摘要：燃气轮机发电机组控制中现场总线技术的发展，指出了传统燃烧控制结构存在的问题和现场总线控制技术的特点，阐述了现场总线控制技术配置软件的发展，论述了现场总线技术在燃气轮机控制中的应用，最后，对我国CCGT电力工程现场总线控制技术的应用提出了建议。
关键词：航天推进系统；燃气轮机；控制系统；现场总线；组态软件
1 燃机及其控制技术发展现状
近年来，随着我国西气东输战略的实施以及近海油气的能源结构的改善，俄罗斯等周边国家液化天然气的进口和近海天然气资源的利用得到了高速的发展，为燃气轮机发电机组提供了非常广阔的市场。特别是在电力行业，燃气轮机发电机组由于其污染排放量小、热效率高、建设周期短、调峰性能好、运行灵活等突出特点，被世界各国选为电网的重要组成部分。由于国内燃气轮机设备制造水平较低，不能很好地满足用户需求。据不完全统计，目前国内燃气轮机在国内市场的份额只有5个，只占总市场的4%，除了机组本身的性能和可靠性等因素外，燃气轮机控制系统的落后也是一个重要原因。随着我国环境管理的加强，燃气轮机发电市场的空间将会更大。面对这千载难逢的历史机遇，国内企业能否具备足够的燃气轮机项目装配能力，控制系统是关键之一。
世界上工业燃气轮机一开始使用的是液压机械控制系统，控制系统通过机械连杆凸轮和其他机构实现各种控制规律和控制算法，控制结构非常复杂，难以获得良好的控制品质和适应性，并且控制对象很难修改，灵活性较差。在20世纪70年代，燃气轮机模拟电子控制器被开发出来。美国通用电气公司LM1500燃气轮机实现了模拟电子控制器逻辑顺序控制，控制系统与模拟电子设备实现逻辑控制，大大扩展了SPC的范围，丰富顺序控制的功能，使原来必须由操作员手动控制的设备实现了自动控制，提高自动化程度，并且在可编程的灵活性方面取得了巨大进步。
2 燃机轮机传统控制结构存在的问题
在工程实践中，我们认识到，传统控制结构难以满足燃机工程日益复杂的控制要求，目前普遍采用的专用集中式燃机控制装置存在以下几个方面的问题。
（1）控制系统越来越复杂，保守性越来越差
燃机轮机对性能要求日益提高，对控制系统的要求也越来越高，控制的内容和协调的控制单元不断增加，控制系统的性能、功能和管理任务也随之提高和增加。这就是集中式控制系统的复杂性，系统维护变得比较困难，维护成本也随之增加。
（2）控制系统性能差，成本高
燃气轮机发电在动力船泵站或海洋平台应用广泛，其控制对象和控制范围与某方面专业化管理系统不同，往往不能用于其他行业，需重新设计修改控制系统的硬件和软件，往往会导致中央控制系统生产时间加长、成本上升和质量下降等不好的因素。
（3）可靠性的提高受到制约
加强中央控制系统的可靠性仅限于三个方面：
a提高任务可靠性，集中控制系统通常被设计成冗余结构，从而导致基本可靠性降低。
b电子元件较多，如电缆、连接器和系统连接器，增加了控制系统故障的速度。
c集中处理的控制系统也是危险的，在故障发生后控制计算机很容易导致整个系统崩溃。此外，控制回路越复杂，程序管理的变量越多，控制系统管理任务成倍增加，系统负荷增加会导致不稳定。软件实现的可能性越大，构建起来就越困难，出错的可能性就越大。
2.1 不利于全厂控制系统的一体化
由于燃气轮机控制系统集中控制，不能承担过多的分散的任务，并且在燃气轮机整个过程管理控制过程中往往存在两套以上独立控制系统，由于信息的不统一以及不完善，不同装置燃气轮机控制系统之间统一管理、协作协调受到一定限制。随着燃机循环发电企业的现代化以及设备维护的生产和管理重要里程碑的不断扩大，生产过程的优化也受到了限制。为了解决数据通讯的问题，许多制造商试图通过数据传输将燃气轮机控制与整个工厂的控制联系起来，尽管信息交换已经完成，但信息的真实性和完整性受到了严重影响，难以满足生产需求。
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3 现场总线控制技术
传统的控制系统主要使用单一的控制手段通过对模拟信号检测来进行控制，如电流或电压。其内部结构非常封闭，与设备、系统、系统和外部世界之间交换信息非常困难。随着管理技术、计算机技术、通信技术、网络技术和系统一体化的发展，大约在1984年，为了满足生产过程中控制系统的需求，现场总线控制技术（FCS）出现了，从根本上改变了“信息岛”的现象。FCS将特殊的微处理器连接到现场设备，如测量仪器和执行机制，使现场设备节点具有数字计算、逻辑推理、数字连接等智能功能。现场总线是一种完全开放的、分层的、双向的，可用于多个控制节点的新一代控制管理系统网络结构，具有以下优点：
（1）数字信号大幅度取代了模拟信号，如4-20mA、5-12V，增加了控制信息的多样性。
（2）将控制、报警和计算功能等基本过程的全面分布，使控制周期大大缩短。
（3）可以减少一半到2/3的绝缘体、端口、输入/输出卡和卡基座，增加了输入/输出设备的备用空间。
（4）传输的信息不再仅仅是控制对象的模拟量信息，如物理数值信号，也包含与设备功能有关的状态、补偿和诊断信息。
（5）实现了现场仪表设备与控制器互联。
（6）实现了高度的开放性和互操作性。
（7）允许用户自行选择最佳集成方案。
通过彻底分散的分布式控制现场设备可以拥有自己的控制功能，有很强的开放性、互操作性、系统兼容性和统可靠性，从而减少硬件数量的投资，节省安装和维护费用。
4 控制软件
传统的燃气轮机控制软件通常是专门为一个机组和特定用途开发的。在修改燃烧目标或改变管理程序时，必须从几乎没有区别的源代码开始，具有长周期、高误差、技术继承不良等缺点。不开放的控制软件阻碍了控制系统性能的提高，并且直接导致软件成本变高。随着个人电脑的传播，为了顺应时代的发展开发的设备状态监测软件，为传统控制软件的缺点提供了有效的解决方案。燃气轮机控制软件的发展与网络技术的发展密不可分，特别是现场总线技术的发展，这将逐步改变现有现场设备的软件配置，许多数字控制设备将不得不创造新的软件，为团队软件的发展提供新的机遇。
5 现场总线技术在燃气轮机控制中的应用
从上面分析的技术特征不难看出，使用现场总线技术来控制燃气轮机具有明显的优势。
（1）可以大大简化控制系统的结构，降低燃烧部件的成本。
（2）加强现场设备的自主性，包括燃料控制、空气控制和排气控制，以减轻燃烧压力和提高控制能力。
（3）数字信号传输强度高，抗干扰能力强，提高了信号的精度和可靠性。
（4）彻底分散的分布式控制更容易对燃气轮机进行控制和管理，系统集成非常方便，可使用不同功率水平、不同需求和不同控制策略的系统，使之相互配合，可以很容易地配置硬件和软件，通过控制系统集成和调试获得个性化的解决方案。
结束语
面对快速发展的燃气轮机控制系统需求，本文在概述现场总线技术状况及发展，指出传统燃气轮机控制结构中存在的问题以及现场总线控制技术的性质，阐述控制软件配置的技术发展，论述了现场总线技术在燃气轮机控制中的应用。最后对我国CCGT电力工程现场总线控制技术的应用提出了建议。
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论文作者:钟小毛
论文发表刊物:《基层建设》2019年第7期
论文发表时间:2019/6/26
标签：燃气轮机论文; 控制系统论文; 现场论文; 软件论文; 设备论文; 机组论文; 系统论文; 《基层建设》2019年第7期论文;