現場總線技術在火電廠的應用

［摘 要］現場總線是自動化系統中的一種將大量現場級設備和操作級設備相連的工業通訊系統。文章論述了現場總線技術的優點，介紹了總線控制系統配置原則，通過對比現場總線方案與常規方案經濟性得出，采用現場總線方案不僅節省了較多費用，同時全面提升了電廠自動化、信息化水平，降低了電廠維護與檢修成本。

［關鍵詞］總線技術；建設方案；經濟性

［中圖分類號］TM76 ［文獻標志碼］A ［文章編號］2095–6487（2024）07–0030–03

1 現場總線概述

傳統集中控制方式一般點對點，即現場設備與控制器之間采用一對一的I/O 接線方式，傳遞開關量信號或模擬量信號（電流/ 電壓信號）。而現場總線是安裝在生產過程區域中的現場設備/ 儀表與自動控制裝置/ 系統之間的一種串行、數字式、多點、雙向通信的數據總線，主要特征是采用數字式通信方式取代設備級的模擬量/ 開關量信號，使用1 根電纜連接所有現場設備，支持的總線協議有Profibus、DeviceNet、AS-i、Foundation Fieldbus、Interbus-S、CANopen、Modbus 等。

2 現場總線的優勢

現場總線方式與傳統控制方法相比，其優勢主要體現在以下幾方面。

（1）具有較高的性價比，系統綜合成本大幅減少。應用現場總線替代繁冗的電纜布線，可使其導線、連接附件的數量大幅減少。后期安裝、調試、維護的費用大幅減少，同時維護和改造停工時間可減少60%～80%。

（2）系統性能大幅提高。可自動診斷、顯示故障位置；診斷內容包括總線節點的通訊故障、電源故障，以及現場裝置和連接件的斷路、短路故障，使設備維護人員可迅速巡檢系統的各種故障位置和狀態。

（3）采用數字信號通訊，有效提高了系統的測量和控制精度。

（4）系統調試更加靈活方便。可根據需要，將系統分為幾部分分別進行調試。在進行復雜故障的排除時，也可將系統分塊進行排查。

（5）主控器可獲取更多的設備信息，更好地滿足控制系統信息集成的要求。

（6）可靠的數據傳輸，快速的傳輸數據響應，具有強大的抗干擾能力。

（7）較多總線節點具備IP67 的防護等級，并具備防水、防塵、抗振動的特性，可直接安裝于工業設備上，大幅減少了現場電纜，使系統美觀而實用。

3 工程建設方案和技術經濟分析

3.1 總線控制系統配置原則現場總線控制系統的優良特性取決于幾個因素：①系統的可靠/ 可用性；②系統的高實時性。

3.1.1 提高現場總線控制系統的可靠/可用性措施

（1）堅持控制器配置按照以工藝為主、功能為輔的原則，即以不同工藝系統分散、相同工藝系統相對集中的思維為原則配置控制器。控制器的配置原則與常規DCS 方案一致。

（2）在冗余技術允許的條件下，遵循總線接口模塊冗余、總線線纜冗余、總線設備接口冗余。

（3）現場總線設備的冗余DP 口，應分別采用獨立的DP 通信模塊，而不是1 個DP 通信模塊的兩個分支接口。

（4）對于技術上不可能冗余的低速總線（如FFH1、PROFIBUS-PA），應保證重要參數對應的現場總線儀表雙冗余甚至三冗余設置。

（5）配置在同一控制器下的并列運行或冗余配置的設備（如引風機A 油站1 號油泵馬達控制器，2 號油泵馬達控制器），應配置在同一控制器下不同的現場總線網段上。

（6）同一個現場網段上不配置兩個重要驅動設備。

（7）冗余設置的總線現場儀表配置在不同的總線網段上。

（8）同一現場總線接口模塊使用的端口數量不超過兩個（立足危險分散原則，兼顧經濟考量）。

3.1.2 保證現場總線控制系統的實時性措施

（1）通過總線模塊可設定通信速率。當前火電廠的單個網段的覆蓋范圍，一般在100～400 m，根據PROFIBUS 通信規范，每個Profibus-DP 總線網段通信速率設定在500k bit/s 最為穩定。

（2） 根據《工業通信網絡– 數據總線規范》IEC61158-2 標準，低速總線Profibus-PA 或FF H1 網段總長度（干線和支路之和）不大于1 900 m。工程上考慮供電損耗、系統擴展性等因素，建議低速總線每個網段的總長度小于1 200 m，網段上每個分支電纜長度不宜超過30 m。

（3）每個PROFIBUS-DP 網段上連接設備數量滿足下列要求：①理論計算滿足實時性要求，且留有至少50%裕度；②對于連續運行的系統（即主熱力系統），每個Profibus-DP 網段連接總線設備數量不多于12個，且同一網段上重要的總線驅動設備不允許超過兩個。③對于非連續運行的系統（即輔助車間熱力系統），每個Profibus-DP 網段連接設備數量不多于16 個。

（4）對于低速總線Profibus-PA 或HH F1，每個網段上連接設備數量滿足下列要求：①理論計算滿足實時性要求，且留有至少50% 裕度；②對于連續運行的系統（即主熱力系統），每個網段連接總線設備數量不多于8 臺，且總線驅動設備的數量原則上不超過兩臺（對于鍋爐二次風門可放寬到4 個），且同一網段僅允許配置有1 個重要的總線驅動設備；③對于非連續運行的系統（即輔助車間熱力系統），每個網段連接總線設備數量不多于12 臺，且總線驅動設備的數量原則上不超過2 臺。

3.2 現場總線控制方式在火電廠輸煤系統中的應用

根據對已經投產的項目的追蹤和工程回訪信息反饋，已投運火電廠采用輸煤系統全現場總線技術或部分現場總線（分布式IO 總線）技術后，輸煤流程控制的協調性和可靠性大幅提高，在輸煤環境較差的情況下，采用高性能的總線產品模塊，有效地減少了控制電纜的用量，有利于輸煤控制系統的運行維護，而且故障查找簡單，大幅提高了生產效率。

3.2.1 現場總線分布式I/O控制方案

輸煤現場總線控制系統（FCS）現場總線分布式I/O 控制方案：輸煤控制系統采用與全廠輔網FCS 系統相同的軟硬件，并作為輔網FCS 的一個子系統。輸煤FCS 主站設置成對的DPU，組柜布置在輸煤智控樓電子設備間，在輸煤控制室設置冗余的FCS 操作員站實現對輸煤系統的控制。該方案采用就地模塊化設計思路，以膠帶機為單位，在每條膠帶機的就地設置1 臺區域智能控制器，布置于各轉運站配電室內，各區域控制器負責采集本條膠帶機沿線所有設備的信號，通過光纖以太網送至輸煤FCS 主站。對于就地傳感器和自帶電控箱的設備，采用分布式I/O 模塊箱分散布置在運煤設備現場，各I/O 模塊箱通過就地硬接線的方式與就地各設備控制箱以及沿線輸煤傳感器進行接口，分布式I/O 模塊箱之間則采用冗余現場總線通訊至對應的膠帶機區域控制器。對于在10 kV 集中段、380 V PC 段及各轉運站MCC 段上通過供電和控制的設備（如10 kV 膠帶機、環式碎煤機、斗輪機、380 V 膠帶機及其制動器等），為了保證控制的可靠性，在配電室設置I/O 單元，以硬接線的方式與開關柜進行接口控制。

輸煤現場總線控制系統（FCS）現場總線分布式I/O 控制方案將380 V 的低壓馬達控制器和智能儀表裝置、10 kV 開關柜、廠家帶控制箱等輸煤系統設備，通過分布式I/O 硬接線或總線通訊的方式接入輸煤控制系統，具有總線通訊和分布式I/O 兩大特點。

根據輸煤工藝流程的特點，沿輸煤膠帶機在各轉運站、碎煤機室、煤倉間等處設置區域網絡控制器、分布式IO 裝置、總線設備。具體配置如下。

（1）在輸煤綜合樓的輸煤電子設備間內設置輸煤FCS 主站DPU 控制器、總線通訊管理機、電源柜；在輸煤綜合樓的10 kV 配電室和380 V 輸煤PC 配電室設置分布式IO 箱，用于接入開關柜上的380 V 和10 kV 輸煤電動機的監控信號。

（2）在1 號轉運站設置1 臺皮帶主控裝置，對應1A 膠帶機，膠帶機沿線的傳感器、除鐵器、活化給煤機、振動煤篦子、電動三通等設備控制箱附近分別設置若干就地分布式I/O 模塊箱，進行就地硬接線信號采集，IO 模塊箱之間通過現場總線串接后接入對應皮帶主控裝置。

（3）在2 號轉運站設置1 臺皮帶主控裝置，對應2A 膠帶機，膠帶機沿線的傳感器、除鐵器、電動三通等設備控制箱附近分別設置若干分布式I/O模塊箱，進行就地硬接線信號采集，IO 模塊箱之間通過現場總線串接后接入對應皮帶主控裝置。

（4）在3 號轉運站設置1 臺皮帶主控裝置，分別對應3A 膠帶機，膠帶機沿線的傳感器、電動三通等設備控制箱附近分別設置若干分布式I/O 模塊箱，進行就地硬接線信號采集，IO 模塊箱之間通過現場總線串接后接入對應皮帶主控裝置。

（5）在4 號轉運站設置4 臺皮帶主控裝置，對應4AB 和5AB 膠帶機，膠帶機沿線的傳感器、電動三通等設備控制箱附近分別設置若干分布式I/O模塊箱，進行就地硬接線信號采集，IO 模塊箱之間通過現場總線串接后接入對應皮帶主控裝置。

（6）在碎煤機室設置兩臺皮帶主控裝置，分別對應6AB 膠帶機，膠帶機沿線的傳感器、碎煤機就地儀表、滾軸篩等設備控制箱附近分別設置若干分布式I/O 模塊箱，進行就地硬接線信號采集，IO 模塊箱之間通過現場總線串接后接入對應皮帶主控裝置。

（7）在5 號轉運站設置兩臺皮帶主控裝置，分別對應7AB 膠帶機，膠帶機沿線的傳感器、皮帶秤、入爐煤取樣裝置等設備控制箱附近分別設置若干分布式I/O 模塊箱，進行就地硬接線信號采集，IO 模塊箱之間通過現場總線串接后接入對應皮帶主控裝置。

（8）在煤倉間轉運站設置5 臺皮帶主控裝置，分別對應8AB 和9ABC 膠帶機，膠帶機沿線的傳感器、犁煤器、除塵器、微霧抑塵裝置等設備控制箱附近分別設置若干分布式I/O 模塊箱，進行就地硬接線信號采集，IO 模塊箱之間通過現場總線串接后接入對應皮帶主控裝置。

（9）在主廠房公用PC 配電間設置1 臺總線通訊管理機與公用PC 段上的膠帶機馬達控制器進行分布式IO 控制。

3.2.2 現場總線方案與常規火電控制造價比較

輸煤采用現場總線控制方案，控制電纜比常規方案可減少約90 km，由于總線分布式I/O 模塊箱布置在就地，所有就地電控箱設備、皮帶傳感器都就近接入，只用適當增加少量的設備總線模塊控制、光電轉換器等接口設備即可，減少了現場電纜敷設的工作量以及電纜通道數量，降低了施工難度，其經濟效顯著。

為了便于進行經濟對比，投資估算僅針對輸煤控制系統的設備造價進行比較，主要設備價格參照如下原則。

（1）I/O 模塊。硬接線總點數以2 081 點考慮，按照DCS 硬件500 元/ 點統計，DCS 硬件或現場總線智能控制器均選擇國產優質產品。

（2）控制電纜及現場總線專用電纜。采用當前市場平均價格估算，約20 元/m，不包含安裝費用以及電纜構筑物費用。

（3）DPU 采用國產優質廠家，包含就地主站、工程師站、通信管理機、通訊接口裝置等網絡設備及通訊軟件費用。

以某電廠2*1000MW 機組輸煤控制系統各方案為例，控制系統各方案投資概算見表1。

通過表1 對比，現場總線分布式I/O 控制方式總體投資相比方案二要節省約200 萬元，且方案一在技術上更具優勢。

4 結束語

現場總線控制系統是信息技術與控制技術結合的產物，為信息化帶動傳統的火電工業升級提供了有力手段，是構造數字化火電廠的重要組成部分。文章重點論述了現場總線控制系統的技術優勢、建設方案及經濟性分析。現場總線控制技術是未來發展的必然方向，站在行業發展的角度，火力發電廠全范圍使用現場總線系統完全必要且可行。

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