对分散控制系统远程I／0应用的再认识

发布：2018-12-18 | 点击：人次

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本文分析了DCS远程I／0在电厂的应用现状，阐述了在电厂推广使用远程I／0的优势并提出了远程I／0的应用范围。对现插总线技术的发展、优点及存在日题进行了分析，展望了现场总线控制系统在电厂的应用前景。

分散控制系统zui显著的特点是可以实现控制功能分散，物理位置分散，进行集中监控。然而，自80年代中期DCS在我国300MW以上机组推广应用以来，人们往往只重视利用DCS控制功能分散这一特性，而对物理分散这一明显可节省投资和缩短建设周期特点的实际应用却存在种种顾虑，因而未能充分发挥DCS所应产生的巨大经济效益。

1DCS布置状况及远程I／O应用现状

从目前我国国内已投运的300MW以上机组DCS布置情况来看，绝大部分电厂均把控制器处理单元和I／0机柜集中布置在控制楼的电子室内，将操作员站布置在单元控制室内，数据通讯高速公路把控制器处理单）c和操作员站连接起来，数据通讯电缆不出控制楼，所有I／0的现场电缆全部拉到位于电子室内的集中I／0机柜。这样做的好处是对DCS机柜防护等级要求相对较低，运行、维护条件好，但控制楼面积大，电缆投资大。把控制器处理单元柜分散放到现场、用通讯电缆在全厂范围内连接各控制器处理单元机柜的做法，可节省大量电缆，但从机组安全性角度出发，人们认为风险太大而不予考虑。因而将控制器处理单元机柜相对集中布置，采用远程I／O分散布置的方案则成为zui佳选择。

应用远程I／O进行全厂监控且具有实际运行业绩的电厂是浙江北仑电厂一期工程2X600MW机组。该厂在DAS、SCS、BMS中广泛采用了远程I／O。近十年的使用经验表明，远程的应用是成功的，在节省电缆投资方面的效果也是显著的。然而在随后的二期工程中，分散控制系统只保留了循环水泵房的远程I／O，其余的主厂房内的远程I／O均取消了。其主要原因是，在一期工程建设过程中，因施工管理不当，造成放在现场的远程I／O机柜进水，损坏了一部分卡件，因此在确定二期工程设计原则时为避免类似事故的发生取消了分散布置在主厂房内的远程I／O。

另外，从现阶段国内设计投产的其它机组情况看，除在DAS部分采用国产数采智能前端装置如“893一网络”远程智能I／O产品之外，尚没有用远程I／O进行全厂控制和监视的应用实例，其原因也大都是对远程I／O的安全性和可靠性存在顾虑。

在设计单位强调控制工程造价，优化设计的形势下，在电力建设单位加强文明施工和管理的今天，我们有必要重新认识DCS物理分散及应用远程I／O的优势。

2采用远程I／O实现物理分散的方案

2．1远程I／O应用范围

根据远程I／O的应用范围可以有以下几种方案供选择：

方案一、在DAS、SCS、BMS、MCS四个系统中应用远程I／O，

虽然MCS系统目前国内尚无采用远程I/O的实例，但从远程I/O的安全性和可靠性来讲应完全适用于MCS，因此笔者认为可以在工程中进行试点。

当设备和系统保护也采用DCS来实现时，考虑到设备和系统的安全性，涉及锅炉、汽机设备保护的信号应直接引入DCSI／O机柜（集中布置在电子室的I／O机柜）。

为减少备品备件品种数量、保持产品的一致性，此方案建议远程I／O尽可能采用同一DCS制造厂的产品。

方案二、仅在DAS、SCS、BMS三个系统中应用远程I／O。

此方案已有成熟使用业绩，如北仑电厂一期工程。设备和系统保护原则同方案一。

方案三、在DAS、SCS、BMS三个系统中应用远程I／O，但DAS系统采用部分国产数采智能前端装置。

为控制造价、节省设备投资并获得zui佳性能价格比，根据电力规划院1996年11月29日电规发（1996）214号文关于《单元机组分散控制系统设计若干技术问题规定》中的要求，“锅炉和汽机的金属温度；发电机的线圈、铁芯、氢气和冷却水温度；辅机轴承温度等宜采用国内有成功应用经验的远程I／O通道”，因此考虑在DAS系统部分采用国产数采智能前端装置。

设备和系统保护原则同方案一。

方案四、仅在DAS中采用国产数采智能前端装置，应用范围同方案三。其它系统仍采用集中式I／O。

比较上述四种方案，我们建议采用方案一或方案三、或这二者的组合。

在DCS选型时应尽可能选用支持现场智能仪表的产品，以便DCS能利用现场设备管理软件对现场智能仪表进行管理，如在线进行参数整定、获取在线设备的运行状态和诊断信息等，提高设备的可用性和可维护性。

MCS、SCS、BMS、DAS等系统的划分不利于充分应用远程I／O的资源。笔者认为在充分考虑测点及设备冗余度的情况下，应实现DCS资源共享，不必人为划分系统，因此远程I／O也不需按系统设置。

2．2远程I／O物理分散布置方案

为了zui大限度地利用远程I／O物理分散的优势，同时考虑运行和维护的环境条件，对汽机房和锅炉房的远程I／O可采取不同的布置方式。汽机房由于条件较好，远程I／O可以根据机务设备的布置按区域相对集中的原则尽可能靠近测点布置。0米层、6米层、运转层均可布置，不需另设隔离间。锅炉房因环境恶劣，应尽可能利用分散的电气设备间如MCC间来布置远程I／O机柜，不具备此条件的场合如露天条件下可设置一些小室以方便检修等，但无需配置空调设备。

3采用远程I／O的优点及经济分析

3．1远程I／O的设计特点近几年大多数DCS制造厂开发的远程I／O均着力于提高其智能化，以及适应环境的能力。为了适应现场工业环境，如：热量、温度、冲击、振动、射频干扰、电磁干扰、水、灰尘、有害物质等，DCS制造厂在远程I／O模件和机柜结构上采用了特殊设计来防止或降低这些因素的影响。以下是一些远程I／O的主要设计特点：

1）机柜结构采用全密封设计，机柜表面进行防腐处理。

2）电子模件部分与接线单元分开、隔离。有些制造厂如FOXBORO甚至还将每块模件进行单独封装，不暴露电子线路。

3）I／O模件采用低功耗元件，独特的散热设计使得I／O机柜不需要放置在空调环境中。有些厂家的I／O机柜自带空调装置。

4）远程IlO采用串行通讯方式与控制器处理单元进行数据交换。串行总线的zui大特点是便于隔离，电气上一般采用光电隔离或变压器隔离技术。通讯标准采用RS--485或类似的串行总线。通讯介质为屏蔽双绞线、同轴电缆或光缆。根据需要，通讯电缆可冗余配置。通讯速率大于100Kbps，通讯距离超过1200M。

5）远程I／O产品智能化，可以实现A／D转换、冷端温度字》偿、工程单位变换、量程自动转换、非线性补偿、上下限报警、自检、自校正、自诊断等功能，尽可能减轻控制器处理单元的负担。

上述设计特点并不代表所有DCS厂家远程I／O产品所具有结构特点，但却是一些基本的设计思路。

国产数采智能前端装置由三部分组成：数采前端、网络通讯总线和通讯适配器。

数采前端是完成现场信号转换和处理的装置，一般具有凹个左右的通道。具有独立的电源回路，能独立工作。可以实现工程单位变换、越限报警、数据存储、事件顺序记录、量程自动转换、非线性补偿、热电偶冷端温度补偿等功能。采用低功耗芯片，散热量低，采用金属外壳密封，具有耐高温、防水、防尘和抗干扰等特性，可靠近现场测控点安装。

网络通讯总线将各数采前端并联挂接在串行网络总线上以数字方式与主机（PC机或工作站）进行通讯。通常采用RS--485或类似的差分异步串行半gg-r_通讯总线作为网络通讯总线。网络通讯总线尚无冗余配置方式。与网络相连的设备均进行了严格的电气隔离，使网络处于电气“浮空”状态。

通讯适配器是实现PC机或工作站（或DCS的DPU）与网络通讯总线相互耦合并完成整个网络系统统一协调管理的接口装置。

3．2采用远程I／O的优点

远程I／O包括国产数采智能前端装置与机柜式集中I／O相比具有许多优点，主要体现在以下几方面：

1．节省电缆投资

远程I／O机柜可安装于工业现场信号测点附近，因而某一区域内几十点、数百点信号只通过一对或数对屏蔽双绞线电缆、同轴电缆或光缆与分散控制处理单元或PC机通讯。这就意味着从现场测控点至远程I／0的电缆距离比至集中I／O机柜将大大减少。一台300MW机组4500点（包括电气量），如其中I／3采用远程I／O，按平均每点电缆节省80—100米估算（原电缆长度按每点平均120米计算）将节省120-150公里电缆，约节省电缆X-27％。

2．节省电缆安装费用

采用集中I／O必须在现场和电子设备间敷设大量电缆才能把信号从现场引入到DCS。电缆敷设必须使用电缆桥架或电缆沟道。为减少干扰电缆桥架要分层设置，并接地或屏蔽。基建投资和安装工程量都相当大。300MW机组电缆桥架使用量达700吨，安装工作量达4550工时。采用远程I／O之后，进入控制楼的数百根信号电缆被几根通讯电缆所取代，这样，大量的电缆桥架即可被数根电缆导管所替代。初步估算，电缆桥架可省节20—25％。

3．节省控制楼电子室面积投资

由于控制楼电子室将主要放置控制器处理单元和部分集中式IlO机柜及汽机、锅炉部分的成套控制装置，电子室面积可大大减小。若将60％的IlO机柜放置到现场（远程I／O的使用范围前面已有详细讨论），电子室面积将减少30-40％。电子室面积缩小后空调投资也会相应下降。

4．系统可靠性提高

集中布置I／O机柜，由于必须经较长的电缆将信号引入DCS系统，因而也引进了较大的干扰。如I／O模件为共地系统，则相互串扰的概率将成指数增加。采用远程I／O后实现信号就近处理，因信号引入电缆缩短，引人的干扰就小，因此与集中式布置相比，提高了DCS的稳定性和测量精度，减少了模件的损坏率。

远程I／O通讯网络采用串行总线，网络总线与设备之间均有严格的电气隔离措施，因此即使某一设备因串人高压而损坏，也不致影响网络及其他设备的正常工作。而集中式I／0系统中，由于采用并行共地结构，模件之间存在着电气，一旦某个模件串人高压或强干扰则会影响整个系统的运行。

另外，远程I／O通讯总线采用电气“浮空”方式工作，隔离程度高，通常不需要采用专门的接地。

4远程I／O的技术规范要求

4．1机柜防护等级

在封闭的汽机房和锅炉房，远程I／O机柜的防护等级应达到IP54；露天放置的远程I／O机柜密封等级应达到IP66，表面采用防腐涂层处理。

4．2I／O模件环境和性能要求

1）环境条件

工作温度：0—60℃、

存放温度：—40-+70℃

相对湿度：5—95％（无凝结）

2）性能要求

I／0通道隔离电压：通道与地、通道与通道之间大于500VAC

共模抑制比：大于120db

串模抑制比：大于60db

5现场总线在电厂的应用前景

5．1现场总线的提出

分散控制系统在工业过程控制中近凹年的实际应用，其数字化控制的特点和优越性越来越深刻地被人们所认识，诸如测量和控制精度高、易于组态、抗干扰能力强、维护方便等，但是现在的分散控制系统仍未构成真正的全数字化控制系统。DCS的连续控制功能与现场仪表和控制装置之间的信号传输仍以模拟信号为主，即使目前的远程I／O分布式局域网与控制处理器单元之间采用了数字通讯，远程I／O与现场仪表仍保留模拟信号传输方式。HART协议是在模拟信号上叠加数字信息，也未脱离模拟信号。另外，目前的控制设备互换性、互操作性差；控制系统对现场仪表和控制装置的管理水平低；控制规模越大、控制信号电缆用量越大、安装维护费用也越高，等等。

计算机技术和网络技术的迅速发展推动了工业控制系统的结构性革命，计算机控制系统的控制功能向生产过程的低层次渗透，于是出现了智能仪表和控制装置，现场总线是控制系统中zui底层的通讯网络，是直接与生产过程发生关系的局域网络，它连接设置在工业现场的智能仪表及控制设备与设置在控制室内控制设备，是全数字化、串行、双向、多变量、多节点的通讯网络。现场总线控制系统（FCS）是由诸多现场智能设备通过互联并与控制室内主控系统和人机界面所组成的系统，这是一个真正的全分散、全数字化、全开放和可互换及互操作的新型生产过程控制系统。

5．2现场总线控制系统的特点

现场总线控制系统是基于现场总线产品的控制系统，由现场总线网络和现场智能设备等组成。

由于目前现场总线产品品种繁多且都未真正形成规模生产。因此我们在此尚无必要来讨论哪种现场总线更优越、更具发展前途。我们想从现场总线控制系统的设计思路来探讨其在电厂应用的可能性和现实性。同时由于基金会现场总线（DV）产品在过程控制领域占主导地位，因此我们就以FF作为讨论的基础。

FF现场总线是一种实用技术，是一种用于智能化现场设备和自动化系统的开放式、数字化、多节点的通信技术。它使数字信号取代4-20mA成为可能；使现场的管理与控制的统一成为可能；使一些基本控制过程在现场完成成为可能；使设备增加非控制信息成为可能。

现场智能设备主要包括传感器、变送器、执行器以及其他现场测控单元等的智能化，能够对工艺设备信号进行智能处理，包括A／D转换、数字滤波、温度自动补偿、线性或非线性变换、还具有PID调节、阀位补偿等功能，并具有符合FF标准的通信接口能实现现场智能设备之间以及与现场主控系统之间的信息交换，使对现场设备进行管理成为可能。

FF现场总线分为H1低速总线和H2高速总线。PF现场总线通信介质采用屏蔽双绞线、非双绞多芯电缆或光缆。

H1低速总线网络适用于仪表和执行器间的通信，每段连接32个设备（使用中继器可达240个），传输速率为31．25Kbps，通讯距离为1900米，拓扑结构可以是总线型或树型。H1低速总线标准已通过审查。H1的优点是可以通过一对双绞线实现信号传输和供电，且具有本安特性。H2高速总线网络适用于多个仪表、执行器信息集中后与上位计算机通信，接受主控系统的统一管理。H2总线可集成多达32条H1现场总线，H2传输速率zui大为1-2．5Mbp，通讯距离为500-750米，拓扑结构为总线型，可冗余配置。

H2总线标准到目前为止还未统一。

5．3现场总线控制系统的优越性

1）真正的分散控制、集中管理

DCS从功能和结构上看都不是真正的分散控制。从功能上讲，它把控制功能分散到控制器处理单元中的控制卡件上，每个控制卡上又可控制多个回路。从物理位置上讲，控制器处理单元一般都集中安装在电子室内，即使使用了远程智能I／O把采集信号的地点靠近了现场信号，但I／O还是相对集中的。FCS与此不同，它采用的是一个完全分散的控制方式，它把控制部分全部分散到现场，每个控制回路完全由分散安装的现场仪表来实现。当然，复杂控制策略还需要上一级的控制器来完成。同时，由于现场仪表和设备的智能化，FCS允许在控制室通过人机界面对现场仪表和设备进行操作、调整和诊断以及对信息进行集中管理。设备管理软件能提供故障信息外，还能给出预防性维护所需要的信息并可以帮助用户进行分析，在事故发生之前及时确定潜在的事故地点，而无需操作人员亲临现场检查故障，提高了系统的可控性和维护性。

2全数字化通信，系统可靠、精度高

在观场总线控制系统中，从变送器的传感器到调节阀等，信号一直保持数字特性，因而FCS是一个纯数字系统。用数字信号取代模拟信号，因数字信号电平较高，一般的噪声干扰难以扭曲FCS系统内的数字信号。同时数字通信的检错功能可以检测出数字信粤在传输中出现的误码。所以，全数字化通信精度高、抗干扰能力强，使过程控制的准确性和可靠性大大提高。

3投资省、建设周期短

在现场总线的一根双绞线上，可以连接许多仪表和设备，与DCS相比，节省了大量I／O、电缆和桥架。同时由于控制功能分散到了现场仪表，所以控制楼电子设备间的控制设备将大大减少，控制楼面积也大大减少。安装工作量小了，建设周期将大大缩短。

4系统开放、可互操作

不同厂家的产品实现互联、可互换、可互操作将大量减少备品备件。可互操作性意味着可以用不同厂家的现场仪表去替换出现故障的另一厂家的现场仪表，更换后通讯及功能能恢复正常。现场仪表的可互操作性主要是通过对功能模块及其参数的标准化来实现的。这就要求不同厂家对功能模块的描述、参数设定及互联方式必须是公开统一的，这也正是现场总线基金会1V致力于制定国际标准的意义所在。

5系统易于组态、易于扩展

由于现场总线规定了标准的功能模块，不同厂家的设备均采用相同或相近的组态方法，因此不需要因为现场仪表种类或厂家不同而重新学习和培训组态方法和编程语言。

系统需要扩展时，可将新仪表连接在现有的现场总线上，不用增加任何组件，只需要通过现场总线对功能模块和参数进行设定。

6将导致热控专业设计的一场革命

现场总线技术将大大减轻图纸设计工作量，转向无图纸化设计。系统硬件的组态的过程也就是现场总线设备的物理连接过程，大量耗时的控制接线图设计将不复存在。因此，设计院热控专业设计方向必须作根本性调整，必须转向应用软件的设计与开发，这是设计院热控专业生存发展的*出路。热控专业的人员和知识结构必须也适应自动控制技术的发展要求作出根本性调整。

5．4现场总线在电厂应用展望

1）现场总线技术目前应用子电厂所面临的问题

（1）H1现场总线技术已经完成，H2现场总线标准正在开发中。从前面的讨论我们知道，H1现场总线标准目前没有冗余配置，而每段H1总线上可连接32个现场仪表，因此一旦H1总线发生故障其影响面是较大的。如果只连接少量的现场仪表则又丧失了现场总线的优势。

（2）电厂的过程控制是多变量的对象控制，因此如何使用Hl现场总线并实现现场信号测的冗余度要求及复杂的控制策略还需要进一步研究。

（3）现场总线产品系列尚不完整，而没有完整的产品系列的现场总线产品是没有意义的。电厂有大量的开关量控制，但到目前为止尚未有开关量设备的标准；且大量的逻辑运算不是单个现场仪表所能承担的。

（4）现场总线控制系统缺乏成熟的工程使用经验，根据基金会现场总线1997年制订的市场目标，1997年由多个供应商提供基于U1标准的小的试验系统用于培训和技术确认；1998年开始用于小型改造工程；1999年开始应用于中到大型工程设计，将有更多的现场设备和软件可供选用，It2标准发布。

2）试点设想

电厂是涉及国计民生的重要生产部门，电厂的设计原则是成熟、安全、可靠、经济。从现场总线的结构来看，它并非针对电厂的应用场合来开发的，因此，在电厂应用现场总线控制系统技术上尚不成熟，需要逐步试点。

要想在电厂发挥现场总线技术的优势，必须解决上面提到的一些问题。我们相信只有积极应用现场总线技术才能有效推动这些问题的解决。

方案一、与DCS集合使用，在DAS部分采用H1现场总线连接智能变送器等进行数据采集；在MCS部分利用H1现场总线连接现场智能控制器、执行器取代部分单回路控制系统。

方案二、与PLC集合使用，利用H1现场总线连接现场智能变送器、分析仪表、执行器等实现对辅助系统如水处理系统的数据采集和控制。

6结束语