對分散控制系統遠程I／0應用的再認識

發布：2018-12-18 | 點擊：人次

摘要：對分散控制系統遠程I／0應用的再認識資訊由優秀的流量計、流量儀生產報價廠家為您提供。摘要：本文分析了DCS遠程I／0在電廠的應用現狀，闡述了在電廠推廣使用遠程I／0的優勢并提出了遠程I／0的應用范圍。對現插總線技術的發展、優點及存在日題進行了分析，展望了現。更多的流量計廠家選型號價格報價歡迎您來電咨詢，下面是對分散控制系統遠程I／0應用的再認識文章詳情。

本文分析了DCS遠程I／0在電廠的應用現狀，闡述了在電廠推廣使用遠程I／0的優勢并提出了遠程I／0的應用范圍。對現插總線技術的發展、優點及存在日題進行了分析，展望了現場總線控制系統在電廠的應用前景。

分散控制系統zui顯著的特點是可以實現控制功能分散，物理位置分散，進行集中監控。然而，自80年代中期DCS在我國300MW以上機組推廣應用以來，人們往往只重視利用DCS控制功能分散這一特性，而對物理分散這一明顯可節省投資和縮短建設周期特點的實際應用卻存在種種顧慮，因而未能充分發揮DCS所應產生的巨大經濟效益。

1DCS布置狀況及遠程I／O應用現狀

從目前我國國內已投運的300MW以上機組DCS布置情況來看，絕大部分電廠均把控制器處理單元和I／0機柜集中布置在控制樓的電子室內，將操作員站布置在單元控制室內，數據通訊高速公路把控制器處理單）c和操作員站連接起來，數據通訊電纜不出控制樓，所有I／0的現場電纜全部拉到位于電子室內的集中I／0機柜。這樣做的好處是對DCS機柜防護等級要求相對較低，運行、維護條件好，但控制樓面積大，電纜投資大。把控制器處理單元柜分散放到現場、用通訊電纜在全廠范圍內連接各控制器處理單元機柜的做法，可節省大量電纜，但從機組安全性角度出發，人們認為風險太大而不予考慮。因而將控制器處理單元機柜相對集中布置，采用遠程I／O分散布置的方案則成為zui佳選擇。

應用遠程I／O進行全廠監控且具有實際運行業績的電廠是浙江北侖電廠一期工程2X600MW機組。該廠在DAS、SCS、BMS中廣泛采用了遠程I／O。近十年的使用經驗表明，遠程的應用是成功的，在節省電纜投資方面的效果也是顯著的。然而在隨后的二期工程中，分散控制系統只保留了循環水泵房的遠程I／O，其余的主廠房內的遠程I／O均取消了。其主要原因是，在一期工程建設過程中，因施工管理不當，造成放在現場的遠程I／O機柜進水，損壞了一部分卡件，因此在確定二期工程設計原則時為避免類似事故的發生取消了分散布置在主廠房內的遠程I／O。

另外，從現階段國內設計投產的其它機組情況看，除在DAS部分采用國產數采智能前端裝置如“893一網絡”遠程智能I／O產品之外，尚沒有用遠程I／O進行全廠控制和監視的應用實例，其原因也大都是對遠程I／O的安全性和可靠性存在顧慮。

在設計單位強調控制工程造價，優化設計的形勢下，在電力建設單位加強文明施工和管理的今天，我們有必要重新認識DCS物理分散及應用遠程I／O的優勢。

2采用遠程I／O實現物理分散的方案

2．1遠程I／O應用范圍

根據遠程I／O的應用范圍可以有以下幾種方案供選擇：

方案一、在DAS、SCS、BMS、MCS四個系統中應用遠程I／O，

雖然MCS系統目前國內尚無采用遠程I/O的實例，但從遠程I/O的安全性和可靠性來講應完全適用于MCS，因此筆者認為可以在工程中進行試點。

當設備和系統保護也采用DCS來實現時，考慮到設備和系統的安全性，涉及鍋爐、汽機設備保護的信號應直接引入DCSI／O機柜（集中布置在電子室的I／O機柜）。

為減少備品備件品種數量、保持產品的一致性，此方案建議遠程I／O盡可能采用同一DCS制造廠的產品。

方案二、僅在DAS、SCS、BMS三個系統中應用遠程I／O。

此方案已有成熟使用業績，如北侖電廠一期工程。設備和系統保護原則同方案一。

方案三、在DAS、SCS、BMS三個系統中應用遠程I／O，但DAS系統采用部分國產數采智能前端裝置。

為控制造價、節省設備投資并獲得zui佳性能價格比，根據電力規劃院1996年11月29日電規發（1996）214號文關于《單元機組分散控制系統設計若干技術問題規定》中的要求，“鍋爐和汽機的金屬溫度；發電機的線圈、鐵芯、氫氣和冷卻水溫度；輔機軸承溫度等宜采用國內有成功應用經驗的遠程I／O通道”，因此考慮在DAS系統部分采用國產數采智能前端裝置。

設備和系統保護原則同方案一。

方案四、僅在DAS中采用國產數采智能前端裝置，應用范圍同方案三。其它系統仍采用集中式I／O。

比較上述四種方案，我們建議采用方案一或方案三、或這二者的組合。

在DCS選型時應盡可能選用支持現場智能儀表的產品，以便DCS能利用現場設備管理軟件對現場智能儀表進行管理，如在線進行參數整定、獲取在線設備的運行狀態和診斷信息等，提高設備的可用性和可維護性。

MCS、SCS、BMS、DAS等系統的劃分不利于充分應用遠程I／O的資源。筆者認為在充分考慮測點及設備冗余度的情況下，應實現DCS資源共享，不必人為劃分系統，因此遠程I／O也不需按系統設置。

2．2遠程I／O物理分散布置方案

為了zui大限度地利用遠程I／O物理分散的優勢，同時考慮運行和維護的環境條件，對汽機房和鍋爐房的遠程I／O可采取不同的布置方式。汽機房由于條件較好，遠程I／O可以根據機務設備的布置按區域相對集中的原則盡可能靠近測點布置。0米層、6米層、運轉層均可布置，不需另設隔離間。鍋爐房因環境惡劣，應盡可能利用分散的電氣設備間如MCC間來布置遠程I／O機柜，不具備此條件的場合如露天條件下可設置一些小室以方便檢修等，但無需配置空調設備。

3采用遠程I／O的優點及經濟分析

3．1遠程I／O的設計特點近幾年大多數DCS制造廠開發的遠程I／O均著力于提高其智能化，以及適應環境的能力。為了適應現場工業環境，如：熱量、溫度、沖擊、振動、射頻干擾、電磁干擾、水、灰塵、有害物質等，DCS制造廠在遠程I／O模件和機柜結構上采用了特殊設計來防止或降低這些因素的影響。以下是一些遠程I／O的主要設計特點：

1）機柜結構采用全密封設計，機柜表面進行防腐處理。

2）電子模件部分與接線單元分開、隔離。有些制造廠如FOXBORO甚至還將每塊模件進行單獨封裝，不暴露電子線路。

3）I／O模件采用低功耗元件，獨特的散熱設計使得I／O機柜不需要放置在空調環境中。有些廠家的I／O機柜自帶空調裝置。

4）遠程IlO采用串行通訊方式與控制器處理單元進行數據交換。串行總線的zui大特點是便于隔離，電氣上一般采用光電隔離或變壓器隔離技術。通訊標準采用RS--485或類似的串行總線。通訊介質為屏蔽雙絞線、同軸電纜或光纜。根據需要，通訊電纜可冗余配置。通訊速率大于100Kbps，通訊距離超過1200M。

5）遠程I／O產品智能化，可以實現A／D轉換、冷端溫度字》償、工程單位變換、量程自動轉換、非線性補償、上下限報警、自檢、自校正、自診斷等功能，盡可能減輕控制器處理單元的負擔。

上述設計特點并不代表所有DCS廠家遠程I／O產品所具有結構特點，但卻是一些基本的設計思路。

國產數采智能前端裝置由三部分組成：數采前端、網絡通訊總線和通訊適配器。

數采前端是完成現場信號轉換和處理的裝置，一般具有凹個左右的通道。具有獨立的電源回路，能獨立工作。可以實現工程單位變換、越限報警、數據存儲、事件順序記錄、量程自動轉換、非線性補償、熱電偶冷端溫度補償等功能。采用低功耗芯片，散熱量低，采用金屬外殼密封，具有耐高溫、防水、防塵和抗干擾等特性，可靠近現場測控點安裝。

網絡通訊總線將各數采前端并聯掛接在串行網絡總線上以數字方式與主機（PC機或工作站）進行通訊。通常采用RS--485或類似的差分異步串行半gg-r_通訊總線作為網絡通訊總線。網絡通訊總線尚無冗余配置方式。與網絡相連的設備均進行了嚴格的電氣隔離，使網絡處于電氣“浮空”狀態。

通訊適配器是實現PC機或工作站（或DCS的DPU）與網絡通訊總線相互耦合并完成整個網絡系統統一協調管理的接口裝置。

3．2采用遠程I／O的優點

遠程I／O包括國產數采智能前端裝置與機柜式集中I／O相比具有許多優點，主要體現在以下幾方面：

1．節省電纜投資

遠程I／O機柜可安裝于工業現場信號測點附近，因而某一區域內幾十點、數百點信號只通過一對或數對屏蔽雙絞線電纜、同軸電纜或光纜與分散控制處理單元或PC機通訊。這就意味著從現場測控點至遠程I／0的電纜距離比至集中I／O機柜將大大減少。一臺300MW機組4500點（包括電氣量），如其中I／3采用遠程I／O，按平均每點電纜節省80—100米估算（原電纜長度按每點平均120米計算）將節省120-150公里電纜，約節省電纜X-27％。

2．節省電纜安裝費用

采用集中I／O必須在現場和電子設備間敷設大量電纜才能把信號從現場引入到DCS。電纜敷設必須使用電纜橋架或電纜溝道。為減少干擾電纜橋架要分層設置，并接地或屏蔽?；ㄍ顿Y和安裝工程量都相當大。300MW機組電纜橋架使用量達700噸，安裝工作量達4550工時。采用遠程I／O之后，進入控制樓的數百根信號電纜被幾根通訊電纜所取代，這樣，大量的電纜橋架即可被數根電纜導管所替代。初步估算，電纜橋架可省節20—25％。

3．節省控制樓電子室面積投資

由于控制樓電子室將主要放置控制器處理單元和部分集中式IlO機柜及汽機、鍋爐部分的成套控制裝置，電子室面積可大大減小。若將60％的IlO機柜放置到現場（遠程I／O的使用范圍前面已有詳細討論），電子室面積將減少30-40％。電子室面積縮小后空調投資也會相應下降。

4．系統可靠性提高

集中布置I／O機柜，由于必須經較長的電纜將信號引入DCS系統，因而也引進了較大的干擾。如I／O模件為共地系統，則相互串擾的概率將成指數增加。采用遠程I／O后實現信號就近處理，因信號引入電纜縮短，引人的干擾就小，因此與集中式布置相比，提高了DCS的穩定性和測量精度，減少了模件的損壞率。

遠程I／O通訊網絡采用串行總線，網絡總線與設備之間均有嚴格的電氣隔離措施，因此即使某一設備因串人高壓而損壞，也不致影響網絡及其他設備的正常工作。而集中式I／0系統中，由于采用并行共地結構，模件之間存在著電氣，一旦某個模件串人高壓或強干擾則會影響整個系統的運行。

另外，遠程I／O通訊總線采用電氣“浮空”方式工作，隔離程度高，通常不需要采用專門的接地。

4遠程I／O的技術規范要求

4．1機柜防護等級

在封閉的汽機房和鍋爐房，遠程I／O機柜的防護等級應達到IP54；露天放置的遠程I／O機柜密封等級應達到IP66，表面采用防腐涂層處理。

4．2I／O模件環境和性能要求

1）環境條件

工作溫度：0—60℃、

存放溫度：—40-+70℃

相對濕度：5—95％（無凝結）

2）性能要求

I／0通道隔離電壓：通道與地、通道與通道之間大于500VAC

共模抑制比：大于120db

串模抑制比：大于60db

5現場總線在電廠的應用前景

5．1現場總線的提出

分散控制系統在工業過程控制中近凹年的實際應用，其數字化控制的特點和優越性越來越深刻地被人們所認識，諸如測量和控制精度高、易于組態、抗干擾能力強、維護方便等，但是現在的分散控制系統仍未構成真正的全數字化控制系統。DCS的連續控制功能與現場儀表和控制裝置之間的信號傳輸仍以模擬信號為主，即使目前的遠程I／O分布式局域網與控制處理器單元之間采用了數字通訊，遠程I／O與現場儀表仍保留模擬信號傳輸方式。HART協議是在模擬信號上疊加數字信息，也未脫離模擬信號。另外，目前的控制設備互換性、互操作性差；控制系統對現場儀表和控制裝置的管理水平低；控制規模越大、控制信號電纜用量越大、安裝維護費用也越高，等等。

計算機技術和網絡技術的迅速發展推動了工業控制系統的結構性革命，計算機控制系統的控制功能向生產過程的低層次滲透，于是出現了智能儀表和控制裝置，現場總線是控制系統中zui底層的通訊網絡，是直接與生產過程發生關系的局域網絡，它連接設置在工業現場的智能儀表及控制設備與設置在控制室內控制設備，是全數字化、串行、雙向、多變量、多節點的通訊網絡?，F場總線控制系統（FCS）是由諸多現場智能設備通過互聯并與控制室內主控系統和人機界面所組成的系統，這是一個真正的全分散、全數字化、全開放和可互換及互操作的新型生產過程控制系統。

5．2現場總線控制系統的特點

現場總線控制系統是基于現場總線產品的控制系統，由現場總線網絡和現場智能設備等組成。

由于目前現場總線產品品種繁多且都未真正形成規模生產。因此我們在此尚無必要來討論哪種現場總線更優越、更具發展前途。我們想從現場總線控制系統的設計思路來探討其在電廠應用的可能性和現實性。同時由于基金會現場總線（DV）產品在過程控制領域占主導地位，因此我們就以FF作為討論的基礎。

FF現場總線是一種實用技術，是一種用于智能化現場設備和自動化系統的開放式、數字化、多節點的通信技術。它使數字信號取代4-20mA成為可能；使現場的管理與控制的統一成為可能；使一些基本控制過程在現場完成成為可能；使設備增加非控制信息成為可能。

現場智能設備主要包括傳感器、變送器、執行器以及其他現場測控單元等的智能化，能夠對工藝設備信號進行智能處理，包括A／D轉換、數字濾波、溫度自動補償、線性或非線性變換、還具有PID調節、閥位補償等功能，并具有符合FF標準的通信接口能實現現場智能設備之間以及與現場主控系統之間的信息交換，使對現場設備進行管理成為可能。

FF現場總線分為H1低速總線和H2高速總線。PF現場總線通信介質采用屏蔽雙絞線、非雙絞多芯電纜或光纜。

H1低速總線網絡適用于儀表和執行器間的通信，每段連接32個設備（使用中繼器可達240個），傳輸速率為31．25Kbps，通訊距離為1900米，拓撲結構可以是總線型或樹型。H1低速總線標準已通過審查。H1的優點是可以通過一對雙絞線實現信號傳輸和供電，且具有本安特性。H2高速總線網絡適用于多個儀表、執行器信息集中后與上位計算機通信，接受主控系統的統一管理。H2總線可集成多達32條H1現場總線，H2傳輸速率zui大為1-2．5Mbp，通訊距離為500-750米，拓撲結構為總線型，可冗余配置。

H2總線標準到目前為止還未統一。

5．3現場總線控制系統的優越性

1）真正的分散控制、集中管理

DCS從功能和結構上看都不是真正的分散控制。從功能上講，它把控制功能分散到控制器處理單元中的控制卡件上，每個控制卡上又可控制多個回路。從物理位置上講，控制器處理單元一般都集中安裝在電子室內，即使使用了遠程智能I／O把采集信號的地點靠近了現場信號，但I／O還是相對集中的。FCS與此不同，它采用的是一個完全分散的控制方式，它把控制部分全部分散到現場，每個控制回路完全由分散安裝的現場儀表來實現。當然，復雜控制策略還需要上一級的控制器來完成。同時，由于現場儀表和設備的智能化，FCS允許在控制室通過人機界面對現場儀表和設備進行操作、調整和診斷以及對信息進行集中管理。設備管理軟件能提供故障信息外，還能給出預防性維護所需要的信息并可以幫助用戶進行分析，在事故發生之前及時確定潛在的事故地點，而無需操作人員親臨現場檢查故障，提高了系統的可控性和維護性。

2全數字化通信，系統可靠、精度高

在觀場總線控制系統中，從變送器的傳感器到調節閥等，信號一直保持數字特性，因而FCS是一個純數字系統。用數字信號取代模擬信號，因數字信號電平較高，一般的噪聲干擾難以扭曲FCS系統內的數字信號。同時數字通信的檢錯功能可以檢測出數字信粵在傳輸中出現的誤碼。所以，全數字化通信精度高、抗干擾能力強，使過程控制的準確性和可靠性大大提高。

3投資省、建設周期短

在現場總線的一根雙絞線上，可以連接許多儀表和設備，與DCS相比，節省了大量I／O、電纜和橋架。同時由于控制功能分散到了現場儀表，所以控制樓電子設備間的控制設備將大大減少，控制樓面積也大大減少。安裝工作量小了，建設周期將大大縮短。

4系統開放、可互操作

不同廠家的產品實現互聯、可互換、可互操作將大量減少備品備件?？苫ゲ僮餍砸馕吨梢杂貌煌瑥S家的現場儀表去替換出現故障的另一廠家的現場儀表，更換后通訊及功能能恢復正?！，F場儀表的可互操作性主要是通過對功能模塊及其參數的標準化來實現的。這就要求不同廠家對功能模塊的描述、參數設定及互聯方式必須是公開統一的，這也正是現場總線基金會1V致力于制定國際標準的意義所在。

5系統易于組態、易于擴展

由于現場總線規定了標準的功能模塊，不同廠家的設備均采用相同或相近的組態方法，因此不需要因為現場儀表種類或廠家不同而重新學習和培訓組態方法和編程語言。

系統需要擴展時，可將新儀表連接在現有的現場總線上，不用增加任何組件，只需要通過現場總線對功能模塊和參數進行設定。

6將導致熱控專業設計的一場革命

現場總線技術將大大減輕圖紙設計工作量，轉向無圖紙化設計。系統硬件的組態的過程也就是現場總線設備的物理連接過程，大量耗時的控制接線圖設計將不復存在。因此，設計院熱控專業設計方向必須作根本性調整，必須轉向應用軟件的設計與開發，這是設計院熱控專業生存發展的*出路。熱控專業的人員和知識結構必須也適應自動控制技術的發展要求作出根本性調整。

5．4現場總線在電廠應用展望

1）現場總線技術目前應用子電廠所面臨的問題

（1）H1現場總線技術已經完成，H2現場總線標準正在開發中。從前面的討論我們知道，H1現場總線標準目前沒有冗余配置，而每段H1總線上可連接32個現場儀表，因此一旦H1總線發生故障其影響面是較大的。如果只連接少量的現場儀表則又喪失了現場總線的優勢。

（2）電廠的過程控制是多變量的對象控制，因此如何使用Hl現場總線并實現現場信號測的冗余度要求及復雜的控制策略還需要進一步研究。

（3）現場總線產品系列尚不完整，而沒有完整的產品系列的現場總線產品是沒有意義的。電廠有大量的開關量控制，但到目前為止尚未有開關量設備的標準；且大量的邏輯運算不是單個現場儀表所能承擔的。

（4）現場總線控制系統缺乏成熟的工程使用經驗，根據基金會現場總線1997年制訂的市場目標，1997年由多個供應商提供基于U1標準的小的試驗系統用于培訓和技術確認；1998年開始用于小型改造工程；1999年開始應用于中到大型工程設計，將有更多的現場設備和軟件可供選用，It2標準發布。

2）試點設想

電廠是涉及國計民生的重要生產部門，電廠的設計原則是成熟、安全、可靠、經濟。從現場總線的結構來看，它并非針對電廠的應用場合來開發的，因此，在電廠應用現場總線控制系統技術上尚不成熟，需要逐步試點。

要想在電廠發揮現場總線技術的優勢，必須解決上面提到的一些問題。我們相信只有積極應用現場總線技術才能有效推動這些問題的解決。

方案一、與DCS集合使用，在DAS部分采用H1現場總線連接智能變送器等進行數據采集；在MCS部分利用H1現場總線連接現場智能控制器、執行器取代部分單回路控制系統。

方案二、與PLC集合使用，利用H1現場總線連接現場智能變送器、分析儀表、執行器等實現對輔助系統如水處理系統的數據采集和控制。

6結束語