華能荊門熱電廠現(xiàn)場總線技術(shù)控制策略及其應(yīng)用

曹 泉,王 剛

（1.國網(wǎng)湖北省電力公司電力科學(xué)研究院，湖北 武漢 430077；2.國家電投集團(tuán)河南電力有限公司技術(shù)信息中心，河南 鄭州 450000）

0 引言

現(xiàn)場總線技術(shù)（FCS）是近年來迅速發(fā)展起來的一種控制設(shè)備，F(xiàn)CS是控制系統(tǒng)新的發(fā)展方向，它主要解決工業(yè)現(xiàn)場的智能化儀器儀表、控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等現(xiàn)場設(shè)備間的數(shù)字通信以及這些現(xiàn)場控制設(shè)備和高級控制系統(tǒng)之間的信息傳遞問題。FCS的主要特征是開放、全數(shù)字化和雙向、多站的通信網(wǎng)絡(luò)與多功能的智能化現(xiàn)場數(shù)字儀表。FCS使自動控制系統(tǒng)的效能產(chǎn)生巨大的飛躍，同時降低施工、調(diào)試、運(yùn)行、維護(hù)和系統(tǒng)擴(kuò)展等方面的綜合費(fèi)用，它既是一個開放的通信網(wǎng)絡(luò)，又是一個全分布式的控制系統(tǒng)，由于現(xiàn)場總線簡單、可靠、經(jīng)濟(jì)實(shí)用等一系列突出的優(yōu)點(diǎn)，因而在控制領(lǐng)域得到迅速應(yīng)用[1-3]。

華能荊門熱電廠建設(shè)兩臺350 MW超臨界熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組，現(xiàn)場總線系統(tǒng)采用常規(guī)的DCS系統(tǒng)DPU+總線I/O卡的構(gòu)架，將現(xiàn)場智能總線設(shè)備分別納入主機(jī)DCS網(wǎng)絡(luò)和輔網(wǎng)PLC網(wǎng)絡(luò)，與其它電廠相比，荊門熱電廠在全廠范圍內(nèi)采用現(xiàn)場總線技術(shù)控制，在單元控制室實(shí)現(xiàn)對機(jī)、爐、電、網(wǎng)控、輔助系統(tǒng)的監(jiān)控，連成一個現(xiàn)場總線技術(shù)控制網(wǎng)絡(luò)覆蓋到全廠，現(xiàn)場總線技術(shù)應(yīng)用在規(guī)模和深度上首屈一指，而大部分電廠只在個別輔助車間應(yīng)用現(xiàn)場總線控制。現(xiàn)場總線技術(shù)的應(yīng)用，不僅節(jié)省了硬件數(shù)量與安裝費(fèi)用，而且系統(tǒng)的維護(hù)開銷也大大地降低?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)不僅精確度與可靠性高，在使用方便和維護(hù)性方面也優(yōu)勢明顯。機(jī)組投產(chǎn)后，總線控制系統(tǒng)運(yùn)行正常，調(diào)節(jié)品質(zhì)優(yōu)良，保證了機(jī)組的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

1 現(xiàn)場總線控制策略

華能荊門熱電廠應(yīng)用的現(xiàn)場總線設(shè)備有兩種：EMERSON的FF總線和西門子的PROFIBUS-DP、PROFIBUS-PA總線。FF總線設(shè)備主要包括Rosemount壓力/差壓變送器、ABB氣動定位器、SIMENS氣動定位器、FISHER氣動定位器、E+H液位計(jì)和Magnetrol液位計(jì)。DP總線設(shè)備主要包括ROTORK、LIMITORQUE、G-TORK、EMG、AUMA、EIM、施耐德和上自儀公司多種型號的電動執(zhí)行器，另外還有深圳中電公司中電550系列馬達(dá)保護(hù)和中電630系列電氣儀表等，PA總線主要應(yīng)用于化學(xué)制水車間。

華能荊門熱電廠現(xiàn)場總線控制策略設(shè)計(jì)如下：

1）壓力/差壓儀表原則上全部納入總線，包括爐膛壓力、省煤器入口流量等重要的保護(hù)測點(diǎn)；

2）除了極個別重要的設(shè)備（如引風(fēng)機(jī)動葉執(zhí)行器），電動執(zhí)行器原則上全部納入總線；不太重要的氣動執(zhí)行器（調(diào)節(jié)型）納入總線，約占?xì)鈩訄?zhí)行器總量的80%；

3）400 V及以下等級100%的電氣開關(guān)全部納入總線，除了極其個別重要的設(shè)備如汽輪機(jī)潤滑油泵外，400 V及以下等級馬達(dá)保護(hù)器原則上全部納入總線；

4）溫度測量需要增加溫變器，開關(guān)型氣動執(zhí)行器需要增加閥島，因涉及費(fèi)用成本和風(fēng)險增加，不納入總線；

5）汽輪機(jī)控制系統(tǒng)（DEH、ETS）和小汽輪機(jī)控制系統(tǒng)（MEH、METS）因隨主設(shè)備廠家成套供貨，不納入總線。

總之，全廠約99%的壓力/差壓儀表、電動執(zhí)行器、400 V及以下等級電氣開關(guān)、約80%的調(diào)節(jié)型氣動執(zhí)行器都納入現(xiàn)場總線系統(tǒng)，具有較高的可靠性和靈活性，系統(tǒng)很容易進(jìn)行重組和擴(kuò)建，且易于維護(hù)。

2 現(xiàn)場總線應(yīng)用過程中的主要問題

2.1 現(xiàn)場總線設(shè)備的設(shè)計(jì)選型

現(xiàn)場總線技術(shù)是現(xiàn)場設(shè)備與控制系統(tǒng)之間數(shù)字式、雙向、多點(diǎn)的基于共同規(guī)約下的通信技術(shù)。因此，控制系統(tǒng)與總線設(shè)備間的通信兼容尤為重要，在工程前期，必須保證總線設(shè)備與DCS或PLC控制系統(tǒng)間的實(shí)驗(yàn)室兼容性測試。同時，即使通過測試，也僅能保證特定型號設(shè)備、特定版本程序與控制系統(tǒng)的兼容性，同一型號設(shè)備的內(nèi)部程序版本的變化，也可能導(dǎo)致通信不能聯(lián)通，因而在總線設(shè)備的儀表和執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)選型時必須十分小心，但由于國內(nèi)電廠設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)院和廠家長期形成的習(xí)慣做法，設(shè)計(jì)人員對現(xiàn)場總線技術(shù)概念很少接觸，尤其是在工程進(jìn)度緊迫，主輔機(jī)技術(shù)協(xié)議中沒有約定現(xiàn)場總線技術(shù)應(yīng)用范圍的情況下，造成現(xiàn)場總線設(shè)備配置混亂。

荊門工程設(shè)計(jì)的現(xiàn)場總線涉及六大品牌，幾十種型號，其中西門子應(yīng)用業(yè)績較多，技術(shù)相對成熟。但支持現(xiàn)場總線的智能現(xiàn)場設(shè)備相對常規(guī)儀表來說，還是比較少，特別是針對電廠開發(fā)的現(xiàn)場總線高性能智能現(xiàn)場設(shè)備更少，因前期在EMERSON實(shí)驗(yàn)室內(nèi)測試工作的不充分，導(dǎo)致在現(xiàn)場安裝過程中，發(fā)生一部分設(shè)備規(guī)約不清、通信連接不上、多個設(shè)備廠家技術(shù)人員到現(xiàn)場配合EMERSON公司解決通信的工作，這直接影響到了工程建設(shè)進(jìn)度。另外，有些供貨廠家在設(shè)備采購中對技術(shù)協(xié)議中總線要求視而不見，經(jīng)常出現(xiàn)總線配置非總線設(shè)備(變送器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)）的錯誤，導(dǎo)致信號無法通信、顯示，執(zhí)行機(jī)構(gòu)不能遠(yuǎn)操，運(yùn)行人員被迫就地手操，如1、2號機(jī)組鍋爐的二次風(fēng)擋板直到168試運(yùn)時才能全部遠(yuǎn)操，嚴(yán)重影響了機(jī)組的調(diào)試工作。

因此，在工程設(shè)計(jì)及設(shè)備選型階段，首先要盡早確定控制系統(tǒng)，然后是現(xiàn)場總線設(shè)備選型。其次，在招標(biāo)過程中，要明確要求供貨商將變送器、執(zhí)行器等總線設(shè)備送至控制設(shè)備廠家進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室測試。此項(xiàng)工作最好在DCS和PLC控制系統(tǒng)出廠前完成，以便相關(guān)控制機(jī)柜設(shè)計(jì)和邏輯組態(tài)的開展。未開展前期實(shí)驗(yàn)室測試的設(shè)備，在設(shè)備單體調(diào)試前，務(wù)必盡早聯(lián)系廠家到現(xiàn)場配合調(diào)試，以避免影響分系統(tǒng)及整套啟動調(diào)試的進(jìn)度。最后，盡可能減少現(xiàn)場總線設(shè)備的品牌類型，以便于工程實(shí)施過程中的組織協(xié)調(diào)和機(jī)組投產(chǎn)后運(yùn)行、維護(hù)。

2.2 現(xiàn)場總線設(shè)備的安裝

現(xiàn)場總線技術(shù)是一種數(shù)字通信技術(shù)，總線電纜屬于通信電纜。從荊門工程經(jīng)驗(yàn)來看，信號干擾是總線系統(tǒng)可靠性的一大瓶頸，總線系統(tǒng)的可靠性主要取決于安裝的工藝。雖然現(xiàn)場總線相對常規(guī)設(shè)備的安裝工作量減少，但技術(shù)要求提高，對現(xiàn)場布線和接線的要求高。如通信光纖的熔接、通信電纜的分支連接、現(xiàn)場總線儀表通信接口接線等，有的需要使用專用設(shè)備和工具，有的需要特殊的工藝和方法。這些雖然不難掌握，但與常規(guī)安裝工藝和方法有差別，需要一定的培訓(xùn)。由于本工程1號機(jī)組電建隊(duì)伍第一次大規(guī)模安裝總線設(shè)備，而且工程進(jìn)度緊迫，大部分總線電纜布置和接線未能滿足通信要求，造成在鍋爐吹管階段，相當(dāng)一部分總線測點(diǎn)發(fā)生過因干擾跳變或離線，1號機(jī)組重要保護(hù)信號跳變且易受干擾，嚴(yán)重影響了機(jī)組的安全運(yùn)行。因此，1、2號機(jī)組168試運(yùn)前被迫進(jìn)行大規(guī)模總線電纜現(xiàn)場整改，不僅增加了工作量，而且造成整套啟動工作滯后。

因此，現(xiàn)場總線設(shè)備安裝必須通過嚴(yán)格總線電纜的施工過程管理來予以保障。安裝單位應(yīng)嚴(yán)格按照《電力建設(shè)施工及驗(yàn)收技術(shù)規(guī)范 第5部分熱工自動化DL/T 5190.5—2004》和控制設(shè)備廠家給出的安裝要求施工，特別強(qiáng)調(diào)要避免長距離平行布線，因?yàn)槠叫胁季€會導(dǎo)致空間電容耦合，互相產(chǎn)生影響，干擾信號通信。如高電壓、大電流的動力電纜與低電壓、小電流的通信電纜必須嚴(yán)格分線槽布線，如二者無法分槽布線，需將二者盡量遠(yuǎn)離，同時中間加裝接地的金屬隔板進(jìn)行隔離。另外，建議總線電纜安裝采用單獨(dú)、封閉的槽盒，以增強(qiáng)總線的抗干擾能力。

2.3 現(xiàn)場總線設(shè)備的調(diào)試

在新建工程中，現(xiàn)場總線設(shè)備調(diào)試涉及參建單位較多，且彼此間關(guān)聯(lián)性強(qiáng)，該工作涉及到設(shè)計(jì)單位、DCS廠家、組態(tài)服務(wù)單位、電建單位、調(diào)試單位和各總線設(shè)備廠家。不同于常規(guī)設(shè)備調(diào)試，各單位之間有著規(guī)程上的或約定俗成的工作界面，總線技術(shù)使得設(shè)備調(diào)試的工作內(nèi)容和流程分工有了較大變化，如總線電纜的敷設(shè)與接線質(zhì)量檢查、總線設(shè)備地址編碼設(shè)置、總線信號噪聲測試、設(shè)備通信抗干擾調(diào)試等，這些工作科學(xué)的分工和組織，是整個工程調(diào)試進(jìn)度和調(diào)試質(zhì)量得以保證的關(guān)鍵。特別是在現(xiàn)場總線前期調(diào)試階段，如在總線設(shè)備邏輯組態(tài)時需要詳細(xì)的設(shè)備類型，要求主輔機(jī)設(shè)備供應(yīng)商盡早提供配供的總線設(shè)備具體型號，否則總線組態(tài)的現(xiàn)場工作量會很大，在現(xiàn)場調(diào)試和運(yùn)行時常會遇到困難。上述這一切，需要有一支較強(qiáng)的技術(shù)隊(duì)伍來解決調(diào)試、運(yùn)行中產(chǎn)生的技術(shù)難題，并進(jìn)行總線設(shè)備調(diào)試的協(xié)調(diào)工作。本工程因參建各方對現(xiàn)場總線調(diào)試經(jīng)驗(yàn)不足，前期缺少這樣一支隊(duì)伍，致使總線組態(tài)和調(diào)試舉步維艱，調(diào)試過程中總線設(shè)備的部分缺陷無法及時消除，總線調(diào)試一再拖延。

另外，由于現(xiàn)場總線控制包含許多新的技術(shù)內(nèi)容，組態(tài)參數(shù)很多，不容易掌握，對熱工技術(shù)人員調(diào)試水平和維護(hù)水平也要求很高，但由于工程搶進(jìn)度，調(diào)試人員缺乏現(xiàn)場總線技術(shù)的培訓(xùn)，邊學(xué)習(xí)邊調(diào)試，致使總線設(shè)備的調(diào)試和維護(hù)進(jìn)展緩慢，影響了機(jī)組調(diào)試工作。

為此，在荊門工程中，建設(shè)單位最后委托西安熱工院作為總線調(diào)試的總體負(fù)責(zé)方，負(fù)責(zé)總線設(shè)備招標(biāo)、設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試過程中各個環(huán)節(jié)的技術(shù)支持和組織協(xié)調(diào)，上述問題才得以解決，這一方式在現(xiàn)場總線應(yīng)用的工程中是值得借鑒的。

3 結(jié)語

通過工程建設(shè)過程中對現(xiàn)場總線的整改、優(yōu)化，現(xiàn)場總線系統(tǒng)在華能荊門熱電廠兩臺機(jī)組上運(yùn)行正常。這一結(jié)果表明，現(xiàn)場總線是一項(xiàng)成熟的技術(shù)，完全可以滿足火電機(jī)組安全穩(wěn)定、運(yùn)行的要求，同時也為今后現(xiàn)場總線技術(shù)在其它熱電廠的應(yīng)用提供了切實(shí)的借鑒意義。另一方面，荊門工程在現(xiàn)場總線應(yīng)用方面尚待改進(jìn)的工作和建議如下。

1)現(xiàn)場總線技術(shù)培訓(xùn)

現(xiàn)場總線技術(shù)的應(yīng)用，理論上是熱控技術(shù)人員的勞動強(qiáng)度有所降低，但由于數(shù)字通信不如電壓和電流信號直觀，分析通信故障需要新知識、新裝備，對熱工專業(yè)的技術(shù)要求大大提高了。荊門工程由于種種原因，現(xiàn)場總線技術(shù)的培訓(xùn)一直是薄弱環(huán)節(jié)，為此影響工程的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試和運(yùn)行各個階段，因此有必要加強(qiáng)現(xiàn)場總線技術(shù)的培訓(xùn)，熱工調(diào)試人員通過加強(qiáng)現(xiàn)場總線技術(shù)的學(xué)習(xí)，逐步形成現(xiàn)場總線控制技術(shù)的工程應(yīng)用能力，運(yùn)行和維護(hù)人員通過學(xué)習(xí)現(xiàn)場總線信息管理和診斷軟件，及時了解總線儀表和設(shè)備運(yùn)行狀況，通過診斷數(shù)據(jù)，提前預(yù)警設(shè)備故障。學(xué)習(xí)的內(nèi)容包括現(xiàn)場總線專用工具和缺陷診斷工具的使用，掌握總線接線工藝等，同時要熟悉多種軟件的使用方法，以適應(yīng)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的運(yùn)行、維護(hù)。

2)現(xiàn)場總線技術(shù)優(yōu)化

出于對總線通信速率考慮和日常維護(hù)方便，荊門工程選擇FF總線連接儀表，DP總線連接執(zhí)行器的整體技術(shù)構(gòu)架，這使得DCS系統(tǒng)模擬量閉環(huán)控制邏輯和聯(lián)鎖邏輯不能從DPU中下放到總線設(shè)備上執(zhí)行，總線只是實(shí)現(xiàn)了I/O信號傳輸?shù)臄?shù)字化，雖然提高了通信信號的精度，但沒有能夠?qū)崿F(xiàn)控制系統(tǒng)風(fēng)險從控制器層次向現(xiàn)場設(shè)備的分散，并且因?yàn)橥豢偩€段上掛接了多個設(shè)備，理論上還集中了控制風(fēng)險。另外，現(xiàn)場總線技術(shù)與目前DCS控制系統(tǒng)相比，最大的優(yōu)勢在于現(xiàn)場總線設(shè)備可以提供豐富的設(shè)備內(nèi)部信息，為電廠投產(chǎn)后的設(shè)備管理、故障診斷、設(shè)備檢修帶來方便，如閥門執(zhí)行器可以提供“行程累計(jì)、行程偏差、閥門特征曲線”，壓力變送器可以輸出“電子故障、傳感器故障、導(dǎo)壓管堵塞”等信息，通過軟件的自動巡檢功能，以實(shí)時報警或報表方式對設(shè)備問題進(jìn)行提醒，可以極大地提高設(shè)備管理水平，從而實(shí)現(xiàn)對熱工設(shè)備的精密點(diǎn)檢和預(yù)防性維修，但目前荊門熱電廠尚未實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場總線設(shè)備的智能化管理，因此有必要對上述問題進(jìn)行完善和優(yōu)化，全面提升電廠的自動化和信息化水平。

3）現(xiàn)場總線技術(shù)應(yīng)用率

相比常規(guī)設(shè)計(jì)，理論上采用現(xiàn)場總線技術(shù)省電纜，減少機(jī)柜，節(jié)約成本，但荊門工程整個控制系統(tǒng)的投資費(fèi)用提高了約20%，原因是DCS廠家合同中因增加了現(xiàn)場總線電纜、光纜、就地總線盒等設(shè)備，導(dǎo)致設(shè)備費(fèi)用增加，而現(xiàn)場總線設(shè)備價格偏高，總線技術(shù)應(yīng)用帶來的電纜節(jié)省、安裝和調(diào)試費(fèi)用降低無法抵消增加的費(fèi)用，荊門工程現(xiàn)場總線技術(shù)的應(yīng)用率已近60%，但仍然體現(xiàn)不出工程造價的優(yōu)勢，不過隨著現(xiàn)場總線技術(shù)的大規(guī)模推廣應(yīng)用，以及應(yīng)用率的提高，相信在不遠(yuǎn)的將來這一問題會得到解決。

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