火電廠現(xiàn)場總線系統(tǒng)的設計優(yōu)點
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現(xiàn)場總線技術是最近一段時間大家討論比較多的一項新技術，其實這項技術已經出現(xiàn)十幾年了，只不過真正大規(guī)模應用到工業(yè)生產中還是最近幾年的事情?，F(xiàn)場總線技術和目前電廠大規(guī)模使用的DCS和PLC控制系統(tǒng)相比有許多的優(yōu)點，可以節(jié)省大量的設備開銷和維護費用等。雖然現(xiàn)場總線技術目前在電廠應用的還不廣泛，但很多人都認為以現(xiàn)場總線為基礎的FCS(FIELDBUS CONTROL SYSTEM)將會是下一代控制系統(tǒng)。
一、現(xiàn)場總線的優(yōu)勢
使用現(xiàn)場總線技術可以用一根電纜將多個設備連接起來，同時現(xiàn)場總線所使用的設備都是智能設備，因此現(xiàn)場總線和目前使用的DCS和PLC控制系統(tǒng)相比就具有了許多優(yōu)點，具體優(yōu)點歸納如下：
(1)使用現(xiàn)場總線技術可以在大大節(jié)省設備投資。目前電廠大量使用的仍然是以DCS和PLC為核心的控制技術。這種技術需要將每個信號用一根電纜拉到控制柜的I/O板卡中，通常一個電廠的信號都達到了上萬點，這樣就需要大量的電纜和電纜橋架來連接現(xiàn)場的設備和控制器。目前國內兩臺600MW超臨界機組的控制電纜長度大約400公里，計算機專用電纜大約800公里，補償導線大約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)場總線技術則可以大大減少這方面的開支，現(xiàn)場總線可以將多個現(xiàn)場設備連接到一根通訊電纜上，而不是目前將每個設備用一根電纜連接到控制器上。據(jù)有關機械統(tǒng)計，使用現(xiàn)場總線可以比常規(guī)控制系統(tǒng)的電纜用量節(jié)約40%左右。
(2)使用現(xiàn)場總線技術可以降低設備維護費用，提高設備的效率。在電廠中有著數(shù)目眾多的儀表和閥門，維護這些設備的工作量非常 大，需要投入大量的人力和物力?，F(xiàn)場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算機(單片機)為主體，將計算機技術和檢測技術有機結合組成的儀表。智能儀表不僅擁有常規(guī)儀表智傳送測量值的功能。還可以向控制系統(tǒng)傳送儀表狀態(tài)的有關信息，這樣運行人員就可以在控制室監(jiān)視現(xiàn)場儀表的狀態(tài)；
智能儀表還可以實現(xiàn)遠程調試，現(xiàn)場將儀表安裝好以后通常需要對儀表進行調試，我們現(xiàn)在通常的做法是利用一些調試工具如手操器等在現(xiàn)場對儀表進行調試，在使用了現(xiàn)場總線后，可以通過現(xiàn)場總線在遠程對現(xiàn)場儀表進行調試；使用現(xiàn)場總線技術可以預測現(xiàn)場設備發(fā)生事故的時間，這樣就可以提高對該設備采取措施，避免產生比較嚴重的后果。目前我們經常會出現(xiàn)忽視維護費用而只重視基建費用的情況，其實維護費用在整個電廠的生命周期開銷中占有一個很大的比重，如果能減少這部分的費用，對提高整個電廠的經濟效益將會有很明顯的幫助。根據(jù)美國最主要的制造業(yè)咨詢公司ARC在2004年5月發(fā)布的一項研究報告指出，現(xiàn)現(xiàn)場總線最大的優(yōu)勢就是可以大大減少對現(xiàn)場設備的維護費用。
(3)使用現(xiàn)場總線可以將現(xiàn)有的HART儀表直接連接到現(xiàn)場總線系統(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)場部線技術可以直接將HART協(xié)議轉化為現(xiàn)場總線的通訊協(xié)議，這樣智能儀表在現(xiàn)場總線中就可以正常使用了。這對一些改造項目節(jié)省經費是非常有益的，因為如果在改造過程中使用現(xiàn)場總線，則不需要更換這部分的變送器，相應的就可以節(jié)省這部分的開支。
(4)使用現(xiàn)場總線可以減少接線的工作量。使用DCS時接線是一項非常繁重的工作，因為每個現(xiàn)場的信號都要通過一根電纜接到控制室的機柜中，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)接錯線、漏接線的情況，檢查起來更是復雜。使用現(xiàn)場總線后大量的接線工作轉移到現(xiàn)場進行，而且現(xiàn)場的接線也非常簡單，因為通常都是使用一根電纜就將多個現(xiàn)場設備連接起來。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)場總線的設計
現(xiàn)場總線的出現(xiàn)對于我們設計院的工作來說面臨著許多改變。目前設計院一項重要的工作就是繪制接線圖。在使用現(xiàn)場總線后接線圖的數(shù)量將會大幅度減少，因為現(xiàn)場總線是用一根電纜將多個設備連接起來，然后再接到上層網絡，而省去了很多的接線盒等設備。這樣設計院就需要其他的工作來代替以往的接線工作。從現(xiàn)場總線的結構來看，網段的設計對整個現(xiàn)場總線系統(tǒng)正常運行將起著非常重要的作用，因此設計院的接線工作將會轉移到現(xiàn)場總線的網段設計以及布線的工作中去，這是現(xiàn)場總線系統(tǒng)設計的核心技術，而且這部分的工作也只能由設計院來完成。
2.1 現(xiàn)場總線的拓撲結構
設計一個現(xiàn)場總線系統(tǒng)首先需要確定其網絡拓撲結構?，F(xiàn)場總線的拓撲結構共有4種：總線型、樹型、菊花鏈型和點到點型：
(1)總線型的拓撲結構是由一條干線和連接在干線上不同點的若干支線所組成的。干線的兩端設有終端器，支線的長度可以根據(jù)需要從1米到120米不等，在下面的篇幅中將會對支線長度做一些說明。
(2)樹型的拓撲結構是由一條干線和連接在干線端點上的若干支線組成的。與總線型拓撲結構相同，在干線的兩端需要設終端器。
(3)菊花鏈型拓撲結構是用電纜把一臺設備依次連接到下一臺設備上，一直到最后一臺設備和終端器上。這種拓撲結構也可以認為是支線長度為零的總線型拓撲結構。采用這種拓撲結構應注意；每臺設備上的進線和出線應連接在一起，以免脫落時造成鏈的終端故障?？梢钥闯?，菊花鏈中如果有一臺設備出現(xiàn)故障，那么連接到這臺設備上的下面的所有設備將和總線斷開，所以這種拓撲結構并不推薦使用。
(4)當一條總線上只連接兩個設備時就形成了點到點型的拓撲結構。例如一臺變送器和一臺執(zhí)行機構組成的就地控制系統(tǒng)，如果不連接其他設備時，就是點到點型拓撲結構。由于這種結構沒有發(fā)揮出現(xiàn)場總線的優(yōu)點，因此在設計過程中應盡量少采用這種結構。
綜上所述，在設計網絡結構的時候應盡量采用總線型和樹型的拓撲結構，而應少采用菊花鏈和點對點的拓撲結構。同時也可以考慮將總線型和樹型的拓撲結構混合起來使用。
2.2 網段設計
確定現(xiàn)場總線的拓撲結構后就可以設計具體的網段了?，F(xiàn)場總線對每個網絡的電纜長度都有具體的規(guī)定，這就要求我們設計人員精確的知道每段電纜的長度，而按照目前的作圖深度來說想要做到這一點是非常困難的。因為目前儀控專業(yè)的設計人員在布置儀表時只是在機務專業(yè)的系統(tǒng)圖中標注出儀表的安裝位置，首先機務專業(yè)的系統(tǒng)圖只是一個示意圖，并沒有精確地表示出管道的長度和走向等信息，其次儀控專業(yè)在設計儀表的時候考慮的是安裝什么表、裝幾只以及測量量在控制系統(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)場的情況選擇安裝位置，這樣的設計深度對于現(xiàn)場總線系統(tǒng)來說顯然是不夠的。
目前很多電力設計院已經在使用三維設計軟件來進行機務管道的設計，我認為儀控專業(yè)也可以使用三維設計軟件來確定儀表安裝的位置。因為大多數(shù)的熱控儀表都是布置在機務管道上，這樣當機務專業(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，同時可以表示出電纜橋架的布置，這樣就能夠比較精確的計算電纜長度。
一般來說對于總線供電的儀表每個網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)量超過限制則網段末端的儀表可能會出現(xiàn)供電電壓不足的情況，因此在進行網段設計時需要確定每臺儀表的供電電壓是否能夠滿足儀表的要求。要準確地計算每一臺現(xiàn)場總線設備的供電電壓是否滿足要求，需要知道每臺設備的耗電量，每段電纜的電阻和電源電壓。按照直流電路的計算方法計算出每一臺裝置的電壓，當網絡結構非常復雜，節(jié)點很多時，這種計算是非常繁瑣的。為此，有些現(xiàn)場總線設備制造商提供了一種軟件，在該軟件中存儲每種現(xiàn)場總線設備的屬性，包括電阻和所需電壓等，設計人員只要輸入網絡結構以及確定每段電纜的長度，該軟件就會自動計算出每臺現(xiàn)場總線設備的電壓，檢查該電壓值是否滿足該設備所要求的工作電壓同時會給出一份設計報告，其中列出了該網段的詳細信息，這份報告可以作為該網段的設計報告。PROFIBUS和FF總線都自己的網段設計軟件，該軟件的作用就是可以知道我們設計的現(xiàn)場總線網段是否符合現(xiàn)場總線協(xié)議的規(guī)定。使用該軟件的時候我們需要將網段中儀表的連接方式以及儀表的型號輸入該軟件，該軟件可以計算出每個儀表上的供電電壓，電纜中的電流等，從而判斷出該網段設計是否能夠滿足有關協(xié)議的要求。通常該軟件是由廠家免費提供的。
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