火電廠輸煤系統控制中現場總線技術的應用研究

李 娟 王 穎 朱月涌

（山東電力工程設計咨詢院有限公司，山東 濟南250013）

0 引言

火電廠輸煤系統的主要特點是工藝設備數量多且布置分散，整個系統跨度大；設備多采用強電控制，控制電纜用量較大；設備運行環境惡劣，溫差大、灰塵多；設備間工藝聯鎖關系比較復雜。

隨著現場總線技術的發展，基于現場總線通訊協議的控制方式在輸煤系統中得到了越來越廣泛的應用。目前，基于現場總線技術的輸煤系統控制方案一般是：（1）輸煤6kV電機回路裝設具有通訊功能的綜合保護測控裝置，各380V電機回路配置具有通訊功能的馬達保護器，與輸煤程控系統采用通訊方式進行雙向通訊。（2）在各個轉運站、碎煤機室、煤倉間分散布置遠程I／O模塊，將各皮帶機、轉運站電動三通、振打、入爐采樣、入廠采樣、刮雨器、煤場噴灑、懸臂斗輪機、清水泵、污水泵、煤倉間犁煤器等所有需接入DCS監控的控制信號采用硬接線就近接入各控制箱內的遠程I／O模塊箱，遠程I／O模塊箱再通過現場總線與輸煤DCS主站通訊，從而實現信息的上傳下發。此部分設備控制系統如圖1所示。

目前輸煤系統現場分布式I／O模塊的通訊協議一般采用Modbus協議。Modbus協議采用一根雙絞線實現多個設備之間的通信，具有簡單、硬件便宜、通用性強、使用方便等優點，現有設備大部分通過RS－485串口傳輸。但是串口所接設備數量有限，且傳輸距離只能在1.2km以內，在抗干擾能力、數據傳輸速率、傳輸距離方面有明顯劣勢。

1 傳統現場總線技術的缺陷

現場總線技術的應用，取消了常規輸煤系統順控設計中的遠程I／O柜，將之細化為多個獨立的具有IP67高防護等級的遠程I／O模塊，并且分散性強，接線更清晰。但由于遠程I／O模塊的功能單一，一般還是只布置到每個轉運站，因此雖然比傳統方案節省了部分信號電纜，但還不徹底。目前基于Modbus協議的現場總線技術主流控制方式還是難以滿足輸煤程控系統徹底分散控制，以最大限度節省電纜投資、提升系統性能、抑制現場干擾、方便運行維護的需要。

Profibus是一種國際化、開放式、不依賴于設備生產商的現場總線標準，其傳送速度為9.6kb～12Mb。其中，Profibus－DP應用于現場級，它是一種用于設備級控制系統與分散式I／O之間的高速低成本通訊協議。它的最大優點在于有穩定的國際標準EN50170作保證，經實際應用驗證具有普遍性。從技術上來看，Profibus明顯優于 Modbus。目前，Profibus總線技術在輸煤系統控制中的應用越來越廣泛。

2 基于現場總線技術的分布式I／O方案

2.1 控制理念

由于輸煤系統中大部分工藝設備廠家自帶控制箱，且大部分廠家的控制箱無法直接采用Profibus總線技術實現對設備的控制。因此，基本控制理念是在各轉運站設置轉運站遠程I／O分站，每個分站內設一臺總線通訊器。針對輸煤控制系統的每個設備設置一臺現場總線分控單元，布置于工藝設備廠提供的就地電控箱內，通過Profibus協議通訊至各遠程I／O分站，實現信息的上傳下發，從而實現整個輸煤系統控制。由于每個分控單元均自帶CPU，具有自處理功能，系統功能的擴展不再依賴于主站的處理能力。每個就地設備可向程控室提供更多的輸入信息和智能化判斷功能，系統具有自擴展能力。此系統控制流程如圖2所示。

圖1 傳統現場總線應用示意圖

圖2 分布式I／O方案應用示意圖

2.2 分布式I／O方案的系統結構

輸煤控制系統采用現場總線技術對整個輸煤系統中的設備進行數據采集和控制，通過上位計算機的人機接口對系統設備發出控制命令，同時系統中各設備的運行狀態信息在上位機LCD上直觀、動態地顯示出來。輸煤控制系統采用3層網絡結構，即站控層、主控裝置層和現場設備層。

站控層，主要任務是實現輸煤程控主站與上位機監控系統、全廠DCS系統的連接，采用以太網網絡架構，在輸煤綜合樓設置操作員站。

主控裝置層，采用10M／100M自適應工業以太網協議，通過光纖實現現場總線主控裝置與程控室之間的通訊，根據工藝系統的設備布置及流程將輸煤系統劃分為多個相對獨立的控制區域，每個區域設一個或多個現場總線主控裝置，主控裝置采用掛墻安裝。主控裝置層與主控裝置層之間、主控裝置層與站控層之間采用光纖以環網方式相連，光纖帶鋼帶鎧裝保護。對每一個控制區域，考慮以皮帶為單位對現場總線設備進行分組，每臺主控裝置提供兩組現場總線接口。

從轉運站就地掛墻箱到各具體被控設備之間的連接，屬現場設備層，此層采用現場總線產品，利用目前主流的現場總線通信協議Profibus現場總線技術實現。現場層設備采用環形冗余網絡。

轉運站遠程I／O分站采用IP67防護等級，掛墻箱布置，每個I／O分站負責兩條皮帶所屬的現場總線設備接入。每臺I／O分站掛墻箱由外部提供兩路AC220V電源，箱內實現雙路電源切換。總線通訊器除負責提供對下與分控單元或智能電控箱間的總線通訊、對上提供與輸煤程控站控層系統間的通訊接口等功能外，尚實現對總線型皮帶保護裝置的總線供電功能；總線通訊器與輸煤控制系統站控層之間的連接介質采用光纖。

3 結語

實踐證明，輸煤順控系統在傳統現場總線技術的基礎上將總線設備下放至設備就地，采用Profibus專用通訊協議，大量減少了控制電纜，從而在很大程度上節約了投資，也相應大大減少了現場的工作量，縮短了建設工期。同時，由于現場總線系統數字化徹底，診斷、維護、組態能力特別強，因此輸煤系統正常的維護檢修成本較低。此外，當輸煤系統生產工藝流程隨時間或現場擴建的需要發生改變的時候，傳統輸煤控制方案擴展起來非常不便，基于現場總線技術的輸煤控制系統擴展方便，可以邊用、邊擴、邊投運。

［1］王峰，陸建鶯，周建.基于現場總線技術的火電廠輸煤系統控制設計［J］.電站系統工程，2010，26（4）：61～63

［2］李宏毅，王致杰，譚永海.基于lonworks總線的選煤廠監控系統的研究［J］.煤炭工程，2005（10）：21～23

［3］陽憲惠.現場總線技術及其應用［M］.北京：清華大學出版社，1999