火電廠現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)
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現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)是最近一段時(shí)間大家討論比較多的一項(xiàng)新技術(shù)，其實(shí)這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)出現(xiàn)十幾年了，只不過真正大規(guī)模應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)中還是最近幾年的事情?，F(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)和目前電廠大規(guī)模使用的DCS和PLC控制系統(tǒng)相比有許多的優(yōu)點(diǎn)，可以節(jié)省大量的設(shè)備開銷和維護(hù)費(fèi)用等。雖然現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)目前在電廠應(yīng)用的還不廣泛，但很多人都認(rèn)為以現(xiàn)場(chǎng)總線為基礎(chǔ)的FCS(FIELDBUS CONTROL SYSTEM)將會(huì)是下一代控制系統(tǒng)。
一、現(xiàn)場(chǎng)總線的優(yōu)勢(shì)
使用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)可以用一根電纜將多個(gè)設(shè)備連接起來，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)總線所使用的設(shè)備都是智能設(shè)備，因此現(xiàn)場(chǎng)總線和目前使用的DCS和PLC控制系統(tǒng)相比就具有了許多優(yōu)點(diǎn)，具體優(yōu)點(diǎn)歸納如下：
(1)使用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)可以在大大節(jié)省設(shè)備投資。目前電廠大量使用的仍然是以DCS和PLC為核心的控制技術(shù)。這種技術(shù)需要將每個(gè)信號(hào)用一根電纜拉到控制柜的I/O板卡中，通常一個(gè)電廠的信號(hào)都達(dá)到了上萬點(diǎn)，這樣就需要大量的電纜和電纜橋架來連接現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備和控制器。目前國(guó)內(nèi)兩臺(tái)600MW超臨界機(jī)組的控制電纜長(zhǎng)度大約400公里，計(jì)算機(jī)專用電纜大約800公里，補(bǔ)償導(dǎo)線大約160公里，由此可以看出電纜的使用量是非常巨大的。如果使用了現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)則可以大大減少這方面的開支，現(xiàn)場(chǎng)總線可以將多個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備連接到一根通訊電纜上，而不是目前將每個(gè)設(shè)備用一根電纜連接到控制器上。據(jù)有關(guān)機(jī)械統(tǒng)計(jì)，使用現(xiàn)場(chǎng)總線可以比常規(guī)控制系統(tǒng)的電纜用量節(jié)約40%左右。
(2)使用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)可以降低設(shè)備維護(hù)費(fèi)用，提高設(shè)備的效率。在電廠中有著數(shù)目眾多的儀表和閥門，維護(hù)這些設(shè)備的工作量非常 大，需要投入大量的人力和物力?，F(xiàn)場(chǎng)總線使用的儀表都是智能儀表，所謂智能儀表是指以微型計(jì)算機(jī)(單片機(jī))為主體，將計(jì)算機(jī)技術(shù)和檢測(cè)技術(shù)有機(jī)結(jié)合組成的儀表。智能儀表不僅擁有常規(guī)儀表智傳送測(cè)量值的功能。還可以向控制系統(tǒng)傳送儀表狀態(tài)的有關(guān)信息，這樣運(yùn)行人員就可以在控制室監(jiān)視現(xiàn)場(chǎng)儀表的狀態(tài)；
智能儀表還可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程調(diào)試，現(xiàn)場(chǎng)將儀表安裝好以后通常需要對(duì)儀表進(jìn)行調(diào)試，我們現(xiàn)在通常的做法是利用一些調(diào)試工具如手操器等在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)儀表進(jìn)行調(diào)試，在使用了現(xiàn)場(chǎng)總線后，可以通過現(xiàn)場(chǎng)總線在遠(yuǎn)程對(duì)現(xiàn)場(chǎng)儀表進(jìn)行調(diào)試；使用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)可以預(yù)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備發(fā)生事故的時(shí)間，這樣就可以提高對(duì)該設(shè)備采取措施，避免產(chǎn)生比較嚴(yán)重的后果。目前我們經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)忽視維護(hù)費(fèi)用而只重視基建費(fèi)用的情況，其實(shí)維護(hù)費(fèi)用在整個(gè)電廠的生命周期開銷中占有一個(gè)很大的比重，如果能減少這部分的費(fèi)用，對(duì)提高整個(gè)電廠的經(jīng)濟(jì)效益將會(huì)有很明顯的幫助。根據(jù)美國(guó)最主要的制造業(yè)咨詢公司ARC在2004年5月發(fā)布的一項(xiàng)研究報(bào)告指出，現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)總線最大的優(yōu)勢(shì)就是可以大大減少對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的維護(hù)費(fèi)用。
(3)使用現(xiàn)場(chǎng)總線可以將現(xiàn)有的HART儀表直接連接到現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)中。目前電廠使用的變送器基本上都是帶有HART協(xié)議的智能變送器，而現(xiàn)場(chǎng)部線技術(shù)可以直接將HART協(xié)議轉(zhuǎn)化為現(xiàn)場(chǎng)總線的通訊協(xié)議，這樣智能儀表在現(xiàn)場(chǎng)總線中就可以正常使用了。這對(duì)一些改造項(xiàng)目節(jié)省經(jīng)費(fèi)是非常有益的，因?yàn)槿绻诟脑爝^程中使用現(xiàn)場(chǎng)總線，則不需要更換這部分的變送器，相應(yīng)的就可以節(jié)省這部分的開支。
(4)使用現(xiàn)場(chǎng)總線可以減少接線的工作量。使用DCS時(shí)接線是一項(xiàng)非常繁重的工作，因?yàn)槊總€(gè)現(xiàn)場(chǎng)的信號(hào)都要通過一根電纜接到控制室的機(jī)柜中，這樣控制室中的電纜量就非常龐大，這也加大了接線的工作量。如果在接線的過程中出現(xiàn)接錯(cuò)線、漏接線的情況，檢查起來更是復(fù)雜。使用現(xiàn)場(chǎng)總線后大量的接線工作轉(zhuǎn)移到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行，而且現(xiàn)場(chǎng)的接線也非常簡(jiǎn)單，因?yàn)橥ǔ６际鞘褂靡桓娎|就將多個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備連接起來。這樣連接到控制室的電纜量就可以大大減少。而如果出現(xiàn)接錯(cuò)線的情況檢查是非常方便的。圖1左半部分是傳統(tǒng)的DCS接線柜，而右半部分是現(xiàn)場(chǎng)總線的接線柜，從圖中可以清楚地看出兩者之間的區(qū)別。
二、現(xiàn)場(chǎng)總線的設(shè)計(jì)
現(xiàn)場(chǎng)總線的出現(xiàn)對(duì)于我們?cè)O(shè)計(jì)院的工作來說面臨著許多改變。目前設(shè)計(jì)院一項(xiàng)重要的工作就是繪制接線圖。在使用現(xiàn)場(chǎng)總線后接線圖的數(shù)量將會(huì)大幅度減少，因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)總線是用一根電纜將多個(gè)設(shè)備連接起來，然后再接到上層網(wǎng)絡(luò)，而省去了很多的接線盒等設(shè)備。這樣設(shè)計(jì)院就需要其他的工作來代替以往的接線工作。從現(xiàn)場(chǎng)總線的結(jié)構(gòu)來看，網(wǎng)段的設(shè)計(jì)對(duì)整個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)正常運(yùn)行將起著非常重要的作用，因此設(shè)計(jì)院的接線工作將會(huì)轉(zhuǎn)移到現(xiàn)場(chǎng)總線的網(wǎng)段設(shè)計(jì)以及布線的工作中去，這是現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心技術(shù)，而且這部分的工作也只能由設(shè)計(jì)院來完成。
2.1 現(xiàn)場(chǎng)總線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
設(shè)計(jì)一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)首先需要確定其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)?，F(xiàn)場(chǎng)總線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)共有4種：總線型、樹型、菊花鏈型和點(diǎn)到點(diǎn)型：
(1)總線型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是由一條干線和連接在干線上不同點(diǎn)的若干支線所組成的。干線的兩端設(shè)有終端器，支線的長(zhǎng)度可以根據(jù)需要從1米到120米不等，在下面的篇幅中將會(huì)對(duì)支線長(zhǎng)度做一些說明。
(2)樹型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是由一條干線和連接在干線端點(diǎn)上的若干支線組成的。與總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相同，在干線的兩端需要設(shè)終端器。
(3)菊花鏈型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是用電纜把一臺(tái)設(shè)備依次連接到下一臺(tái)設(shè)備上，一直到最后一臺(tái)設(shè)備和終端器上。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也可以認(rèn)為是支線長(zhǎng)度為零的總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。采用這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)應(yīng)注意；每臺(tái)設(shè)備上的進(jìn)線和出線應(yīng)連接在一起，以免脫落時(shí)造成鏈的終端故障。可以看出，菊花鏈中如果有一臺(tái)設(shè)備出現(xiàn)故障，那么連接到這臺(tái)設(shè)備上的下面的所有設(shè)備將和總線斷開，所以這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并不推薦使用。
(4)當(dāng)一條總線上只連接兩個(gè)設(shè)備時(shí)就形成了點(diǎn)到點(diǎn)型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。例如一臺(tái)變送器和一臺(tái)執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成的就地控制系統(tǒng)，如果不連接其他設(shè)備時(shí)，就是點(diǎn)到點(diǎn)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。由于這種結(jié)構(gòu)沒有發(fā)揮出現(xiàn)場(chǎng)總線的優(yōu)點(diǎn)，因此在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)盡量少采用這種結(jié)構(gòu)。
綜上所述，在設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的時(shí)候應(yīng)盡量采用總線型和樹型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，而應(yīng)少采用菊花鏈和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。同時(shí)也可以考慮將總線型和樹型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)混合起來使用。
2.2 網(wǎng)段設(shè)計(jì)
確定現(xiàn)場(chǎng)總線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)后就可以設(shè)計(jì)具體的網(wǎng)段了?，F(xiàn)場(chǎng)總線對(duì)每個(gè)網(wǎng)絡(luò)的電纜長(zhǎng)度都有具體的規(guī)定，這就要求我們?cè)O(shè)計(jì)人員精確的知道每段電纜的長(zhǎng)度，而按照目前的作圖深度來說想要做到這一點(diǎn)是非常困難的。因?yàn)槟壳皟x控專業(yè)的設(shè)計(jì)人員在布置儀表時(shí)只是在機(jī)務(wù)專業(yè)的系統(tǒng)圖中標(biāo)注出儀表的安裝位置，首先機(jī)務(wù)專業(yè)的系統(tǒng)圖只是一個(gè)示意圖，并沒有精確地表示出管道的長(zhǎng)度和走向等信息，其次儀控專業(yè)在設(shè)計(jì)儀表的時(shí)候考慮的是安裝什么表、裝幾只以及測(cè)量量在控制系統(tǒng)中所起作用，而很少考慮儀表安裝的具體位置，更多的是安裝人員根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的情況選擇安裝位置，這樣的設(shè)計(jì)深度對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)來說顯然是不夠的。
目前很多電力設(shè)計(jì)院已經(jīng)在使用三維設(shè)計(jì)軟件來進(jìn)行機(jī)務(wù)管道的設(shè)計(jì)，我認(rèn)為儀控專業(yè)也可以使用三維設(shè)計(jì)軟件來確定儀表安裝的位置。因?yàn)榇蠖鄶?shù)的熱控儀表都是布置在機(jī)務(wù)管道上，這樣當(dāng)機(jī)務(wù)專業(yè)確定了管道布置以后，熱控專業(yè)就可以根據(jù)儀表的安裝要求選擇安裝位置，同時(shí)可以表示出電纜橋架的布置，這樣就能夠比較精確的計(jì)算電纜長(zhǎng)度。
一般來說對(duì)于總線供電的儀表每個(gè)網(wǎng)段上能夠連接儀表的數(shù)量都是有規(guī)定的，其原因就是電纜和儀表有電壓降，如果數(shù)量超過限制則網(wǎng)段末端的儀表可能會(huì)出現(xiàn)供電電壓不足的情況，因此在進(jìn)行網(wǎng)段設(shè)計(jì)時(shí)需要確定每臺(tái)儀表的供電電壓是否能夠滿足儀表的要求。要準(zhǔn)確地計(jì)算每一臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備的供電電壓是否滿足要求，需要知道每臺(tái)設(shè)備的耗電量，每段電纜的電阻和電源電壓。按照直流電路的計(jì)算方法計(jì)算出每一臺(tái)裝置的電壓，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，節(jié)點(diǎn)很多時(shí)，這種計(jì)算是非常繁瑣的。為此，有些現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備制造商提供了一種軟件，在該軟件中存儲(chǔ)每種現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備的屬性，包括電阻和所需電壓等，設(shè)計(jì)人員只要輸入網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及確定每段電纜的長(zhǎng)度，該軟件就會(huì)自動(dòng)計(jì)算出每臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備的電壓，檢查該電壓值是否滿足該設(shè)備所要求的工作電壓同時(shí)會(huì)給出一份設(shè)計(jì)報(bào)告，其中列出了該網(wǎng)段的詳細(xì)信息，這份報(bào)告可以作為該網(wǎng)段的設(shè)計(jì)報(bào)告。PROFIBUS和FF總線都自己的網(wǎng)段設(shè)計(jì)軟件，該軟件的作用就是可以知道我們?cè)O(shè)計(jì)的現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)段是否符合現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議的規(guī)定。使用該軟件的時(shí)候我們需要將網(wǎng)段中儀表的連接方式以及儀表的型號(hào)輸入該軟件，該軟件可以計(jì)算出每個(gè)儀表上的供電電壓，電纜中的電流等，從而判斷出該網(wǎng)段設(shè)計(jì)是否能夠滿足有關(guān)協(xié)議的要求。通常該軟件是由廠家免費(fèi)提供的。
評(píng)論