DCS結(jié)合現(xiàn)場總線的控制模式在1 000 MW機組脫硫系統(tǒng)中的應(yīng)用

賀增耀，楊列中

（神華浙江國華浙能發(fā)電有限公司，浙江 寧海 315612）

集散控制系統(tǒng)（DCS）結(jié)合現(xiàn)場總線的控制模式與目前發(fā)電廠常用的DCS與可編程邏輯控制器（PLC）結(jié)合常規(guī)就地儀表和控制設(shè)備的控制模式相比有許多優(yōu)點，可以節(jié)省大量的設(shè)備和維護費用，也可以促進現(xiàn)場儀表的智能化、控制功能分散化。國華浙能發(fā)電有限公司在1 000 MW機組脫硫系統(tǒng)中全面采用了DCS結(jié)合現(xiàn)場總線設(shè)備的控制模式，在現(xiàn)場設(shè)備中大量使用了具有現(xiàn)場總線功能的儀表，并取得了成功。

1 控制系統(tǒng)的規(guī)劃和設(shè)計

1.1 脫硫控制系統(tǒng)概況

國華寧海2×1 000 MW機組鍋爐煙氣脫硫系統(tǒng)采用石灰石濕法脫硫工藝，2臺機組脫硫系統(tǒng)采用1套獨立的控制系統(tǒng)進行監(jiān)視與控制，控制系統(tǒng)采用西門子公司基于PROFIBUS現(xiàn)場總線的T3000系統(tǒng)。

脫硫系統(tǒng)中大量采用了現(xiàn)場總線儀表和控制設(shè)備，除個別影響機組和系統(tǒng)安全的重要設(shè)備如煙氣進出口和旁路擋板、溫度信號、個別廠供裝置（CEMS）、6 kV電機等采用硬接線外，其余設(shè)備和儀表基本上都采用了現(xiàn)場總線設(shè)備。設(shè)備采用PROFIBUS-DP總線標(biāo)準(zhǔn)，共有233個電動頭、63臺電動機、24個電氣低壓廠用電開關(guān)；儀表采用PROFIBUS-PA總線標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)，共有98個儀表。

1.2 具體配置方案

除現(xiàn)場總線設(shè)備分網(wǎng)段接入不同控制器外，脫硫系統(tǒng)DCS硬接線點還根據(jù)功能相關(guān)性等原則，通過分布式I/O模塊連接到不同的控制器，保證一些無法使用現(xiàn)場總線功能的儀表和對實時性與安全性要求比較高的信號接入。

總線控制器由S7417H、PROFIBUS-DP和通信模塊CP443-5組成，通過冗余的以太網(wǎng)接入控制環(huán)路。總線控制器最多支持5個CP443-5模塊，加上DP通訊口，1個總線控制器最多支持6個冗余的DP網(wǎng)絡(luò)，每個DP網(wǎng)絡(luò)最多可連接4個DP網(wǎng)段，共125個從站設(shè)備。PA設(shè)備通過DP/PA耦合器鏈接到DP網(wǎng)段上，每個耦合器最多可連接5個PA網(wǎng)段。

2 控制系統(tǒng)和現(xiàn)場總線技術(shù)的選擇

2.1 控制模式的選擇

自上個世紀(jì)八十年代問世以來，經(jīng)歷了發(fā)展、成熟到大規(guī)模應(yīng)用幾個階段，以其技術(shù)成熟、性能可靠、軟件豐富、功能完善，DCS與PLC相結(jié)合已經(jīng)成為發(fā)電廠生產(chǎn)過程控制的主要手段。而幀校驗序列技術(shù)（Frame Check Sequence，F(xiàn)CS）還處于發(fā)展和認識階段，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)中的現(xiàn)場設(shè)備可實現(xiàn)基本的控制功能，但整個脫硫系統(tǒng)各個分系統(tǒng)如何實現(xiàn)相互協(xié)調(diào)控制仍是需要考慮的問題。如果將脫硫控制任務(wù)分散到智能現(xiàn)場設(shè)備中，將出現(xiàn)大量控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)分段之間的通信，增加了系統(tǒng)通信負荷，信號傳輸?shù)膶崟r性會受到影響；更重要的是當(dāng)網(wǎng)絡(luò)分段出現(xiàn)故障時，不同網(wǎng)段上設(shè)備之間的聯(lián)鎖功能將無法實現(xiàn)，嚴(yán)重時會影響到工藝系統(tǒng)及設(shè)備的安全運行。

考慮到FCS技術(shù)還不太成熟，所以目前FCS并未大規(guī)模單獨應(yīng)用。在實際應(yīng)用中，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)大多采用將現(xiàn)場總線技術(shù)集成到DCS與PLC控制系統(tǒng)中的模式，主要應(yīng)用于現(xiàn)場設(shè)備層。寧海發(fā)電廠的脫硫系統(tǒng)就是采用以下控制模式：將FCS技術(shù)集成到現(xiàn)有的DCS控制系統(tǒng)中，將現(xiàn)場總線智能儀控設(shè)備連接到DCS，利用DCS與PLC豐富而成熟的控制功能和軟、硬件產(chǎn)品帶動現(xiàn)場總線的推廣應(yīng)用。

2.2 集成途徑的選擇

目前現(xiàn)場總線與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)之間的集成主要途徑有：現(xiàn)場總線設(shè)備作為I/O卡件集成在DCS中；現(xiàn)場總線設(shè)備通過網(wǎng)關(guān)集成到DCS上，統(tǒng)一組態(tài)、監(jiān)控與管理；各自獨立的FCS與DCS之間的信息集成，即FCS與DCS都獨立工作，兩者之間通過網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)信息的映射與互訪。

考慮到西門子公司最新的DCS T3000控制系統(tǒng)對PROFIBUS現(xiàn)場總線技術(shù)的強大支持功能，決定采用第一種集成途徑，因為這種途徑的整合性最高，完全實行了一體化通信，避免了因2個系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)傳輸而造成的通信瓶頸。

3 現(xiàn)場總線儀表的選擇

現(xiàn)場總線使用的儀表與以往使用的常規(guī)儀表不同。常規(guī)儀表傳送給控制器的僅僅是測量值，而現(xiàn)場總線儀表不僅可以傳送測量值，還可以傳送儀表的狀態(tài)以及調(diào)試信息。為了充分發(fā)揮現(xiàn)場總線系統(tǒng)信息管理功能強大、運行維護成本低廉等優(yōu)勢，采用了后臺管理軟件，把管理自動化和遠程診斷功能都集成在一起納入監(jiān)控系統(tǒng)。在選擇現(xiàn)場總線儀表時，對進入系統(tǒng)的儀表進行了精心的挑選，實現(xiàn)了診斷功能的最大化。

（1）應(yīng)選用經(jīng)過認證的常用總線產(chǎn)品，并應(yīng)經(jīng)過操作性測試。

（2）設(shè)計時應(yīng)重點考慮現(xiàn)場總線設(shè)備的功能選擇，選擇功能塊時應(yīng)綜合考慮減少通信量和降低成本。

（3）同一工程中盡可能遵循同一種總線標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場總線設(shè)備。

（4）在設(shè)置后臺管理軟件時，對于PROFIBUS總線設(shè)備應(yīng)要求遵循PROFIBUS-DP/PA V1標(biāo)準(zhǔn)。

4 現(xiàn)場總線設(shè)備的采購方式

總線儀表設(shè)備的采購方式一般有2種方式：

（1）采用控制系統(tǒng)總承包的方式采購現(xiàn)場總線儀表，推薦需要納入控制系統(tǒng)的電動執(zhí)行器、電氣低壓開關(guān)柜等設(shè)備廠家供業(yè)主選擇，這樣可減少設(shè)備與系統(tǒng)間的配合工作量。但這種方式可能會導(dǎo)致投資增大，且要求控制系統(tǒng)承包商具有較高的技術(shù)水平和工程實施能力，優(yōu)點是由控制系統(tǒng)供貨商一家保證整個基于現(xiàn)場總線的控制系統(tǒng)的性能。

（2）根據(jù)設(shè)計院編制儀表的技術(shù)規(guī)范書，由業(yè)主與控制系統(tǒng)同時招標(biāo)采購。這種方式雖然增加了難度，但同時招標(biāo)有利于設(shè)備投資的控制，不過這種方式從工程實施的角度考慮將會制約工程設(shè)計的進度。

寧海發(fā)電廠集合了上述2種方式的各自優(yōu)點，對不同類型的設(shè)備采用了不同的采購方式。

（1）基于DCS T3000控制系統(tǒng)對現(xiàn)場總線設(shè)備和儀表的集成能力，對一些不隨機務(wù)設(shè)備帶來的常規(guī)儀表和特殊儀表如壓力變送器、漿液密度計、PH計等，集成到DCS系統(tǒng)中統(tǒng)一由西門子公司來完成。

（2）對隨機務(wù)設(shè)備帶來的現(xiàn)場總線儀表，根據(jù)設(shè)計院編制儀表技術(shù)規(guī)范書，在機務(wù)設(shè)備的合同里統(tǒng)一采購。

（3）對采用硬接線連接的常規(guī)儀表如壓力開關(guān)、液位開關(guān)等，采用傳統(tǒng)的儀表成套招標(biāo)模式統(tǒng)一招標(biāo)。

5 總線電纜的敷設(shè)

總線電纜的設(shè)計應(yīng)遵守以下原則：

（1）為減少因通信系統(tǒng)故障造成的影響，增加傳輸距離等，宜選用同一類型的總線電纜，宜選擇光纜、雙絞屏蔽電纜，考慮到現(xiàn)場的實際情況光纜應(yīng)采用金屬鎧裝型產(chǎn)品。

（2）當(dāng)現(xiàn)場總線網(wǎng)段需要連接2個終端器時，通常連接主網(wǎng)段的2個末端。當(dāng)只有單個支路時，只需要1個終端器，應(yīng)向終端器供電。

（3）多個主干電纜引入現(xiàn)場接線盒時，屏蔽線應(yīng)單點接地，通常在控制室側(cè)末端接地。設(shè)備電纜的屏蔽線不應(yīng)連接到設(shè)備的接地或外殼上。

（4）在雷擊高發(fā)區(qū)或有大電感負荷的區(qū)域，安裝的現(xiàn)場總線設(shè)備和現(xiàn)場總線網(wǎng)段應(yīng)設(shè)置防雷擊的電涌保護器。

在現(xiàn)場總線電纜的現(xiàn)場敷設(shè)中發(fā)現(xiàn)，雖然總線電纜有屏蔽層,但是強電電纜對總線電纜的干擾還是會存在。尤其是把總線電纜和強電電纜敷設(shè)在同一電纜槽盒中，會導(dǎo)致儀表點信號紊亂，DCS畫面上出現(xiàn)數(shù)據(jù)閃爍現(xiàn)象。對總線電纜進行單獨穿鍍錫鋼管敷設(shè)，才徹底解決干擾問題。

6 結(jié)語

現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)作為一項新技術(shù)早在十幾年前就出現(xiàn)，但大規(guī)模地應(yīng)用到發(fā)電廠還是在近幾年。現(xiàn)場總線確實可以降低工程建設(shè)的費用，更重要的是可以降低設(shè)備運行期間的維護費用，從而降低整個工程生命周期的費用。大規(guī)模現(xiàn)場總線設(shè)備在1 000 MW機組脫硫系統(tǒng)的成功應(yīng)用證明，只要科學(xué)合理規(guī)劃和精心設(shè)計，現(xiàn)場總線技術(shù)在大型發(fā)電機組中的應(yīng)用前景將更為廣闊。

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[2]周志敏，紀(jì)愛華.Profibus總線系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用[M].北京：中國電力出版社.2009.

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