現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在大型火電機(jī)組上的應(yīng)用及可靠性提高方案淺析

馮志金

（廣東大唐國(guó)際雷州發(fā)電有限責(zé)任公司，廣東湛江 524255）

0.引言

由于數(shù)字技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，發(fā)電行業(yè)的控制系統(tǒng)正向著智能化、數(shù)字化的方向發(fā)展。傳統(tǒng)發(fā)電廠的分散控制系統(tǒng)（DCS）已開(kāi)始慢慢轉(zhuǎn)變成智能化的現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)。

1.現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)及其優(yōu)越性

現(xiàn)場(chǎng)總線是指安裝在制造或過(guò)程區(qū)域的現(xiàn)場(chǎng)裝置與控制室內(nèi)的自動(dòng)裝置之間的數(shù)字式、串行、多點(diǎn)通信的數(shù)據(jù)總線。

與傳統(tǒng)DCS系統(tǒng)相比，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)先進(jìn)性體現(xiàn)在以下方面[1]：（1）一根總線電纜可以傳輸多個(gè)信號(hào)，節(jié)省大量電纜，節(jié)約成本；（2）能夠傳輸大量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，滿(mǎn)足數(shù)字化電廠需要；（3）除傳輸I/O數(shù)據(jù)外，現(xiàn)場(chǎng)總線還能夠?qū)⒃O(shè)備狀態(tài)、診斷信息等數(shù)據(jù)傳至控制器；（4）能夠使控制器與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)信號(hào)雙向傳輸，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備遠(yuǎn)程維護(hù)、管理。

2.國(guó)內(nèi)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

2.1 我國(guó)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)研究現(xiàn)狀

現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在國(guó)外起步較早，但在國(guó)內(nèi)發(fā)展較晚，目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用在火電廠比較成熟和廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)是：Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線和FF現(xiàn)場(chǎng)總線。

Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)是由PLC技術(shù)發(fā)展而來(lái)，是IEC61158現(xiàn)場(chǎng)總線國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中的第3類(lèi)，該技術(shù)規(guī)范在2006年10月經(jīng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管委會(huì)審查通過(guò)，成為我國(guó)第一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。FF現(xiàn)場(chǎng)總線是由模擬量?jī)x表及模擬量技術(shù)發(fā)展而來(lái)，該現(xiàn)場(chǎng)總線由HSE高速以太網(wǎng)和FF-H1現(xiàn)場(chǎng)總線組成。

2.2 我國(guó)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，工業(yè)制造和發(fā)電行業(yè)如雨后春筍般快速發(fā)展。這就給各種工業(yè)控制技術(shù)的發(fā)展提供了有利的基礎(chǔ)，而現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)由于其在節(jié)省建設(shè)成本、數(shù)據(jù)傳輸量大、檢修維護(hù)方便等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，使得其在眾多控制技術(shù)中快速發(fā)展[2]。

未來(lái)我國(guó)現(xiàn)場(chǎng)總線發(fā)展趨勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）多種現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)展開(kāi)激烈競(jìng)爭(zhēng)，最終幾種技術(shù)成熟的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)發(fā)展壯大；（2）國(guó)產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)慢慢開(kāi)始起步，逐漸占領(lǐng)部分國(guó)內(nèi)市場(chǎng)；（3）現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在電力行業(yè)快速發(fā)展，逐漸替代傳統(tǒng)控制技術(shù)；（4）現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在使用過(guò)程中逐漸暴露出一些問(wèn)題，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的各種技術(shù)規(guī)范、規(guī)程出臺(tái)。

3.現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)使用過(guò)程中存在的問(wèn)題

雖然現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)與傳統(tǒng)DCS系統(tǒng)相比在節(jié)省成本、提高數(shù)據(jù)傳輸能力、遠(yuǎn)程診斷等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，但通過(guò)調(diào)研發(fā)現(xiàn)在實(shí)際應(yīng)用中，由于現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備數(shù)量較多、分布較分散、現(xiàn)場(chǎng)存在各種各樣的信號(hào)干擾，使得通信的可靠性并受到較大影響。如果在總線系統(tǒng)設(shè)計(jì)、施工、調(diào)試過(guò)程中管理不到位，很可能導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)總線在使用過(guò)程中受到信號(hào)干擾，從而導(dǎo)致通訊不穩(wěn)定，甚至有誤發(fā)信號(hào)和誤動(dòng)作的可能。

4.總線系統(tǒng)可靠性提高方案

針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)可能存在干擾的問(wèn)題，雷州電廠通過(guò)重新調(diào)研后分別在總線系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段、設(shè)備安裝階段、調(diào)試階段、運(yùn)行階段對(duì)總線系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行了整體提高。

4.1 設(shè)計(jì)階段

雷州電廠的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)采用的是目前較成熟、應(yīng)用較廣的Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，且采用國(guó)產(chǎn)系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)采用 Profibus-DP 和 Profibus-PA 兩種現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議。總線系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總原則：調(diào)門(mén)、電動(dòng)門(mén)、壓力、流量、液位等均使用總線控制；10kV電機(jī)、變頻電機(jī)、主保護(hù)設(shè)備采用常規(guī)硬接線控制；總線設(shè)備保留事故接口功能，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)部分較重要的設(shè)備采用“總線+硬接線”聯(lián)合控制方式。采用這種設(shè)計(jì)思路既可以最大限度的使用總線設(shè)備，又避免了總線系統(tǒng)故障影響機(jī)組的安全[3]。

按照Profibus總線系統(tǒng)的廠家說(shuō)明資料，通訊比特率為500kbit/s的DP總線最大網(wǎng)段長(zhǎng)度為500m，通訊比特率為187.5kbit/s的DP總線最大網(wǎng)段長(zhǎng)度為1200m，PA總線非本安要求安裝最大分支線路長(zhǎng)度為90m。雷州電廠總線系統(tǒng)DP總線通訊比特率為500kbit/s，為提高總線系統(tǒng)的穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)的最大DP總線網(wǎng)段長(zhǎng)度為400m，PA總線設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為40m。

由于總線通訊宜受高電壓信號(hào)干擾，在早期設(shè)計(jì)時(shí)就要求電源電纜與總線通訊電纜必須分層敷設(shè)，且分層敷設(shè)間距不能小于200mm。總線電纜設(shè)計(jì)有專(zhuān)用的電纜槽盒，各個(gè)橋架及槽盒要有專(zhuān)門(mén)的接地扁鋼，使橋架總體形成接地，降低干擾信號(hào)的影響，提高了總線設(shè)備的抗干擾能力。

4.2 設(shè)備安裝階段

雷州電廠總線電纜敷設(shè)時(shí)嚴(yán)格執(zhí)行“現(xiàn)場(chǎng)總線電纜與其他電力電纜必須分層敷設(shè)，且敷設(shè)間距不能小于200mm”的要求。

總線電纜敷設(shè)過(guò)程中，要求兩端應(yīng)有熱縮套管封閉，避免線芯的氧化以及雜質(zhì)進(jìn)入影響通訊質(zhì)量。敷設(shè)過(guò)程中嚴(yán)格控制總線電纜的彎曲半徑：?jiǎn)蝹€(gè)彎曲，半徑≥75mm；多個(gè)彎曲，半徑≥150mm。

現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)中設(shè)備接地和數(shù)據(jù)線屏蔽接地對(duì)于設(shè)備通信的穩(wěn)定至關(guān)重要。Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)采用多點(diǎn)接地方式，當(dāng)在插頭內(nèi)接線時(shí)，須將屏蔽層剝開(kāi)，壓在插頭內(nèi)的金屬部分，與Sub-D插頭外部的金屬部分相連；當(dāng)在電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)等設(shè)備上接線時(shí)，須接在電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)內(nèi)部專(zhuān)用的接地處，保證整個(gè)總線系統(tǒng)接地的連續(xù)性。

在雷州電廠總線設(shè)備安裝過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)總線網(wǎng)段圖存在因設(shè)計(jì)不合理從而導(dǎo)致總線網(wǎng)段過(guò)長(zhǎng)，從而導(dǎo)致通訊不穩(wěn)定的隱患，雷州電廠先后調(diào)整總線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D及總線電纜清冊(cè)120多次，調(diào)整后充分發(fā)揮了總線節(jié)省電纜的優(yōu)勢(shì)，即節(jié)省了安裝成本，又提高了總線設(shè)備的穩(wěn)定性，通過(guò)總線電纜敷設(shè)路徑優(yōu)化，雷州電廠共節(jié)省總線電纜4萬(wàn)多米，節(jié)省建設(shè)成本約90萬(wàn)元。

4.3 調(diào)試階段

在雷州電廠機(jī)組整套試運(yùn)期間發(fā)現(xiàn)部分總線設(shè)備存在運(yùn)行不穩(wěn)定、頻繁掉線隱患，雷州電廠熱工人員通過(guò)與廠家研發(fā)人員及總線咨詢(xún)?nèi)藛T溝通，合理調(diào)整總線傳輸頻率，大大提高了總線設(shè)備的抗干擾能力和運(yùn)行穩(wěn)定性，總線設(shè)備的掉線頻次大大降低。雷州電廠2臺(tái)機(jī)組投入商業(yè)運(yùn)行后基本未發(fā)生過(guò)總線設(shè)備掉線的情況。

4.4 運(yùn)行階段的優(yōu)化

雷州電廠總線系統(tǒng)投入運(yùn)行后，維護(hù)人員發(fā)現(xiàn)總線設(shè)備掉線后無(wú)任何監(jiān)測(cè)手段，運(yùn)行人員無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)總線設(shè)備異常，存在較大安全的隱患。通過(guò)與廠家及調(diào)試單位溝通，優(yōu)化增加了總線設(shè)備掉線光字報(bào)警，在總線設(shè)備離線后通過(guò)聲光報(bào)警及時(shí)提醒運(yùn)行人員，為缺陷處理節(jié)省了時(shí)間，極大提高機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性。

5.結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在發(fā)電廠的使用大大降低了建設(shè)成本，存在明顯的優(yōu)越性；同時(shí)，在建設(shè)和運(yùn)行維護(hù)過(guò)程中如果把關(guān)不嚴(yán)將會(huì)大大降低總線系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，存在較大的安全隱患。本文所講述的關(guān)于總線系統(tǒng)可靠性提高的整體方案，已在大唐雷州電廠得到了應(yīng)用，通過(guò)這些優(yōu)化極大地提升了雷州電廠總線系統(tǒng)的安全性及可靠性，降低了設(shè)備的維護(hù)成本、減少了檢修人員工作量。通過(guò)增加光字報(bào)警等手段有利于運(yùn)行人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)總線設(shè)備異常，提高了缺陷消除速度，減少了安全隱患，值得行業(yè)內(nèi)推廣應(yīng)用。