現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)在華電常德電廠一期工程中的應(yīng)用

湖南華電常德發(fā)電有限公司 史 暢、譚云芳，西安熱工研究院有限公司 丁 偉/文

引 言

現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS，F(xiàn)ieldbus Control System）是利用現(xiàn)場總線技術(shù)，把現(xiàn)場測量、控制設(shè)備連接成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，按公開、規(guī)范的通信協(xié)議，在現(xiàn)場測量、控制設(shè)備之間，以及這些設(shè)備與監(jiān)控計算機（或DCS控制站）之間，實現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)傳輸和信息交換，構(gòu)成由現(xiàn)場總線測量、控制設(shè)備集成的自治式控制系統(tǒng)。它是由現(xiàn)場總線測量、控制設(shè)備與監(jiān)控計算機（或DCS控制站）結(jié)合在一起構(gòu)成一個完整控制系統(tǒng)，并可通過現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)對現(xiàn)場測量、控制設(shè)備進行實時診斷、維護的系統(tǒng)[1]。

1 概 述

湖南華電常德發(fā)電有限公司（以下簡稱常德電廠）一期工程為兩臺660MW超超臨界燃煤發(fā)電機組，二期工程計劃將在一期基礎(chǔ)上擴建兩臺裝機為1000MW超超臨界燃煤發(fā)電機組。一期工程三大主機設(shè)備（鍋爐、汽輪機、發(fā)電機）均由上海電氣集團提供，采用的是艾默生的Ovation現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，現(xiàn)場總線協(xié)議為Profibus DP和FF H1，系統(tǒng)典型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 現(xiàn)場總線在常德電廠使用的范圍

常德電廠全廠范圍內(nèi)采用現(xiàn)場總線技術(shù)，統(tǒng)籌兼顧了工程風(fēng)險、投資造價和技術(shù)創(chuàng)新三者的綜合效益。考慮了火電機組控制系統(tǒng)的特點和要求，以成熟的DCS為基本系統(tǒng)，無縫嵌入現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)通信模件，形成現(xiàn)場總線的各級網(wǎng)絡(luò)，連接現(xiàn)場總線儀表、設(shè)備，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、控制和設(shè)備驅(qū)動。

2.1 常德電廠主機采用總線技術(shù)的設(shè)備系統(tǒng)

2.1.1 汽輪機各段抽汽系統(tǒng)的疏水電動門、高加正常和危急疏水電動門、除氧器系統(tǒng)電動門、低加系統(tǒng)電動門、汽動引風(fēng)機系統(tǒng)疏水電動門、凝結(jié)水泵進出口電動門、開式泵進出口電動門等采用冗余Profibus DP總線型電動執(zhí)行機構(gòu)。

2.1.2 汽動給水泵系統(tǒng)疏水電動門和氣動門采用Profibus DP總線技術(shù)。

2.1.3 高加液位、低加液位、除氧器液位、凝結(jié)水系統(tǒng)壓力和流量等變送器采用FF總線儀表。

2.1.4 鍋爐疏水和排汽電動執(zhí)行機構(gòu)、磨煤機系統(tǒng)電動風(fēng)門執(zhí)行機構(gòu)、給煤機系統(tǒng)電動執(zhí)行機構(gòu)、空預(yù)器風(fēng)門電動執(zhí)行機構(gòu)、引風(fēng)機進出口電動風(fēng)門執(zhí)行機構(gòu)等采用冗余Profibus DP總線型電動執(zhí)行機構(gòu)。

2.1.5 鍋爐吹灰系統(tǒng)電動門及壓力變送器采用現(xiàn)場總線控制方式，而吹灰器本體采用常規(guī)硬接線控制方式。

2.1.6 汽機和鍋爐系統(tǒng)中用于DAS信號采集和監(jiān)視的儀表（除溫度、壓力開關(guān)和差壓開關(guān)），均采用總線設(shè)備。

2.2 常德電廠公用及輔助車間采用總線技術(shù)的設(shè)備系統(tǒng)

2.2.1 鍋爐補給水、凈化站、凝結(jié)水精處理和再生、工業(yè)廢水、生活污水、空壓機、暖通空調(diào)等系統(tǒng)的壓力變送器、差壓變送器、流量變送器、流量計、超聲波液位計等都采用FF總線技術(shù)，以上系統(tǒng)中的電動執(zhí)行機構(gòu)、部分化學(xué)分析儀表和氣動門電磁閥島采用Profibus DP總線技術(shù)，部分小型電機的馬達保護裝置也采用Profibus DP總線技術(shù)。

2.2.2 脫硫和脫硝系統(tǒng)中，除參與重要保護的測點和設(shè)備，其它壓力變送器、差壓變送器、流量變送器、流量計、超聲波液位計等都采用FF總線技術(shù)，電動執(zhí)行機構(gòu)、部分化學(xué)分析儀表采用Profibus DP總線技術(shù)，部分小型電機的馬達保護裝置也采用Profibus DP總線技術(shù)。

圖1 現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.2.3 輸灰系統(tǒng)中的壓力變送器采用FF總線技術(shù)，氣動門電磁閥島采用Profibus DP總線技術(shù)。

3 總線協(xié)議的確定和設(shè)備網(wǎng)段劃分

常德電廠DCS選用艾默生Ovation系統(tǒng)，總線協(xié)議確定為：Profibus DP和FF H1。表1列出了部分DCS品牌及與之對應(yīng)的現(xiàn)場總線規(guī)約，僅供參考表1：

為了保證大型火力發(fā)電機組連續(xù)安全穩(wěn)定運行，系統(tǒng)的可靠性是至關(guān)重要的，采用現(xiàn)場總線技術(shù)的設(shè)備需要通過科學(xué)的網(wǎng)段劃分配置保證安全及穩(wěn)定，具體的網(wǎng)段劃分原則方案如下：

3.1 FF H1網(wǎng)段設(shè)計采用樹型加分支的組合拓樸結(jié)構(gòu)；而Profibus DP網(wǎng)段采用總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，配置有源終端電阻。

3.2 與常規(guī)接線的DCS要求相似，網(wǎng)段劃分應(yīng)采用風(fēng)險分散的原則。

3.3 對于Profibus DP總線，在總線傳輸速率為500kbps的情況下，總線網(wǎng)段的總長度大于400米或電纜的敷設(shè)無法避免電磁干擾時，現(xiàn)場需配置現(xiàn)場總線通訊箱，從FCS現(xiàn)場總線模件柜至現(xiàn)場總線通訊設(shè)備柜之間的通訊電纜應(yīng)采用冗余光纜。系統(tǒng)應(yīng)配置網(wǎng)段正常工作必須的光電轉(zhuǎn)換設(shè)備。

3.4 對于有防爆要求的應(yīng)用場合，控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線網(wǎng)段設(shè)計（如總線長度、掛接設(shè)備數(shù)量等）及設(shè)備（如電源模塊、終端器、電纜等）選擇應(yīng)遵循現(xiàn)場總線本質(zhì)安全概念（FISCO）的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求。

3.5 對于FF H1總線網(wǎng)段，當(dāng)應(yīng)用于控制目的時，每個網(wǎng)段掛接的現(xiàn)場總線設(shè)備數(shù)量不應(yīng)超過8臺；當(dāng)用于非控制目的時，每個網(wǎng)段掛接的現(xiàn)場總線設(shè)備數(shù)量不應(yīng)超過該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定最大數(shù)量的50%（16臺）。一個網(wǎng)段的總線電纜總長度（干線長度加支線長度之和）不應(yīng)超過1200米。單根支線電纜的長度應(yīng)盡量短，支線電纜的長度不宜超過30米，最長不能超過60米。

4 總線設(shè)備安裝調(diào)試問題

現(xiàn)場總線的安裝調(diào)試不同于普通的I/O設(shè)備調(diào)試，對于總線設(shè)備來說，需要在邏輯組態(tài)、電纜鋪設(shè)、設(shè)備安裝和現(xiàn)場調(diào)試等多個方面引起注意。

4.1 在對某國產(chǎn)DP總線閥門進行通訊調(diào)試時，發(fā)現(xiàn)該品牌個別閥門不能正常通訊且無法自適應(yīng)主站設(shè)置的波特率，并且導(dǎo)致該線路其他品牌閥門也無法正常通訊，使用專用工具現(xiàn)場測試，應(yīng)是閥門的問題。因為某個閥門或某個品牌閥門的問題，而導(dǎo)致整條總線無法正常通訊，為了避免同一個網(wǎng)段上的不兼容問題，建議在同一個網(wǎng)段，盡量使用同一品牌的DP總線設(shè)備。

4.2 鍋爐二次風(fēng)門使用了大量的FF總線型ABB定位器，艾默生DCS系統(tǒng)和ABB定位器的通訊調(diào)試要求比較高，通過本工程技術(shù)人員的大量實踐摸索，編寫了《ABB定位器調(diào)試詳細步驟》，按照該步驟進行操作，一次成功的機率大幅提高，也節(jié)約了大量的調(diào)試時間。

4.3 所有使用的總線設(shè)備，最好有豐富的總線應(yīng)用業(yè)績，而且必須有和DCS系統(tǒng)廠家進行了通訊測試的報告，確保通訊測試合格，以便于設(shè)備的選型和后期調(diào)試的順利。

4.4 必須采用與現(xiàn)場設(shè)備一致的GSD文件版本(對于Profibus DP設(shè)備)或DD文件版本(對于FF設(shè)備)，防止組態(tài)時出現(xiàn)錯誤或者異常。

4.5 對于FF總線設(shè)備，應(yīng)保持單點接地，接地點應(yīng)為機柜處，不要在就地設(shè)備上接地（就地儀表屏蔽線剪掉，并用絕緣膠帶包扎），在FF接線盒處將主干網(wǎng)和分支電纜的屏蔽連接在一起，最終將FF電纜屏蔽在卡件側(cè)C17或C18端子接地。

4.6 對于Profibus DP總線設(shè)備，則應(yīng)根據(jù)DP規(guī)范進行多點接地。

5 現(xiàn)場總線設(shè)備

5.1 艾默生公司總線設(shè)備

5.1.1 Profibus通信主站。

Profibus通信主站是艾默生公司研發(fā)的系列產(chǎn)品，完成和總線網(wǎng)絡(luò)中從站的數(shù)據(jù)交換，并將采集的數(shù)據(jù)映射到DCS系統(tǒng)的控制器中，起到協(xié)議轉(zhuǎn)換的作用。

5.1.2 終端電阻。

為了減少信號反射，保障通訊質(zhì)量，一般在網(wǎng)段的末端位置需要加設(shè)終端電阻。常德電廠中DP總線終端電阻選用菲尼克斯系列產(chǎn)品。

5.1.3 FF通信主站。

FF通信主站是艾默生公司研發(fā)的系列產(chǎn)品，完成和總線網(wǎng)絡(luò)中從站的數(shù)據(jù)交換，并將采集的數(shù)據(jù)映射到DCS系統(tǒng)的控制器中，起到協(xié)議轉(zhuǎn)換的作用。

5.1.4 FF分配盒。

常德電廠采用的是倍加福的8口FF分配盒，可將單根FF信號拆分為多根FF信號，用于從主干線上連接現(xiàn)場儀表，有1個到8個分支可選。多數(shù)接線箱帶短路保護和過載保護，可提高通訊可靠性。為了最大限度的降低成本，選擇現(xiàn)場接線箱并將其靠近現(xiàn)場儀表安裝，以減少分支電纜長度。

5.1.5 通信介質(zhì)。

標(biāo)準(zhǔn)Profibus DP電纜、標(biāo)準(zhǔn)的FF H1總線電纜、光纖、Profibus-DP九針接頭。

5.2 現(xiàn)場總線就地從站設(shè)備

5.2.1 進口電動執(zhí)行機構(gòu)采用了Rotork IQ/IQT系列、EMG DREHMO系列、AUMA系列產(chǎn)品。

5.2.2 國產(chǎn)電動執(zhí)行機構(gòu)采用了揚州恒春、溫州瑞基、上海澳托克、廈門弗瑞特、江蘇海博、成都圣瑪特等系列產(chǎn)品。

5.2.3 氣動閥門定位器采用了ABB、西門子、Fisher系列產(chǎn)品。

5.2.4 壓力、差壓變送器采用了Rosemount 3051系列（主要在主機使用）、霍尼韋爾 ST700系列（主要在輔網(wǎng)范圍使用）。

5.2.5 導(dǎo)波雷達液位計采用了Magnetrol系列物位計，主要應(yīng)用在高、低加液位和除氧器水位測量。

表1 部分DCS品牌及與之對應(yīng)的現(xiàn)場總線規(guī)約

5.2.6 分析儀表采用了E+H、SWAN的Profibus DP協(xié)議的產(chǎn)品，主要應(yīng)用在化補水系統(tǒng)、凈水站系統(tǒng)和工業(yè)廢水系統(tǒng)。

5.2.7 變頻器采用了ABB系列產(chǎn)品，主要應(yīng)用在化學(xué)加藥系統(tǒng)部分。

5.2.8 超聲波液位計采用了E+H系列產(chǎn)品。

5.2.9 閥島采用了MAC、Numatics 、NORGREN系列產(chǎn)品。

6 結(jié) 論

現(xiàn)場總線技術(shù)的應(yīng)用不僅節(jié)約了控制電纜和機柜，而且可以實現(xiàn)對現(xiàn)場總線設(shè)備的數(shù)字化管理，同時也具備很強的系統(tǒng)擴展能力。但是由于總線設(shè)備的普及還需時日，和常規(guī)設(shè)備相比較，總線設(shè)備的價格都要高于常規(guī)設(shè)備，所以，采用總線控制的系統(tǒng)，在就地設(shè)備費用這一塊上是有一部分增加的。

湖南華電常德發(fā)電有限公司一期工程兩臺機組已于2015年先后投入生產(chǎn)運營，后期工作的重點將是艾默生的設(shè)備管理軟件（AMS）的優(yōu)化應(yīng)用。利用總線的技術(shù)優(yōu)勢，結(jié)合設(shè)備管理軟件，實現(xiàn)遠程管理設(shè)備，遠程診斷設(shè)備，達到提高設(shè)備維護和檢修工作效率的目的，降低維護人員的工作強度，真正實現(xiàn)數(shù)字化電廠的科學(xué)管理。

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[2]郭孝杰，李昱.現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)在沙洲二期工程中的應(yīng)用研究[J].中國電業(yè)， 2014，(5)：66-69.

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