現(xiàn)場(chǎng)總線控制技術(shù)在火電廠煙氣脫硫工程中的應(yīng)用

張愛(ài)松，鄧濤，吳海權(quán)

（武漢龍凈環(huán)保工程有限公司，湖北 武漢 430200）

當(dāng)下，自動(dòng)控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展日新月異，數(shù)字化時(shí)代早已全面來(lái)臨，在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中采用數(shù)字化控制技術(shù)已成為技術(shù)潮流，基于數(shù)字化的現(xiàn)場(chǎng)總線控制技術(shù)逐步得到大力推廣和應(yīng)用。采用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)構(gòu)建的控制系統(tǒng)即為現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS，fieldbus control system）。目前，現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS）在國(guó)內(nèi)眾多行業(yè)上（如石化行業(yè)）均已有較多應(yīng)用，在火電行業(yè)，雖然整個(gè)電廠普遍采用現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS）的工程不多，但在一些電廠輔助生產(chǎn)車間（如水處理系統(tǒng)、脫硫系統(tǒng)等）也取得了較多成功應(yīng)用業(yè)績(jī)。在華能安源電廠“上大壓小”新建工程（2×660MW超超臨界二次再熱機(jī)組）煙氣脫硫系統(tǒng)中，就主要采用現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS）對(duì)整個(gè)脫硫系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，該工程現(xiàn)已投運(yùn)，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。本文以現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS）在華能安源電廠“上大壓小”新建工程脫硫系統(tǒng)中的實(shí)際應(yīng)用為例，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線控制技術(shù)在火電廠脫硫系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行探討。

1 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)

國(guó)際電工委員會(huì)lEC61158標(biāo)準(zhǔn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線的定義如下：安裝在制造或生產(chǎn)過(guò)程區(qū)域的現(xiàn)場(chǎng)裝置與自動(dòng)控制裝置之間的數(shù)字式、串行、雙向、多點(diǎn)通信的數(shù)據(jù)總線。它是一種工業(yè)數(shù)據(jù)總線，在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中屬于底層數(shù)據(jù)通信，其作用是實(shí)現(xiàn)了以數(shù)字通信的方式替代傳統(tǒng)的4～20mA模擬量信號(hào)或普通開關(guān)量信號(hào)進(jìn)行信號(hào)傳輸，開啟了工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的數(shù)字化時(shí)代。

目前，IEC61158標(biāo)準(zhǔn)第四版中共定義了20種現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)。早期，主要是一些跨國(guó)工業(yè)自動(dòng)化巨頭（如：Emerson、Siemens、ABB、HoneyweIl等）在倡導(dǎo)和推動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的研究起步稍晚，因此目前能夠成套提供現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)設(shè)備的主要是國(guó)外廠家，這些廠家成套提供的控制系統(tǒng)和總線設(shè)備在國(guó)內(nèi)應(yīng)用較為廣泛。國(guó)內(nèi)過(guò)程控制應(yīng)用中最主流的兩種現(xiàn)場(chǎng)總線方案為：基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線FF和ProfiBus總線，通過(guò)逐步引進(jìn)、研究和吸收，國(guó)內(nèi)部分廠商也已可提供符合FF和ProfiBus總線標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品，局部替代進(jìn)口產(chǎn)品，大大降低了工程成本?，F(xiàn)對(duì)這兩種主流現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)簡(jiǎn)要介紹如下。

FF現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)包括低速總線H1和高速以太網(wǎng)總線HSE(High Speed Ethernet)，H1總線用于連接生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的總線設(shè)備，通訊速率為31．25kbps，采用兩線制進(jìn)行信號(hào)傳輸，同時(shí)可向現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備供電，具備本質(zhì)安全特征。HSE總線則面向過(guò)程控制級(jí)、遠(yuǎn)程I/O和高速工廠自動(dòng)化的應(yīng)用，采用100Mbps高速以太網(wǎng)協(xié)議。

ProfiBus現(xiàn)場(chǎng)總線是另外一種主流開放式過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)總線，它包括3種總線協(xié)議型式：ProfiBus-DP、ProfiBus-PA、ProfiBus-FMS。

ProfiBus-DP主要應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備級(jí)控制系統(tǒng)與分散式I/O的通訊，采用RS-485雙絞線電纜和光纜進(jìn)行信號(hào)傳輸，傳輸速率范圍9．6kbps～12Mbps，采用雙絞線時(shí)最大通訊距離可達(dá)1200m，加裝中繼器最大通訊距離可延長(zhǎng)至10km。采用光纖時(shí)其距離則可延長(zhǎng)至幾十公里，同時(shí)通訊速率可達(dá)12Mbps?？偩€上最大站點(diǎn)數(shù)為126個(gè)。ProfiBus-DP總線是應(yīng)用最多、最廣泛的一種ProfiBus總線，因此，實(shí)際使用時(shí)往往習(xí)慣把ProfiBus-DP直接稱為ProfiBus。ProfiBus-DP在其技術(shù)發(fā)展過(guò)程中先后經(jīng)歷了DP V0、DP V1和DP V2三個(gè)版本：DP V0 提供了ProfiBus-DP的基本功能，DP V1 對(duì)ProfiBus-DP的功能進(jìn)行了擴(kuò)展，支持非周期性的數(shù)據(jù)交換，是對(duì)DP V0基本功能的補(bǔ)充，且與DP V0兼容，在過(guò)程控制場(chǎng)合，DP V1應(yīng)用最為普遍。DP V2則根據(jù)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的需求而增加了其他相應(yīng)功能。

ProfiBus-PA用于滿足ProfiBus總線在過(guò)程自動(dòng)化方面的應(yīng)用，其功能與FF H1總線類似，采用雙絞線傳輸信號(hào)，傳輸率為31．25kbps，距離可達(dá)1900m，每段最多32個(gè)站點(diǎn)，提供本質(zhì)安全和總線供電特性，同樣特別適用于有防爆要求、通訊速度要求低的過(guò)程應(yīng)用場(chǎng)合。PA總線需要通過(guò)DP/PA耦合器與上層的DP總線相連。相比較而言，國(guó)內(nèi)采用FF H1總線更為普遍。

表1

表2

ProfiBus-FMS定義了主站與從站之間的通訊，主要用于解決車間監(jiān)控級(jí)的通信，隨著工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，ProfiBus-FMS已基本被高速工業(yè)以太網(wǎng)替代，很少再使用。

2 華能安源電廠“上大壓小”新建工程煙氣脫硫FCS控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用

華能安源電廠“上大壓小”新建工程采用全廠DCS主、輔一體化的設(shè)計(jì)方案，主、輔機(jī)控制系統(tǒng)均采用Emerson公司的Ovation控制系統(tǒng)。脫硫控制系統(tǒng)按照功能分散和物理分散相結(jié)合的原則，將其控制范圍劃分為單元機(jī)組脫硫控制系統(tǒng)和脫硫公用輔助控制系統(tǒng)，單元機(jī)組脫硫控制系統(tǒng)作為子系統(tǒng)納入相應(yīng)主機(jī)DCS控制網(wǎng)絡(luò)，脫硫公用輔助控制系統(tǒng)則納入機(jī)組公用DCS網(wǎng)絡(luò)，從而實(shí)現(xiàn)在機(jī)組集中控制室對(duì)脫硫系統(tǒng)進(jìn)行集中監(jiān)控。

本工程脫硫車間監(jiān)控盡量推行現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，除設(shè)備廠家成套就地控制箱柜、6kV重要轉(zhuǎn)機(jī)設(shè)備以及少部分遠(yuǎn)傳儀表（PH分析儀表、氣體成分分析儀表、科氏力密度計(jì)和熱電阻）與DCS系統(tǒng)通訊采用常規(guī)硬接線外，其余遠(yuǎn)傳過(guò)程連續(xù)測(cè)量?jī)x表均配置現(xiàn)場(chǎng)總線接口，離散量設(shè)備如電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和380V電動(dòng)機(jī)設(shè)備也采用現(xiàn)場(chǎng)總線控制，總線接口型式分別選用Ovation FCS系統(tǒng)中應(yīng)用最成熟和廣泛的FF H1總線和ProfiBus-DP總線(DP V1版本)。

本工程脫硫DCS系統(tǒng)常規(guī)硬接線實(shí)際IO測(cè)點(diǎn)數(shù)量和總線儀表設(shè)備數(shù)量分別統(tǒng)計(jì)如下（表1和表2）。

本工程脫硫DCS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)配置示意圖如下（圖1）。

圖1

（上層車間級(jí)為HSE高速總線，現(xiàn)場(chǎng)級(jí)為FF H1總線和ProfiBus-DP總線）。

根據(jù)脫硫工藝系統(tǒng)劃分和現(xiàn)場(chǎng)總線儀表設(shè)備物理位置布置的具體情況，按照表2統(tǒng)計(jì)的現(xiàn)場(chǎng)總線儀表設(shè)備數(shù)量，對(duì)脫硫DCS系統(tǒng)中現(xiàn)場(chǎng)總線接口模塊配置如下。

＃1機(jī)脫硫DCS配置5塊ProfiBus-DP總線接口模塊+4塊FF總線接口模塊。

＃2機(jī)脫硫DCS配置5塊ProfiBus-DP總線接口模塊+4塊FF總線接口模塊。

脫硫公用輔助系統(tǒng)DCS配置9塊ProfiBus-DP總線接口模塊+4塊FF總線接口模塊。

每塊ProfiBus-DP和FF總線接口模塊各包括兩個(gè)通訊端口，即單元機(jī)組脫硫DCS共配置10段ProfiBus-DP總線網(wǎng)段和8段FF總線網(wǎng)段，每段ProfiBus-DP總線掛接設(shè)備平均約11臺(tái)，最多為14臺(tái)，每段FF總線掛接設(shè)備平均約4臺(tái)，最多為5臺(tái)；脫硫公用輔助系統(tǒng)DCS共配置18段ProfiBus-DP總線網(wǎng)段和8段FF總線網(wǎng)段，每段ProfiBus-DP總線掛接設(shè)備平均約8臺(tái)，最多為12臺(tái)，每段FF總線掛接設(shè)備平均約4臺(tái)，最多為6臺(tái)。此總線網(wǎng)段分配方案充分保證了總線上數(shù)據(jù)通訊的負(fù)荷裕量，后期工藝系統(tǒng)若需要增加少量總線儀表設(shè)備，可以很方便地在既有總線網(wǎng)段上進(jìn)行擴(kuò)展。

總線網(wǎng)段分配完成后，總線電纜敷設(shè)施工時(shí)嚴(yán)格按照作業(yè)要求進(jìn)行，一段總線安裝完成后，參與安裝調(diào)試的各方共同對(duì)網(wǎng)段進(jìn)行驗(yàn)收并填寫驗(yàn)收記錄單，網(wǎng)段通過(guò)驗(yàn)收后即可進(jìn)行上電調(diào)試工作。

華能安源電廠2臺(tái)機(jī)組脫硫分別于2015年6月和8月完成系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，并隨主體工程同步投運(yùn)，DCS系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的成功應(yīng)用。

3 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

通過(guò)華能安源電廠“上大壓小”新建工程煙氣脫硫FCS控制系統(tǒng)的成功應(yīng)用，印證了現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)具有以下明顯優(yōu)勢(shì)。

（1）首先是電纜的大量節(jié)省。按照上表2統(tǒng)計(jì)的總線儀表設(shè)備數(shù)量，若采用常規(guī)硬接線通訊，開關(guān)量控制電纜和模擬量計(jì)算機(jī)共需要778根，而采用總線通訊方式，只需要62根主干總線電纜，電纜量的節(jié)省很大。

（2）其次是施工量的節(jié)省。電纜根數(shù)大幅減少，相應(yīng)的橋架施工（總線電纜的敷設(shè)只需要采用小槽盒，與常規(guī)硬接線需要搭設(shè)橋架主通道相比，無(wú)疑是更為方便和靈活）、電纜敷設(shè)、接線、查線等施工量也隨之大量縮減，節(jié)省了施工費(fèi)用，利于縮短工期。

（3）DCS卡件和機(jī)柜的節(jié)省。本脫硫系統(tǒng)采用總線方案共配置19塊ProfiBus-DP總線接口模塊和12塊FF總線接口模塊，這部分總線儀表設(shè)備若采用常規(guī)配置，初步預(yù)估所需IO卡件數(shù)量如下（考慮15%的備用通道）：DI卡76塊、DO卡48塊、AI卡15塊，可以看出總線方案卡件數(shù)量大為減少，由此也帶來(lái)了機(jī)柜和機(jī)柜土建安裝空間的節(jié)省。

（4）現(xiàn)場(chǎng)總線儀表設(shè)備信息采用數(shù)字方式傳輸，信號(hào)抗干擾能力及其精度大大提高。

（5）編程組態(tài)更加方便，標(biāo)定簡(jiǎn)單，在控制室內(nèi)可以監(jiān)視到現(xiàn)場(chǎng)總線儀表設(shè)備豐富的工作狀態(tài)信息，其預(yù)診斷和報(bào)警功能使現(xiàn)場(chǎng)儀表設(shè)備的維護(hù)變得輕松簡(jiǎn)單。

4 現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)計(jì)、施工過(guò)程中的問(wèn)題

現(xiàn)場(chǎng)總線在華能安源脫硫項(xiàng)目設(shè)計(jì)、施工過(guò)程中出現(xiàn)的一些問(wèn)題總結(jié)如下幾點(diǎn)。

（1）總線標(biāo)準(zhǔn)過(guò)多，不同總線標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備不能互換，給使用造成不便；即便是相同的總線標(biāo)準(zhǔn)，特別是國(guó)產(chǎn)總線儀表設(shè)備，因廠家驅(qū)動(dòng)文件（GSD、EDD等）原因在與DCS系統(tǒng)通訊時(shí)仍然可能出現(xiàn)兼容性問(wèn)題導(dǎo)致不能正常通訊，為避免出現(xiàn)這種情況影響工程進(jìn)度，在控制系統(tǒng)和總線儀表設(shè)備選定后，需要廠家提前將儀表設(shè)備樣品送至控制系統(tǒng)廠家Emerson公司進(jìn)行通訊測(cè)試，通訊正常后方可批量生產(chǎn)和供貨。為保證通訊的長(zhǎng)期穩(wěn)定、可靠，本工程設(shè)計(jì)過(guò)程中較多選用了與Emerson公司DCS系統(tǒng)配套成熟的進(jìn)口總線儀表設(shè)備，總線儀表設(shè)備的投資成本相對(duì)較高。

（2）場(chǎng)總線的傳輸速率較低，脫硫系統(tǒng)的重要設(shè)備（如6kV高壓設(shè)備）及其聯(lián)鎖保護(hù)信號(hào)還是需要采用常規(guī)硬接線。同時(shí)在本工程設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)總線信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定性有一定擔(dān)憂，對(duì)于部分總線儀表設(shè)備在DCS機(jī)柜內(nèi)還是預(yù)留了常規(guī)硬接線IO點(diǎn)，事實(shí)證明還是造成了一定浪費(fèi)。

（3）總線電纜的敷設(shè)施工及接線對(duì)施工人員要求較高，在調(diào)試過(guò)程中出現(xiàn)很多因施工問(wèn)題導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)通訊故障，因此需要嚴(yán)格按照作業(yè)文件要求有序施工，如總線電纜宜單獨(dú)設(shè)置槽盒、電纜不能過(guò)于繃緊導(dǎo)致線芯變形、電纜應(yīng)與動(dòng)力電纜特別是高壓電纜保持適當(dāng)距離、電纜屏蔽層及總線儀表外殼的可靠接地等。

5 結(jié)語(yǔ)

華能安源電廠“上大壓小”新建工程煙氣脫硫系統(tǒng)在設(shè)計(jì)、建設(shè)過(guò)程中順應(yīng)技術(shù)潮流，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)進(jìn)行了積極探索和應(yīng)用，系統(tǒng)投運(yùn)至今，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，大大提高了電廠的自動(dòng)化控制水平，促進(jìn)了電廠的數(shù)字化和信息化建設(shè)，是現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在火力發(fā)電行業(yè)的又一次成功應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1]陽(yáng)憲惠．現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)及其應(yīng)用2版[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2008，10．