現場總線技術在火力發電廠電氣控制系統中的運用分析

繆希希 孫斌 張昊 蔣如森 曹華瑞

摘? 要：我國火電廠生產規模不斷增加，火電廠生產自動化水平也明顯提高，對于生產管理和運行系統提出了更高的要求。現場總線技術在電氣控制系統中的應用顯著提高了控制系統自動化水平，更有利于保障火電廠的穩定生產。基于此，該文通過對電氣控制系統的介紹，分析了現場總線技術的應用優勢，最后詳細分析了現場總線技術的應用。以期能夠進一步推廣現場總線技術，充分發揮技術價值。

關鍵詞：現場總線技術? ?火電廠? ?電氣控制系統? ?故障診斷? ?在線監控

中圖分類號：TM621? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A文章編號：1672-3791（2021）07（c）-0044-03

Abstract： China's thermal power plant production scale continues to increase， thermal power plant production automation level is also significantly improved， for the production management and operation system put forward higher requirements. The application of fieldbus technology in electric control system significantly improves the automation level of control system and is more conducive to the stable production of thermal power plant. Based on this， this paper analyzes the advantages of the application of fieldbus technology through the introduction of electrical control system， and finally analyzes the application of fieldbus technology in detail. In order to further promote the field bus technology， give full play to the value of technology.

Key Words： Fieldbus technology; Coal-fired power plants; Electrical control system; Fault diagnosis; Online monitoring

火電廠不斷加強信息化建設，對火電廠生產展開信息化管理，建立更完善的信息管理系統。電氣控制系統作為火電廠生產管理的重要系統，負責對設備運行情況展開監控和控制，當設備故障問題出現及時預警，保證生產順利進行。

1? 火力發電廠電氣控制系統

目前，我國火電廠使用的電氣控制系統主要有兩種：一種為電氣控制管理系統（ECMS），另一種為電氣現場總線控制系統（EFCS）。ECMS均以現場總線技術作為基礎實現，但和DCS系統沒有通信功能，仍然需要通過I/O接入系統，無法充分利用現場總線，造成硬接線投資的浪費。EFCS系統在ECMS系統基礎上改進，和DCS系統實現了互聯互通，EFCS能夠與DCS系統實現連接通信，規避EFMS系統通信上的弊端，有效減少硬接線的接入，讓投資費用和建設資源得到降低，避免對信息的重復采集，系統操作更加簡潔。EFCS系統通過兩種方式連接DCS系統，為通信+硬接線、全通信兩種方式。在大型電動機上，監控方式和傳統硬接線不同，但操作方式接近，方便工作人員熟悉操作。通過接入DCS系統控制，能夠建立電能管理、報警以及監視系統，方便工作人員運維管理，減少投資，讓各項控制功能獨立進行[1]。

2? 現場總線技術優勢

2.1 應用靈活度高

現場總線技術兼容性強，能夠在多種系統中應用，現場總線技術應用于電氣控制系統中，系統采取分布式結構，在不同位置設置控制節點，對各個節點進行針對性的管控，保證控制功能的同時，在一定程度上布設系統更加靈活。在火電廠范圍內，靈活布設監控節點構成控制系統，能夠對各個位置的設備進行監控和控制，構成網絡拓撲結構，將復雜的控制系統細化，減輕主機控制性能的壓力[2]。在延長主機使用壽命的同時，有利于提高整體控制效率。現場總線控制系統采取分布式網絡結構，在采購設備上也更加靈活，在實際應用過程中能夠選擇多種信息傳輸方式，適應于火電廠的生產。

2.2 系統布設分散

應用現場總線技術建設控制系統，系統采取分布式結構，控制節點分散，不會完全依賴于主機設備。電氣控制系統運行時，將大系統劃分為多個小系統，小系統間分散并行，分別控制不同范圍。分別負責火電廠的各部分工作，保證各部分工作獨立運行，保證控制系統的靈活性，部分設備、系統發生故障并不會影響其他系統，能夠進行針對性的維修與維護，保證系統穩定運行。

3? 現場總線技術在火力發電廠電氣控制系統中的運用

3.1 設計方案

現場總線技術對于設計方案要求高，需要配合DCS控制系統，在控制系統招標前，提前明確總線范圍和設備數量，對總線網段進行初步劃分，方便于控制系統評標中評估總線網段配置[3]。項目實施中，和控制系統共同進行網段設計。總線網段設計需要準確定位現場設備，設計提前進行設計。

3.2 采購設備

根據發電廠采購流程，在控制系統招標前采購主要設備和輔助設備等，根據現場總線接口要求和技術協議進行采購相關設備。除執行機構和現場儀表之外，其他總線設備由DCS廠家提供，包括總線電纜、總線電源、機柜等設備，保證設備和系統的匹配率。在招標中標后，立即開始測試平臺，對所有需要使用的設備進行測試，保證總線設備正常應用。

3.3 應用范圍

在電氣控制系統中應用現場總線，要求現場總線技術具有較高的控制保護系統。鍋爐安全監控系統、緊急跳閘系統、數字電液控制系統以及旁路控制系統等影響主機安全運行和保護系統，不納入現場總線范圍。現場總線主要包括：（1）開關量儀表，液位開關、壓力開關等可使用遠程I/O技術，納入現場總線。（2）非重要回路的氣動執行機構，納入現場總線;重要回路的執行機構可使用HART+常規硬接線方案納入。（3）非重要回路的電動執行機構，可納入現場總線;重要回路機構采用現場總線+硬接線方式納入[4]。（4）非重要系統的閥門電動裝置納入;重要系統的裝置分為兩部分，正常控制功能由現場總線完成，聯鎖、保護功能由DCS硬接線完成。（5）主機保護/輔助保護和聯鎖信號仍然保留硬接線方案。（6）溫度測點采用遠程I/O方案。（7）測量信號采取現場總線方案。

3.4 配置要求

總線設備網段要根據控制功能和工藝，根據設備功能、分布位置等，進行支路、分支、數量的設計。根據要求設計總線控制柜數量以及位置。DCS至總線柜使用光纖網絡，主站掛接DP網絡控制在10個以內，每網段掛接總線數量應控制在最大數量40%以內，DP網段不需安裝中繼器。用于控制功能的Profibus-PA總線網段，掛接現場總線設備控制在9個之內，每個網段掛接閥門控制在2個以內。用于非控制功能的網段掛接總線設備控制在最大數量50%。Profibus-PA網段長度不應超過1 300 m，Profibus-DP網絡速度不低于500 kB。

3.5 現場總線控制系統結構

控制系統主要包括通信網絡、接口設備以及設備分散處理幾部分。在分散設備上安裝控制器可組態拓展系統，一旦有設備出現故障，不會對系統其他設備運行產生影響，從根本上保證了系統穩定運行。火電廠控制系統根據火電生產工藝流程和總線功能分為緊急跳閘系統、電液調節系統、數據采集系統、安全監控系統、順序調節系統、調節控制系統等幾部分[5]。現場總線智能儀表無控制功能，因此現場總線控制系統根據系統分配劃分，在子系統中完成控制。每臺機組均配置操作人員，保證機組的穩定運行。

3.6 網段設計

火電廠控制系統根據地理位置、系統規模、工藝功能等進行控制系統網段設計，設計質量關系到系統穩定性和系統性能。根據儀表和工藝流程進行網段設計，接地設備均為磨煤機和給煤機連接儀表，在相鄰位置上放置，設備連接在同個網段中。Profibus-DP主站掛接冗余設備，建立DP網絡作為現場總線網絡。風門擋板、煤閘門以及電動執行機構具有冗余通信接口。常規監測設備包括流量、壓力等通信接口，和耦合器接口連接，共同構成通信網絡[6]。

4? 結語

綜上所述，在火電廠控制系統中應用現場總線技術具有投資成本低、應用靈活度高、系統布設分散的優勢。應用現場總線技術接入DCS系統，采取分布式結構采集現場信息，對火電廠生產各個部分進行控制，能夠充分保證各部分穩定運行，密切監控生產故障，降低火電廠生產的成本，更有利于提高火電廠生產的經濟效益，推動電力事業的進步以及發展。

參考文獻

[1] XU L L，SONG C D，LI D Y.Application of Fieldbus Technology in Substation Integrated Automation System[J]. Advances in Higher Education，2020，4（12）：83-85.

[2] 安鳳栓，李曉鵬，丁輝，等.基于現場總線技術的智能電廠設備管理[J].科技和產業，2020，20（11）：211-216.

[3] 李友根.火力發電廠電氣控制系統中現場總線技術的應用及故障排除[J].電子世界，2018（21）：206.

[4] 王棟.基于現場總線技術下的火力發電廠電氣控制系統研究[J].科學技術創新，2018（15）：36-37.

[5] 崔超超，張瑩，沈東生，等.火力發電廠現場總線技術調試難點分析與研究[J].中國電力，2017，50（12）：101-105.

[6] 李然.分布式控制系統在發電廠中的應用研究[D].北京：北京工業大學，2017.