5.总结

通过运用现场总线控制技术来实现对火力发电厂电气控制系统的过程中，主要通过对现场各项数据进行采集的方式实现，这不仅能够及时掌握现场系统故障，提高运行安全性、稳定性上具有重要意义，同时通过该技术的应用还可有效实现对电厂成本投入的控制，在提高经济效益上也有显著效果。

参考文献：

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