現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)在熱電廠(chǎng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用

陳曉霞 林鋒

摘要：現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)是近年來(lái)迅速發(fā)展起來(lái)的一種數(shù)據(jù)總線(xiàn)，它主要解決工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的智能化儀器儀表、控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備間的數(shù)字通信以及這些現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備和高級(jí)控制系統(tǒng)之間的信息傳遞問(wèn)題?，F(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)具有控制分散更徹底、故障較分散、系統(tǒng)徹底開(kāi)放、經(jīng)濟(jì)效益顯著等優(yōu)點(diǎn)。本文通過(guò)將PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)與熱電廠(chǎng)分散控制系統(tǒng)DCS相結(jié)合，將現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備信號(hào)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)傳輸至集控室，有效減輕運(yùn)行人員和檢修維護(hù)人員工作量。

關(guān)鍵詞：現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn);熱電廠(chǎng);控制系統(tǒng);應(yīng)用

1、前言

隨著數(shù)字技術(shù)的迅速發(fā)展，現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種工業(yè)數(shù)據(jù)總線(xiàn)，可通過(guò)覆蓋工廠(chǎng)設(shè)備的強(qiáng)大網(wǎng)絡(luò)獲取大量數(shù)據(jù)滿(mǎn)足生產(chǎn)需要?，F(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)采用數(shù)字式雙向傳輸通信方式連接智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和控制系統(tǒng)，可以連接具有現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)通信能力的智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備完成數(shù)據(jù)采集與運(yùn)算，并把這些信息通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)傳輸?shù)郊锌刂剖业牟僮鲉T站上，運(yùn)行人員通過(guò)操作員站查看各輔助控制系統(tǒng)的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和控制就地設(shè)備。

2、現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制的設(shè)計(jì)方案

2.1總體設(shè)計(jì)

某熱電廠(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)一級(jí)全面采用PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)，但是信號(hào)運(yùn)算和邏輯控制的完成依然采用硬接線(xiàn)方式，，特別是涉及機(jī)組安全運(yùn)行的重要保護(hù)和控制回路依舊采用較為常規(guī)的硬接線(xiàn)方式。

2.2現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議的選擇

（1）前電力行業(yè)應(yīng)用較多的總線(xiàn)協(xié)議為：基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)（FF）、Profibus、HART、Devicenet、ASI、CAN、Modbus等。

（2）在這些標(biāo)準(zhǔn)中，比較適用于過(guò)程控制的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)是：FF（Foundation Fieldbus）和Profibus-DP/PA這兩種主流現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)。主要原因有：

l這兩種總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的開(kāi)發(fā)基礎(chǔ)是分散控制系統(tǒng)（DCS）和可編程控制器（PLC），基本上是針對(duì)流程工業(yè)開(kāi)發(fā)的，在國(guó)內(nèi)外的石油、化工及電力上有最廣泛的應(yīng)用;

l這兩種總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的配套產(chǎn)品比較齊全，國(guó)際上主要的儀表和控制設(shè)備供貨商都有相應(yīng)的系統(tǒng)產(chǎn)品支持;

l在國(guó)外已經(jīng)投入運(yùn)行的大范圍采用現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的火力發(fā)電廠(chǎng)中，幾乎全部采用了這兩種標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)鍋爐和汽輪機(jī)熱力系統(tǒng)這種復(fù)雜工藝工程控制的可靠性和實(shí)時(shí)性的應(yīng)用已經(jīng)比較成熟。

2.3（3）不同的DCS廠(chǎng)家隸屬于不同的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議陣營(yíng)，本文選用一種分散控制系統(tǒng)（DCS），在設(shè)備控制方面主要采用Profibus-DP協(xié)議，在過(guò)程儀表方面主要采用Profibus-PA協(xié)議。

采用現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)納入DCS監(jiān)控的儀表和控制設(shè)備，其通訊協(xié)議選取的基本原則如下：

1）壓力變送器、差壓變送器——一般采用Profibus-PA協(xié)議，重要控制信號(hào)的變送器采用4-20mA + HART協(xié)議

2）雷達(dá)、超聲波液位變送器——采用Profibus-PA協(xié)議

3）電磁流量計(jì)——220VAC供電，采用非冗余Profibus-DP協(xié)議

4）分析儀表——220VAC供電，采用非冗余Profibus-DP協(xié)議

5）溫度信號(hào)，均采用熱電阻或熱電偶毫伏信號(hào)，硬接線(xiàn)。

6）電動(dòng)閥門(mén)執(zhí)行器——采用冗余Profibus-DP V1協(xié)議

7）氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥——一般采用Profibus-PA協(xié)議，重要控制回路的調(diào)節(jié)閥采用4-20mA + HART協(xié)議

8）馬達(dá)控制器——采用Profibus-DP V1協(xié)議

2.3現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的應(yīng)用范圍及原則

2.3.1現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)應(yīng)用的主要原則如下：

（1）影響機(jī)組安全運(yùn)行的主機(jī)和主要輔機(jī)的控制和保護(hù)不納入現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)，如：

l 鍋爐保護(hù)系統(tǒng)（FSS）

l 汽機(jī)數(shù)字電液控制系統(tǒng)（DEH）

l 汽輪機(jī)緊急跳閘系統(tǒng)（ETS）

l 事故順序記錄（SOE）

（2）用于聯(lián)鎖保護(hù)的開(kāi)關(guān)型氣動(dòng)閥門(mén)、電磁閥，不納入現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn);

（3）用于重要保護(hù)連鎖的開(kāi)關(guān)量?jī)x表，如壓力開(kāi)關(guān)、液位開(kāi)關(guān)、溫度開(kāi)關(guān)等不納入現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn);

（4）對(duì)于調(diào)節(jié)型氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)：用于非重要調(diào)節(jié)回路的，納入現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn);用于重要回路的，采用常規(guī)4-20mA電流信號(hào)+HART通信協(xié)議方式;保護(hù)功能通過(guò)DCS硬接線(xiàn)完成;

（5）對(duì)于調(diào)節(jié)型電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，用于非重要調(diào)節(jié)回路的，納入現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)，用于重要回路的，采用硬接線(xiàn)方式;

（6）對(duì)于開(kāi)關(guān)型閥門(mén)電動(dòng)裝置，原則上納入現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn);用于重要系統(tǒng)的，采用硬接線(xiàn)方式;

（7）主機(jī)/輔機(jī)重要聯(lián)鎖信號(hào)保留硬接線(xiàn);

（8）380V電動(dòng)機(jī)采用現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)（重要對(duì)象采用硬接線(xiàn)），6kV電動(dòng)機(jī)不納入現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn);

（9）主機(jī)/輔機(jī)的溫度測(cè)點(diǎn)，采用遠(yuǎn)程I/O;

（10）僅用于監(jiān)視的測(cè)量信號(hào)，采用現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn);

（11）閉環(huán)控制功能和功能組順序控制邏輯在控制器中完成;

2.3.2主廠(chǎng)房?jī)?nèi)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的應(yīng)用范圍主要包括：

（1）汽輪機(jī)及熱力系統(tǒng)

（2）鍋爐及鍋爐吹灰系統(tǒng)

（3）脫硝系統(tǒng)

（4）脫硫系統(tǒng)

（5）除渣系統(tǒng)

2.4現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

2.4.1 Profibus PA 現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)段設(shè)計(jì)應(yīng)采用樹(shù)型、分支或組合拓樸結(jié)構(gòu);PROFIBUS DP采用雙冗余網(wǎng)絡(luò)。

2.4.2 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)工藝流程的控制特點(diǎn)，合理配置總線(xiàn)網(wǎng)段數(shù)量和掛接的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備數(shù)量，以確保任何一條總線(xiàn)故障時(shí)，只產(chǎn)生工藝系統(tǒng)的局部故障，不會(huì)造成整個(gè)系統(tǒng)停運(yùn)，并將這一影響限制在最小。網(wǎng)段設(shè)計(jì)的具體要求如下：

（1）冗余設(shè)置的現(xiàn)場(chǎng)儀表應(yīng)接入不同網(wǎng)段;

（2）工藝上并列運(yùn)行或冗余配置的設(shè)備，其相關(guān)驅(qū)動(dòng)裝置應(yīng)連接在不同的網(wǎng)段上;

（3）控制閥門(mén)和其旁路閥門(mén)（如有）應(yīng)連接到不同的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)段;

（4）控制邏輯相關(guān)（同一控制回路中）的儀表和控制對(duì)象原則上掛接在同一總線(xiàn)網(wǎng)段上;

（5）同一工藝系統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)馬達(dá)控制器和電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)原則上一般連接在同一DP總線(xiàn)上，如MCC集中布置且距離電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)距離較遠(yuǎn)時(shí)，馬達(dá)控制器單獨(dú)劃分DP網(wǎng)段。

3、現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)設(shè)備的安裝

現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)是一種數(shù)字通信技術(shù)，總線(xiàn)電纜屬于通信電纜。從工程經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，信號(hào)干擾是總線(xiàn)系統(tǒng)可靠性的一大瓶頸，總線(xiàn)系統(tǒng)的可靠性主要取決于安裝的工藝。雖然現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)相對(duì)常規(guī)設(shè)備的安裝工作量減少，但技術(shù)要求提高，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)布線(xiàn)和接線(xiàn)的要求高。如通信光纖的熔接、通信電纜的分支連接、現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)儀表通信接口接線(xiàn)等，有的需要使用專(zhuān)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)。某工程1號(hào)機(jī)組電建隊(duì)伍第一次大規(guī)模安裝總線(xiàn)設(shè)備，而且工程進(jìn)度緊迫，大部分總線(xiàn)電纜布置和接線(xiàn)未能滿(mǎn)足通信要求，造成在鍋爐吹管階段，相當(dāng)一部分總線(xiàn)測(cè)點(diǎn)發(fā)生過(guò)因干擾跳變或離線(xiàn)，1號(hào)機(jī)組重要保護(hù)信號(hào)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(hào)機(jī)組168試運(yùn)前被迫進(jìn)行大規(guī)模總線(xiàn)電纜現(xiàn)場(chǎng)整改，不僅增加了工作量，而且造成整套啟動(dòng)工作滯后。

4、結(jié)語(yǔ)

自動(dòng)化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化趨勢(shì)越來(lái)越明顯，現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)是通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)交融發(fā)展的結(jié)合，代表著數(shù)字化火電廠(chǎng)的發(fā)展方向，現(xiàn)在已經(jīng)廣泛運(yùn)用于各大中型電廠(chǎng)輔助控制系統(tǒng)和部分主控系統(tǒng)。然而鑒于現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的結(jié)構(gòu)和分散特點(diǎn)，全廠(chǎng)采用該技術(shù)較少，而是大多數(shù)都應(yīng)用在化學(xué)水處理、輸煤程控等輔控系統(tǒng)，伴隨網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展和元器件的更新，特別是結(jié)合高速以太網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，在全廠(chǎng)范圍內(nèi)采用現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)將變得更加實(shí)際可行?，F(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)尤其在分散更徹底方面更為突出，總線(xiàn)技術(shù)將會(huì)被更多電廠(chǎng)所采用。

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