垃圾發電項目中現場總線控制技術應用步驟及設計探討

摘 要：在當今環保發電工程領域，現場總線技術正展現出強大的影響力和應用價值。該文通過研究和詳細闡述，介紹現場總線技術在環保發電工程中的具體應用步驟，并系統性地總結相關的設計經驗，旨在為環保發電項目推廣應用現場總線技術提供助力。

關鍵詞：垃圾發電;環保發電工程;現場總線;應用步驟;總線設計

中圖分類號：X773 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）34-0188-04

Abstract： In today's field of environmentally friendly power generation engineering， fieldbus technology is showing strong influence and application value. Through research and detailed explanation， this paper introduces the specific application steps of fieldbus technology in environmentally friendly power generation projects， and systematically summarizes relevant design experience. The purpose is to provide assistance to the promotion and application of fieldbus technology in environmentally friendly power generation projects.

Keywords： waste-to-energy power generation; environmentally friendly power generation engineering; fieldbus; application steps; bus design

垃圾發電市場也隨著市場的逐步飽和競爭日趨激烈，隨著我國環保指標要求的不斷提高，在垃圾焚燒發電項目中，先進的控制技術對于確保系統穩定運行、提高生產效率至關重要，目前發展數字化智慧電廠將成為各環保企業的迫切需求。筆者從事垃圾焚燒發電項目15年有余，曾經參與了國內十多個大中型垃圾發電項目工程設計及安裝調試實施工作。對現場總線技術設計實施經驗進行有益的總結探討，旨在為該領域的技術推進和工程實踐提供參考。

1 現場總線技術優勢

提高了系統的準確性與可靠性;縮短安裝和調試工期;快速診斷和處理故障，減少工作量;促進全廠信息化水平提高;總線技術推廣是自動化技術普及和行業發展趨勢。

2 現場總線技術缺點

建設期設備購置成本相對會有增加，但在設備生命全周期管理中是有利的;對自控維護人員技術水平要求相對提高。

3 總線工程應用步驟及設計實施原則

本文以垃圾焚燒發電項目為例，重點介紹現場總線技術在垃圾發電工程中推廣應用流程，具體實施中主要有以下步驟。

3.1 總線技術需求分析

對現場總線全廠總線設計進行總規劃。首先要明確垃圾焚燒發電項目的工藝控制要求、確立控制目標和工藝功能需求。確定需要監控和控制的設備及參數。

3.2 總線類型的選擇

統一考慮總線的傳輸速率、可擴展性、抗干擾能力等特性，根據項目規模、經濟性、可操作性等要求合理選擇現場總線類型，如PROFIBUS、FF、MODBUS等協議，目前工業過程控制領域主流的Profibus現場總線協議和FF現場總線協議最廣泛。

3.3 總線配置原則

確立了采用現場總線，兼顧垃圾焚燒發電機組控制要求和特點，采用DCS+FCS現場總線方案，配置現場總線設備診斷及設備管理軟件的思路，充分發揮FCS的優越性。將工程風險、技術創新和施工成本統籌考慮，對現場總線系統設備分類后，一般在設備招標時確定以下總線配置原則。

1）用于DAS系統的差壓、壓力、流量、液位和分析儀表等采用具有PROFIBUS-PA 協議接口的智能變送器，全部納入現場總線，重要信號考慮冗余環網配置。

2）電動閥門和電動執行機構、變頻器等均采用支持ProfibusDP協議的總線設備，重要執行機構考慮了冗余配置。

3）380 V馬保與保護單元：包括變頻、電機控制器（選支持Profibus-DP 協議總線設備）納入總線系統。

4）10 kV電機控制與保護單元：高壓電氣測控單元各品牌之前兼容性不好，目前主流品牌通信產品已經成熟，可以選支持PROFIBUS-DP 協議并通過測試的現場總線設備。有顧慮者可以采用傳統方式接入DCS系統。

5）氣動調節閥門，納入現場總線系統，可使用支持ProfibusDP協議的氣動閥門定位器。

6）溫度：溫度變送器使用范圍建議預先進行性價比的對比，酌情優先采用多路溫度變送器。如采用溫變成本過高，則DAS中的鍋爐煙溫集中的部分建議采用DCS溫度采集器，接入現場總線系統，如爐膛溫度需要環保上傳，其他常規溫度仍采用常規方式。

7）對于特殊獨立的系統，汽機DEH＼TSI＼ETS系統采用常規方式實現，SOE硬接線接入DCS系統。

8）不建議使用單一電磁閥進現場總線;多個電磁閥在較集中的區域盡量采用總線閥島來實現。

9）開關量DAS設備（壓力開關、流量開關等）不在現場總線系統范圍內。

10）FCS網絡、設備診斷與管理采用現場總線儀表設備診斷與管理軟件。

11）煙氣處理系統：脫酸塔、除塵器、制漿、SNCR、SCR及干法活性炭等煙氣儀表和閥門、馬保全部考慮均可進入總線系統。

12）焚燒爐控制及燃燒器系統：對于進口焚燒爐控制設備，仍采傳統接線進DCS，如國內爐排系統，和廠商充分溝通，可以考慮儀表進入總線系統。

13）壓縮空氣系統：建議優先采用DP總線形式接入DCS系統;也可根據現場情況采用以太網或其他方式通信接入。

14）化學水系統：設置遠程IO柜在現場，接入DCS系統，除鹽水泵采用支持PROFIBUS-DP協議的馬保接入總線系統。

15）汽水取樣及加藥系統均可以通過DP或PA協議納入現場總線系統。

16）鍋爐吹灰系統：Di和Do點較多，采用遠程IO柜設置在現場，常規I/O模件仍在使用。采用總線形式接入吹灰系統的溫壓流、電動閥門。

17）綜合水泵房設置遠程IO柜在泵房現場，泵房儀表、電動閥門、馬達保護器均納入總線系統。

18）滲濾液系統及有毒可燃氣體有防爆要求的系統，全部采用總線形式接入DCS系統。

19）飛灰固化系統既能接入總線系統，又能直接接入DCS系統，仍采用常規的I/O模件。

3.4 DCS+FCS系統選型

DCS+FCS系統選擇要考慮DCS廠家是否有成熟的現場總線技術，支持的協議PROFIBUS、FF。這包含以下幾方面。

1）DCS廠家有成熟的現場總線解決方案;有成熟穩定的控制器柜到現場設備連接方案。

2）廠家有可靠的現場總線硬件設備，低故障率的總線卡件;現場總線接線盒;可靠的總線通信電纜等，盡量避免有第三方通信轉換設備。

3）DCS廠家有功能強大的現場總線設備管理軟件、方便查詢、響應速度快等優點。

4）廠家具有便捷靈活的現場總線設備測試平臺及現場總線故障解決手段措施等。

5）具有電廠項目復雜工藝系統現場總線網絡設計經驗;具有國內或國外總線實施的應用業績。

3.5 總線設備技術要求

DCS選型后，相應的現場總線協議才能固定。如西門子的T-3000系統、PCS7系統和ABB的AC800XA系統總線協議均為PROFIBUSDP/PA，而艾默生公司的OVATION系統、FOXBORO的I/A系統，其總線協議為PROFIBUS-DP和FF。據了解目前國產主流DCS品牌中控ECS-700、和利時MACSV6、科遠NT6000等系統，均推出支持PROFIBUS DP/PA總線的模塊，給用戶提供了極大的選擇空間。當DCS選型確定后，這時就可以提出相應的現場總線設備（電動閥門、變送器、閥島、馬保裝置和分析儀表等）技術要求，如通信協議、通信接口、工作溫度和防護等級等，在主輔機招標規范書的編寫工作中進行完善。某環保電廠總線設備技術規范中總體要求如下。

1）本項目應用現場總線技術實現數字化電廠控制方案，現場總線設備均要求采用PROFIBUS或FF協議，所有變送器、氣動定位器、電動執行機構均采用PROFIBUS協議或FF協議。所有現場總線設備均需提供現場總線信息表、配置文件（GSD、EDD、FDT、DD、EDDL）等，同時，在設備供貨前，投標方應向控制系統廠家提供相應的設備樣品（送檢電動閥門、儀器儀表），經檢測合格后方可供貨;不符合要求的，由競買人負責免費更換。

2）調節型和開關型電動執行機構都采用智能一體化產品，電動執行機構配置冗余的PROFIBUS DP總線協議接口，按三家產品選型，最終選型由招標方確認。

3）電動執行機構的運行環境溫度為-30～70 ℃，供電的是電壓380 V±10%的三相供電;偏差為50 Hz±5%。包括電動機和接線端子在內的防護等級應為IP65。執行器的電動機絕緣應按F絕緣等級設計，但其溫度大小不會超過B級。選用合適的護罩可保護聯軸器和驅動軸。

4）所有電動執行器，按如下要求配供：限位開關，開方向2NO/2NC;關方向2NO/2NC。力矩開關，開方向1NO/1NC;關方向1NO/1NC。執行機構故障信號，帶手動操作手輪。

5）總線型執行機構應配置具有現場顯示表頭，提供的現場總線連接插頭應根據應用場合選擇適用的保護等級：外接插頭應符合IP67（對于采用M12或Hybrid類型的PROFIBUSDP）的保護等級;用于內連接應符合IP20防護等級（采用 SUB-D類型的PROFIBUSDP）?？偩€型執行機構PROFIBUS DP接口在不影響 DP 網段正常通信的情況下，應滿足DP電纜從接口板上可在線拆卸的要求。

電磁閥采用配置冗余PROFIBUS-DP總線協議接口的現場總線閥島控制。

對于總線智能變送器的主要技術指標如下。

1）變送器符合IEC-61158-2規范，總線通信最大速率31.25 kbit/s，波特率可靈活設置。

2）符合PROFIBUS DP-V0、DP-V1等通信規范。

3）可提供EDD設備描述文件，支持PDM、AMS等多種總線設備管理軟件。可提供GSD文件，支持多種PROFIBUS組態軟件?？商峁〥TM文件，支持基于FDT技術整合。

4）輸出信號：總線型基于profibus PA協議的數字信號;二線制。

3.6 總線設備測試

對不同協議、型號的總線設備進行分類，篩選出有意愿參與項目的廠商，要求廠商在前期提供總線設備樣機，并在DCS實驗平臺上由DCS廠商出具相應的測試報告，配合DCS廠商做現場總線設備兼容測試和總線信息組態，確保項目的成功和實施的順利。工程應用實驗通過的常用設備如下。

1）總線變送器有ROSEMOUNT、EJA、西門子、E+H和ABB。

2）超聲波及雷達物位計：西門子、ABB。

3）總線定位器有西門子、ABB、STI 。

4）總線馬達保護裝置有四方的CSC-299M、金智的 LPC-3531、蘇州萬龍和SIMOCOD。

5）總線執行機構常用有 ROTORK、AUMA、SIPOS、EMG、上儀AI＼MI和萬訊PS。

3.7 總線設備硬、軟件拓撲設計

在設計院IO清冊和設備清冊定稿后，進行總線設備拓撲設計，針對現場總線系統進行聯合設計，根據工程的特點和要求，現場總線網段設計的優劣，是現場總線工程成敗的關鍵環節，因此在現場總線系統配置、網段劃分、安全保護措施等方面要做好深入調研，必須使系統設計可靠、合理。

根據工程設計進度，分別按汽機和鍋爐兩大系統召開多次現場總線設計聯絡會，通過設計聯絡會充分溝通，DCS廠家及設計院逐步完成現場總線DCS系統的硬件設計。對不能精確定位的系統（例如廢水處理）則要求DCS廠家在硬件設計時在控制器柜和總線箱留有擴展網段的空間，以便現場調整。DCS廠家與現場總線工程設計院應密切相互配合，從總線設備選取入手，應綜合考慮系統安全性和必要性，確定被控設備和儀表采用現場總線的方式，在此基礎上選定好總線設備后，按照首先劃分控制器，其次確定通信主站，再次確定通信從站或分支、分配總線地址的設計順序進行網段設計?，F場總線的網段設計需要經歷一個初步設計，再逐步修改完善的過程，總線設計屬于三維設計，需要在主廠房、鍋爐、輔助車間等生產場所，建立起三維立體空間進行設計?，F場總線網段設計是要將在這個控制器下的總線設備在三維物理空間連接起來的過程，可以說現場總線網段設計的好壞，影響到此網段設備的可靠性、通信速率，是整個現場總線工程成功的重中之重。

在總線劃分設計階段，機務的設計也在同時進行，隨著機務設計和設備安裝的任何調整變化，現場總線被控設備和儀表的位置也極有可能會產生變化，這就會引起總線的網段設計產生調整，因此現場總線網段設計是設計、再修改、再設計、再修改的過程，只有到總線電纜敷設接線完畢，現場總線網段設計才算基本結束，同時在此時應由安裝接線人員在總線網段圖中標明每個網段設備之間電纜實際走向和相鄰總線設備間的總線電纜實際敷設長度，以供設計人員進行網段利用率和通信速率的計算，從而保證了網絡的可靠性和通信速率。

3.8 培訓工作

全面系統的專業培訓運行及技術維護人員至關重要。對電廠人員的現場總線培訓工作主要包括：對電廠人員培訓現場總線的知識，熟悉現場總線系統的操作原理、故障診斷和維護方法。測試和組態工程應盡早直接參與進來，電廠人員在工作中加深對現場總線的認識，在現場調試過程中積極參與，因為在調試過程中會出現很多需要解決的問題，鍛煉價值很大，從而為日后移交生產過程打下基礎。熱工人員前期培訓可以在現場總線設備測試時，對不同類型的總線設備測試，可以對現場總線有初步直觀的認識。后期培訓可以在一聯會后，總線拓撲圖開始設計時，針對本項目對熱工人員做培訓，以便在DCS系統出廠時，對設備數量及網段比較熟悉。

3.9 現場安裝、調試工作

現場總線系統的施工方式與常規項目有很大不同，經驗證明，現場調試過程中的大部分問題都是在安裝過程中出現的，對施工單位的強化培訓，可以避免大量無謂的低級別故障。所以對電建接線及調試人員的培訓應提早就開始，重點關注安裝接線過程中容易發生和忽略的各類問題，尤其注意屏蔽和接地。對接線安裝工作要高度重視，才能為后續調試打下好的基礎。調試人員應學會使用BT200、CP5512等調試工具，方便調試時的故障檢測。

4 項目設計建議與注意事項

總線選型要結合項目實際，針對環保發電工程的特定需求和環境特點，不同的總線標準在性能、可靠性、成本等方面存在差異，精心選擇適合的現場總線標準和設備，需要綜合評估和權衡。

確保設備的相容性和互通性，注重系統的兼容性和可擴展性，預留足夠的接口和擴展空間，以適應未來可能的設備更新、功能升級以及與其他相關系統的集成需求。

合理規劃網絡拓撲結構。在總線拓撲結構的規劃方面，需充分考慮系統的復雜性、設備分布以及信號傳輸的要求。合理設計總線分支和節點布局，以確保信號傳輸的高效性和穩定性，避免信號衰減和干擾。

重視系統的抗干擾能力。為了保障系統在復雜電磁環境和惡劣工況下的可靠運行，必須強化抗干擾措施。這包括采用屏蔽電纜、合理布線、安裝濾波器等手段，降低外部干擾對總線通信的影響。

5 結束語

現場總線技術在環保發電工程中的成功應用證明，采用現場總線技術，只要準備充分，合理設計，通過不斷積累和總結設計經驗，進一步優化技術應用和工程設計，能明顯縮短垃圾發電工程中電儀專業的安裝及調試施工工期，早日投產不僅帶來了顯著的經濟效益和環境效益，還為行業的發展提供了新的動力和方向。未來，隨著技術的不斷創新和發展，現場總線技術在環保發電工程中的應用前景將更加廣闊，必將推動環保發電工程向更高水平邁進，為實現全球能源轉型和可持續發展目標作出更大的貢獻。

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作者簡介：牛文臺（1970-），男，電氣工程師，技術管理工程師。研究方向為環保電廠儀表自動化技術管理。