現(xiàn)場總線技術(shù)在電廠的應(yīng)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(xué)能轉(zhuǎn)變成熱能、熱能將水變成蒸汽、蒸汽熱能在汽輪機中轉(zhuǎn)變成機械能、再轉(zhuǎn)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(jié)水精處理、化學(xué)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(fù)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(shè)備主要采用傳統(tǒng)的模擬量和開關(guān)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(shè)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(gòu)建輔助控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)、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(shè)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(yù)測性設(shè)備維護和設(shè)備管理為預(yù)期目標的信息化建設(shè)，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(yīng)用支持現(xiàn)場總線的智能現(xiàn)場設(shè)備。
4.應(yīng)用現(xiàn)場總線技術(shù)存在的問題
盡管現(xiàn)場總線技術(shù)具有一系列的特點和誘人的優(yōu)越性，盡管建設(shè)數(shù)字化和信息化電廠的呼聲越來越高，但在電力設(shè)計院和建設(shè)單位嘗試使用現(xiàn)場總線技術(shù)的工程屈指可數(shù)。主要的應(yīng)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(shè)備的規(guī)格和品種較少，支持總線標準的國產(chǎn)設(shè)備更少，尤其是針對電廠開發(fā)的智能設(shè)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(shè)備價格較高。盡管基于現(xiàn)場總線技術(shù)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(shè)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(shè)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(shè)備底層的網(wǎng)絡(luò)不支持冗余結(jié)構(gòu)。
除了上述這些應(yīng)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(shù)在電廠的應(yīng)用。
（１）現(xiàn)有電廠的基建模式?，F(xiàn)在電廠控制設(shè)備的采購大多是由設(shè)計院編制設(shè)備規(guī)范書，由建設(shè)單位組織采購，也有一些設(shè)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(shè)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(shù)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(jié)果化了錢卻起不到效果。
（２）在設(shè)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(shè)備各不相同。如在主廠房內(nèi)，泵與風(fēng)機的開關(guān)站（SWITCHGEAR）和PC、MCC設(shè)備歸電氣管，電動門MCC歸熱控管。成百個設(shè)備在設(shè)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(shè)單位、施工單位甚至設(shè)計院的技術(shù)人員對現(xiàn)場總線技術(shù)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(yīng)用的技術(shù)人員，尤其是設(shè)計院的熱控設(shè)計人員如果還停留在對DCS的認識水平上是無法設(shè)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(shè)備數(shù)量和總線的通信距離均有限制，還要設(shè)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(shè)備的特性，才能保證總線設(shè)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(shè)備如閥門定位器可以當(dāng)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(shè)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(yīng)減少了。但Profibus技術(shù)沒有控制策略的編程語言，也即支持Profibus-PA的現(xiàn)場設(shè)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(shè)計人員所必須要考慮的。
（４）設(shè)計觀念的限制。我們一直強調(diào)在電廠應(yīng)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(yīng)用業(yè)績。需知現(xiàn)場總線技術(shù)已發(fā)展了十多年，支持現(xiàn)場總線技術(shù)的智能設(shè)備已經(jīng)基本成熟，且在石化等行業(yè)得到了廣泛應(yīng)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(yīng)用現(xiàn)場總線技術(shù)應(yīng)有所啟示。
（５）缺乏合理的設(shè)計周期。現(xiàn)在大多數(shù)電廠的工程設(shè)計周期被大大壓縮，因此從設(shè)計院來講能按常規(guī)方案完成設(shè)計已經(jīng)是十分緊張。
（６）對于設(shè)計人員缺乏創(chuàng)新的機制和動力。在工程中應(yīng)用新技術(shù)總會有一定的風(fēng)險，這需要設(shè)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(yīng)用新技術(shù)的研究沒有額外的投入，尤其對新技術(shù)的成功應(yīng)用也并無特別的獎勵機制。
5．電廠應(yīng)用現(xiàn)場總線技術(shù)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(shù)方面無所作為。只要我們認清應(yīng)用現(xiàn)場總線技術(shù)的真正目的，克服制約現(xiàn)場總線技術(shù)在電廠的應(yīng)用障礙，我們就能讓現(xiàn)場總線技術(shù)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(shè)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(yīng)將降低電廠生命周期成本和以合理的投資建設(shè)企業(yè)的信息化平臺和企業(yè)管理體系作為投資方、建設(shè)單位和設(shè)計院共同追求的目標?；谶@樣的原則和指導(dǎo)思想，我們將會實事求是地研究現(xiàn)有控制技術(shù)、計算機技術(shù)和通信技術(shù)帶給我們的自動化和信息化產(chǎn)品，構(gòu)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(jié)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(yīng)強求在全廠統(tǒng)一應(yīng)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(guān)等工業(yè)IT技術(shù)已經(jīng)提供了不同網(wǎng)絡(luò)之間的互聯(lián)技術(shù)。
不應(yīng)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(shè)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(shè)置）。從現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)上分析，依然類似DCS的結(jié)構(gòu)分層，只是網(wǎng)絡(luò)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(shè)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(dāng)然在這個過程中，筆者不否認，設(shè)計院在設(shè)計模式和設(shè)計深度上作出重大轉(zhuǎn)變之后，與主流DCS或其他型式的控制系統(tǒng)供應(yīng)商緊密合作，像石化行業(yè)的設(shè)計院一樣，承擔(dān)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(shè)計。就如早期控制系統(tǒng)運用組裝組件儀表的年代，設(shè)計院就承擔(dān)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(yīng)用，設(shè)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(shè)方在使用現(xiàn)場總線技術(shù)方面起關(guān)鍵作用。沒有他們的支持，設(shè)計院所起的作用是有限的。因為涉及項目的投資和技術(shù)風(fēng)險。設(shè)計院自動化設(shè)計人員應(yīng)在現(xiàn)場總線技術(shù)的應(yīng)用中起領(lǐng)先和推動作用。但設(shè)計院應(yīng)對應(yīng)用現(xiàn)場總線技術(shù)作出透徹的技術(shù)分析報告，講清應(yīng)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(fēng)險應(yīng)對方案。
（２）設(shè)計院在應(yīng)用現(xiàn)場總線技術(shù) 方面設(shè)計人員要有創(chuàng)新意識，管理層要為設(shè)計人員營造設(shè)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(dāng)?shù)恼?。在?yīng)用現(xiàn)場總線技術(shù)方面，一些電力設(shè)計院已進行了有益的嘗試，并積累了寶貴的設(shè)計和應(yīng)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(guān)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(yīng)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(shè)單位對于設(shè)計院采用現(xiàn)場總線技術(shù)的設(shè)計方案，須給予足夠的設(shè)計周期，并在技術(shù)方案論證和產(chǎn)品設(shè)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(shè)計院在總線產(chǎn)品方面應(yīng)有更多的自主權(quán)。因為總線產(chǎn)品的選型需要供應(yīng)商更為詳細的設(shè)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(shè)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(yīng)商的做法。建設(shè)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(shè)備的總線標準統(tǒng)一。
（４）由于現(xiàn)場總線不同于常規(guī)設(shè)計，設(shè)計院自動化專業(yè)的深度和難度均有所提高，因而相應(yīng)的設(shè)計費用和設(shè)計定額也要作出合理的調(diào)整。
（５）自動化設(shè)計人員要努力提高自己的業(yè)務(wù)水平，要改變目前在常規(guī)DCS和PLC系統(tǒng)設(shè)計方面的習(xí)慣做法，熟練掌握和應(yīng)用現(xiàn)場總線技術(shù)和產(chǎn)品，這需要設(shè)計院各級領(lǐng)導(dǎo)尤其是部門領(lǐng)導(dǎo)重視和加強對設(shè)計人員的技術(shù)培訓(xùn)。設(shè)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(luò)構(gòu)建與配置工作，只負責(zé)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(shè)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(shè)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(shè)計院對于系統(tǒng)優(yōu)化、網(wǎng)絡(luò)配置、功能分配的發(fā)言權(quán)越來越弱。筆者以為，要扭轉(zhuǎn)這種局面，設(shè)計院應(yīng)抓住應(yīng)用現(xiàn)場總線技術(shù)的機遇，加深設(shè)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(shè)備規(guī)范和數(shù)據(jù)表、接線圖、電源配置圖等。
當(dāng)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(shè)備的控制策略。在PID圖的設(shè)計中，需引入?yún)^(qū)域設(shè)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(yīng)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(yīng)確保所有與區(qū)域回路有關(guān)的點都在那個區(qū)域內(nèi)。不僅如此，還要學(xué)習(xí)和掌握現(xiàn)場總線的接線、布線技術(shù)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。現(xiàn)場總線區(qū)域設(shè)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(luò)電纜的長度、規(guī)劃合理的網(wǎng)絡(luò)連接方式，避免現(xiàn)場信號的往返，影響系統(tǒng)響應(yīng)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(luò)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(luò)存在三種拓樸結(jié)構(gòu)：總線帶分支結(jié)構(gòu)、樹型或分支或雞爪型結(jié)構(gòu)、雛菊鏈拓樸結(jié)構(gòu)。不同結(jié)構(gòu)適用的場合不同，要避免使用雛菊鏈拓樸結(jié)構(gòu)，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(shè)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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