浅谈电厂自动化控制技术

孙宗罡  温  文  刘文亭

（兖矿集团华聚能源公司 山东济宁 273500）

1.引言

电厂的生产包含了以下几个主要工艺过程：燃料系统（煤泥和煤矸石的运输及贮存）、热力系统及锅炉和汽轮机发电机组（将燃料的化学能转变成热能、热能将水变成蒸汽、蒸汽热能在汽轮机中转变成机械能、再转变为电能）、除渣出灰系统（燃烧物的固体废弃物处理）、脱硫系统（大气排放物的处理）、水处理系统（含净水、锅炉补给水、废水、凝结水精处理、化学取样和加药等）、发配电系统（含厂用电系统、升压站等）。由此可以看出，电厂生产是一个极其复杂的工业过程，它涵盖了工厂自动化和过程自动化的内容。在传统的电厂控制系统模式中，主厂房区域热力生产过程通常采用DCS作为主要的控制系统，其他辅助系统则采用以PLC为核心控制系统。近几年现场总线技术（FCS）被大量的采用，成为控制技术的发展的趋势。

随着数字化、信息化电厂建设的推出，没有可靠、实时、准确的自动化平台做支撑，就不可能建设真正的数字化、信息化的电厂。本文通过对PLC、DCS、FCS的分析，探讨以工业以太网为平台的电厂自动化建设模型。

2.可编程控制器（PLC）和集散型控制系统（DCS）的现状和问题

PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。

DCS是计算机、通信、CRT和控制技术的结合，以微处理器为核心，实现地理上和功能上相对分散的控制系统，通过数据通道把各个分散点的信息集中起来，进行集中的监视和操作，是模拟和数字混合系统，可实现高级复杂规律的控制。具有控制功能强，系统可靠性高，有良好的人机交互接口，系统容易开发，编程简单，操作方便，良好的性价比等优点；在电厂自动化控制领域发挥了很大的作用。

目前的DCS或PLC系统，大部分的DCS或PLC制造厂的产品由各自的硬件和软件构成自己产品的体系，为了保护自己的市场，彼此封锁，只能通过网关等接口才能与其他厂商的系统进行通信，很难实现不同系统的互联。为实现在不同系统之间的互联往往要重新开放软件接口，除了要增大用户的投资以外，而且部分产品的通讯速度也较低，不符合信息化电厂的要求。传统的DCS或PLC系统，是将现场的各种信号全部接入系统的IO卡件，当系统规模增大，如此众多的检测信号汇集到DCS或PLC的入口处，不可避免地会出现“瓶颈”现象，导致信号堵塞，降低了系统的安全性和可靠性。

3.现场总线控制系统（FCS）

由于DCS和PLC存在的种种问题，1984年，现场总线的概念得到正式提出。现场总线体现了分布、开放、互联、高可靠性的特点，而这些正是DCS系统的缺点。DCS通常是一对一单独传送信号，其所采用的模拟信号精度低，易受干扰，位于操作室的操作员对模拟仪表往往难以调整参数和预测故障，处于“失控”状态，很多的仪表厂商自定标准，互换性差，仪表的功能也较单一，难以满足现代的要求，而且几乎所有的控制功能都位于控制站中。FCS则采取一对多双向传输信号，采用的数字信号精度高、可靠性强，设备也始终处于操作员的远程监控和可控状态，用户可以自由按需选择不同品牌种类的设备互联，智能仪表具有通信、控制和运算等丰富的功能，而且控制功能分散到各个智能仪表中去。由此我们可以看到FCS相对于DCS的巨大进步。

当然，目前的现场控制总线也还存在一些缺陷，如通讯协议不统一，如德国西门子公司支持的Profibus-DP/PA、日本三菱的CC-LINK、法国Shneider公司的Modbus以及国内正在开发的EPA等等，国际上一些公司与组织也正在紧锣密鼓地在进行用以太网(Ethernet)来做现场总线的研究与开发工作。

另外目前每一条现场总线通讯速度较低，连接的设备较少，价格偏贵等，不支持现有的非智能仪表，因此要对工厂现有的非智能仪表进行更换也是一笔庞大的费用。

现场总线固然会给用户带来效益，但它毕竟处于企业网的最低层，局部虽有效益，但有时却不能为企业带来整体效益。因此，现场总线必须与企业的其他管理系统相结合，也就是所谓管控要一体化

4.工业以太网

工业以太网技术，是以太网技术延伸到工业应用环境的产物。工业以太网源于以太网又不同于以太网。经过对工业应用环境适应性的改造，通信实时性改进，传输确定性的改进，并添加了一些控制应用功能后，形成了工业以太网的技术主体。因此，工业以太网是一系列技术的综称。

工业以太网通过采用适当的流量控制、交换技术、全双工通信技术、信息优先级、改进容错技术、改进冗余结构，解决了确定性问题；通过提高通信速率，采用完全基于软件的协议RETHER（RealTimeEthernet）等措施解决了实时性问题；通过结构工艺改进和元器件升级，解决了工业生产环境使用和网络供电问题；这就让工业以太网具有了结构简单、成本低廉、易于安装、传输速度高、功耗低、冗余能力强、软硬件资源丰富、兼容性好、灵活性高、易于集成、支持几乎所有流行的网络协议等优点，这些特点是PLC、DCS、FCS无法比拟的。因此，工业以太网是最理想的电厂自动化控制平台。

由于工业以太网的众多优点，特别是IT的无缝集成以及现场总线（FCS）无法比拟的带宽优势，工业以太网“一网到底”全面支持自动化技术的时代已经到来。

5.工业控制网络的发展趋势

随着计算机技术及网络技术的迅猛发展，工业控制网络呈现了更高层次的发展。

5.1PLC技术的发展

随着自动控制技术，计算机技术和微电子技术的迅猛发展，PLC的发展十分迅速，一方面继续开发简易，价格低廉，超小型产品，另一方面转向大型、多功能、系列化、标准化、智能化产品的研制。现在的PLC已经融合模糊控制、神经元网络、遗传算法等先进的技术，控制、通信等功能大大增强。

5.2现场总线技术的发展

现场总线技术的发展主要体现在低速现场总线的完善和高速现场总线技术的发展，高速现场总线应用于控制网内的互联，以及实现低速现场总线网桥间的连接，它是充分实现系统全分散控制结构的必然趋势。

5.3嵌入式技术成为控制技术的重要支持

嵌入式系统实际上就是一个集成化的计算机系统，并且逐步走向网络化应用。其核心就是集成了数据处理和系统管理能力以及网络功能的微处理器系统。

5.4多现场总线并存向工业以太网技术为主体的方向发展

多种现场总线共存的原因是多方面的，但主要有技术和商业两方面的因素。技术方面，不同类型的设备对通信要求有很大差异；自动化技术也分为很多领域，不同领域对总线的要求都不相同，这就决定了不可能有一种或少数几种来满足全部的需求。目前工业以太网已从信息层渗透到控制层和设备层，开始成为底层控制网络的一员，逐步向现场级深入发展。同时主流的八种现场总线都在各自修改其应用层协议，支持TCP/IP规范，争取通过高层协议达到相互兼容的目的。总之，多现场总线并存的状况不会短期内消失，随着工业以太网的不断发展及完善，主流现场总线逐年减少，而工业以太网逐步占据首要位置。

5.5集成是现场控制技术发展的主题

集成主要体现在现场通信协议的相容、不同系统数据的交换以及组态、监控、操作界面的统一。集成将全面融合现场控制技术，构建更广阔的平台。

5.6有线与无线的融合是控制技术发展潮流

对于许多工业应用，控制信息的传输是实现自动化控制的关键环节。然而，要建立一个通畅可靠的信息传输渠道，有线系统往往需要较大的投资，这是，无线系统是一个很好的选择。随着无线技术的逐渐成熟应用，有线与无线的融合正成为发展潮流。

    综上所述，随着以太网技术、现场总线技术的发展，已经出现了现场总线与以太网构建的“一网到底”工业控制系统，从而实现工厂高层管理人员能直接获得现场的控制信息，实现工厂管理与生产现场的无缝集成，这就是工业控制技术的最新发展趋势。

6.电厂自动化技术体系的探索

虽然工业以太网的众多优点决定了它既是一个底层的现场总线网络，也是一个全面支持自动化技术的平台网络，它能够承担起电厂自动化控制平台任务。但是，由于PLC、DCS、FCS的多年发展，在电厂的很多领域应用比较成熟，因此多种现场总线技术并存的状况在短期内不会消失。为适应建设数字化、信息化电厂的要求，实现“一网到底”的控制技术，建立以工业以太网为平台的电厂自动化控制技术体系是最佳的选择。具体模型如图1：

图1：工业以太网自动化控制平台体系图

7.结束语

在电厂自动化和信息化的规划过程中，依然要结合电厂各工艺和生产过程的特点，采用最合适的现场总线标准和检测、控制技术。不应强求在全厂统一应用一种现场总线标准，全厂统一为一种现场总线标准既无可能、也无必要。在监控层，工业以太网和OPC协议等工业IT技术已经提供了不同网络之间的互联技术，具有了统一的平台。因此，在工程中使用的是FCS,还是DCS或PLC+现场总线都无关紧要，只要符合上述模型，就是最合适的控制系统，完全能满足数字化、信息化电厂的需求。

参考文献：

1顾德英、罗云林、马淑华编著.计算机控制技术.北京：北京邮电大学出版社,2007

2李正军编著.现场总线及其应用技术.北京：机械工业出版社,2005.1

3王平等编著.工业以太网技术.北京：科学出版社，2007

4冯冬芹、黄文娟编著.工业通信网络与系统集成.北京：科学出版社，2005

5张浩、谭克勤等编著.现场总线与工业以太网络应用技术.上海：科学出版社，2004

第一作者简介：孙宗罡，男，汉族，1971年10月出生，2008年1月毕业于中国矿业大学，网络工程师，在兖矿集团华聚能源公司负责信息技术工作，参加工作以来先后获得集团公司科技进步三等奖、省级现代化管理成果三等奖、济宁市无线电管理先进个人、先进生产工作者、先进科技工作者等荣誉奖励。通讯地址：山东邹城市宏河路459号，邮编：273500，联系电话：13963793668，主要研究方向网络通信和自动化应用。