現(xiàn)場總線在發(fā)電廠全廠控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

高玉玲 劉志明

（1.中國電建集團河南省電力勘測設(shè)計院有限公司，河南 鄭州450007；2.河南工程學(xué)院土木工程學(xué)院，河南 鄭州450007）

0 引言

現(xiàn)場總線在火電廠的應(yīng)用正處于從輔助車間局部試點發(fā)展到全廠全面采用的上升階段，其技術(shù)已經(jīng)成熟。周口隆達2X660MW工程機組全廠采用現(xiàn)場總線并順利投產(chǎn)，推進了現(xiàn)場總線在發(fā)電廠全廠的應(yīng)用和研究，進而推動電廠數(shù)字化、信息化、智慧化的進程。

1 現(xiàn)場總線

現(xiàn)場總線的定義：安裝在制造或生產(chǎn)過程區(qū)域的現(xiàn)場裝置與自動控制裝置之間的數(shù)字式、串行、雙向、多點通信的數(shù)據(jù)總線稱為現(xiàn)場總線。

現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS的定義：由現(xiàn)場總線與現(xiàn)場智能設(shè)備組成的控制系統(tǒng)。

現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)也可以說是采用了現(xiàn)場總線技術(shù)的DCS控制系統(tǒng)，因為它可以通過總線協(xié)議實現(xiàn)控制系統(tǒng)與現(xiàn)場智能設(shè)備的雙向數(shù)字通信。

雖然現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)有20種之多，但是目前在國內(nèi)火電廠過程控制領(lǐng)域，具有技術(shù)領(lǐng)先性和較高市場占有率的現(xiàn)場總線也只有兩種：基金會現(xiàn)場總線（Fou ndation Fieldbus，F(xiàn)F）和Profibus（Process Fieldbus）現(xiàn)場總線。這兩種總線各有各的優(yōu)勢，總的來說FF總線比較適用于連續(xù)量控制（取代模擬量4～20 mA），而Profibus總線既適合連續(xù)量控制，也適用于數(shù)字量控制。

FF總線標(biāo)準(zhǔn)包括低速FF-H1和高速FF-HSE兩部分。FF-H1主要面向現(xiàn)場的儀表設(shè)備，總線速率為31.25 Kbps，采用介質(zhì)冗余的雙絞線傳輸，具備二線制總線供電，本質(zhì)安全特征（防爆場合）；而FF-HSE則主要面向遠程I/O、高速工廠自動化、過程控制級等的應(yīng)用，總線速率為100 Mbps，采用高速以太網(wǎng)協(xié)議（HSE），但目前應(yīng)用較少。

Profibus是SIEMENS公司主導(dǎo)推廣的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，它包括Profibus-DP、Profibus-PA、Profibus-FMS三個總線標(biāo)準(zhǔn)族。這三部分標(biāo)準(zhǔn)分別有不同的應(yīng)用領(lǐng)域：Profibus-DP主要用于自動控制系統(tǒng)和設(shè)備級分散的I/O之間進行通信；Profibus-FMS用來解決車間級通用性通信任務(wù)；Profibus-PA則是針對過程自動化而設(shè)計，其物理層與FF-H1類似，都是通訊速率為31.25 Kbps的低速總線，支持總線供電、本質(zhì)安全等特性，但在應(yīng)用層以及數(shù)據(jù)鏈路層，Profibus-PA的完善性比不上FF-H1。另外Profibus-PA在控制周期的確定性、現(xiàn)場設(shè)備診斷維護能力以及數(shù)據(jù)采集等方面也比上FF-H1。在這三個標(biāo)準(zhǔn)中，Profibus-DP在多個行業(yè)應(yīng)用中占有重要的市場份額，在2006年成為中國的國家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 20540-2006）。

2 周口隆達2X660MW工程選取的現(xiàn)場總線

目前國際比較有名氣的DCS品牌均支持現(xiàn)場總線。例如，EMERSON（艾默生）公司的Ovation系統(tǒng)支持的是FF和Profibus-DP現(xiàn)場總線協(xié)議；SIEMENS（西門子）公司的TXP-3000（SPPA一T3000）支持的是Prof ibus-PA和Profibus-DP現(xiàn)場總線協(xié)議；FOXBORO公司的I/A系列支持得是Profibus-PA、Profibus-DP和FF現(xiàn)場總線協(xié)議；ABB公司的Symphony系統(tǒng)支持的是Profibus-DP現(xiàn)場總線協(xié)議。

周口隆達2X660MW工程DCS最終招標(biāo)確定的Emerson公司的Ovation控制系統(tǒng)。如上所述Ovation控制系統(tǒng)支持的是FF和Profibus-DP。

3周口隆達2X660MW機組現(xiàn)場總線的應(yīng)用范圍

統(tǒng)籌兼顧工程風(fēng)險和技術(shù)創(chuàng)新二者的關(guān)系，以求最大綜合效益，采用現(xiàn)場總線時遵循以下原則：

（1）涉及機組安全啟停的專用控制設(shè)備采用常規(guī)DCS控制。爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)（FSSS）、汽機數(shù)字電液控制系統(tǒng)（DEH）、汽機本體緊急跳閘系統(tǒng)（ETS）、給水泵汽輪機數(shù)字電液控制系統(tǒng)（MEH）、給水泵汽輪機本體緊急跳閘系統(tǒng)（METS）及旁路控制系統(tǒng)（BPC）等對機組安全運行至關(guān)重要，其相關(guān)設(shè)備的控制不采用現(xiàn)場總線，仍采用常規(guī)控制方式。

（2）機組重要聯(lián)鎖保護及主要調(diào)節(jié)回路（如爐膛負壓調(diào)節(jié)、總風(fēng)量調(diào)節(jié)、給水調(diào)節(jié)、過熱氣溫調(diào)節(jié)、再熱氣溫調(diào)節(jié)、汽機防進水保護等）對機組安全運行至關(guān)重要，其相關(guān)設(shè)備的控制不采用現(xiàn)場總線，仍采用常規(guī)控制方式。

（3）鑒于目前現(xiàn)場總線還無法滿足電廠機組控制中的快速處理回路的時間（50ms左右）要求，凡要求快速控制檢測的對象以及為安全或快速響應(yīng)而設(shè)置的開關(guān)量信號不納入現(xiàn)場總線系統(tǒng)，如汽輪機監(jiān)測儀表（TSI）、給水泵汽輪機監(jiān)測儀表（MTSI）、高壓給水加熱器三通切換閥、SOE等，采用常規(guī)I/O方式接入DCS。

（4）出于機組安全性要求考慮，所有6kV電動機和涉及機組安全啟停的重要380 V電動機 （如交、直流潤滑油泵、給水泵前置泵等），仍采用常規(guī)I/O方式接入DCS。

（5）對隨主、輔機配套供貨的專用控制裝置（如磨煤機油站電控柜、給煤機電控柜、吹灰動力柜、空預(yù)器間隙調(diào)整、空預(yù)器火災(zāi)報警、膠球清洗裝置等）采用常規(guī)I/O方式接入DCS。

（6）鑒于主廠房內(nèi)電磁閥控制的二位式氣動閥門布置較為分散、多用于系統(tǒng)保護（如磨煤機出口煤粉關(guān)斷門、抽氣逆止閥前疏水門等），且采用現(xiàn)場總線后信息量少，意義不大，故仍然采用常規(guī)I/O方式接入DCS。

（7）鑒于邏輯開關(guān)多用于重要連鎖保護，且采用現(xiàn)場總線后信息量少，意義不大，故所有開關(guān)量儀表不進入現(xiàn)場總線，一般仍采用常規(guī)I/O方式接入DCS。

（8）納入主機DCS控制的輔助車間如循環(huán)水泵房、儀用壓縮空氣系統(tǒng)等因設(shè)備較特殊，一般仍采用常規(guī)I/O方式接入DCS。

（9）其他系統(tǒng)（主廠房及輔助車間系統(tǒng)）的控制和檢測均采用現(xiàn)場總線技術(shù)。

（10）對于未采用現(xiàn)場總線技術(shù)的電/氣動執(zhí)行機構(gòu)、變送器將采用具有HART通訊協(xié)議接口的產(chǎn)品，DCS采用支持HART通訊協(xié)議的I/O模件，以實現(xiàn)智能設(shè)備管理功能，全面提高電廠設(shè)備的管理水平。

（11）為充分發(fā)揮現(xiàn)場總線設(shè)備具有的故障自診斷和網(wǎng)絡(luò)化管理能力，DCS將配套設(shè)置現(xiàn)場總線設(shè)備診斷和管理軟件（每臺機組1套，其點數(shù)不少于工程總線設(shè)備管理需要，包含公用系統(tǒng)點數(shù)）。

（12）調(diào)節(jié)型、開關(guān)型閥門的電動控制裝置采用Prof ibus DP（V1版本）冗余接口類型產(chǎn)品，掛接在Profibus DP總線網(wǎng)段上。

4 周口隆達2X660MW機組現(xiàn)場總線設(shè)備數(shù)量

4.1 單元機組采用現(xiàn)場總線的設(shè)備數(shù)量

周口隆達2X660MW工程根據(jù)上述的現(xiàn)場總線應(yīng)用范圍原則最終確定的單元機組現(xiàn)場總線設(shè)備數(shù)量如表1所示，總線設(shè)備折算成常規(guī)I/O點后約2700點，現(xiàn)場總線應(yīng)用范圍基本覆蓋單元機組各子工藝系統(tǒng)，使用率達到國內(nèi)領(lǐng)先水平。

表1 單元機組現(xiàn)場總線設(shè)備表

4.2 輔助車間現(xiàn)場總線設(shè)備數(shù)量

周口隆達2X660 MW工程輔助車間現(xiàn)場總線應(yīng)用范圍確定在凝結(jié)水精處理系統(tǒng)、化學(xué)水處理系統(tǒng)（包括鍋爐補給水處理系統(tǒng)、工業(yè)廢水處理系統(tǒng)、循環(huán)水處理系統(tǒng)、綜合水泵房系統(tǒng)）、氣力除灰系統(tǒng)采用現(xiàn)場總線技術(shù)。輸煤系統(tǒng)不采用現(xiàn)場總線控制。

輔助車間采用現(xiàn)場總線時遵循以下原則：

（1）75 kW以下泵、風(fēng)機類電動機均采用現(xiàn)場總線技術(shù)。

（2）水、灰車間氣動門多且相對集中，擬采用帶現(xiàn)場總線接口的電磁閥島+帶現(xiàn)場總線接口的DI數(shù)據(jù)采集卡納入輔助車間DCS控制。

（3）對隨工藝設(shè)備配套供貨的控制裝置，如各加藥裝置、澄清池攪拌機、濃縮池刮泥機等擬采用常規(guī)方式接入輔控DCS。

（4）用于安全保護的氣體分析儀表擬采用常規(guī)方式接入輔控DCS。

（5）為充分發(fā)揮現(xiàn)場總線設(shè)備具有的故障自診斷和網(wǎng)絡(luò)化管理能力，輔控網(wǎng)DCS將配套設(shè)置現(xiàn)場總線設(shè)備診斷和管理軟件1套，其點數(shù)不少于本工程輔助車間總線設(shè)備管理需要。

輔助車間現(xiàn)場總線設(shè)備數(shù)量460臺（開關(guān)型氣動門不列入統(tǒng)計，僅統(tǒng)計相應(yīng)電磁閥箱），上述總線設(shè)備折算成常規(guī)I/O點后約3 000點，現(xiàn)場總線應(yīng)用范圍基本覆蓋輔助車間各子工藝系統(tǒng)。其中，水、灰等車間設(shè)備集中，應(yīng)用現(xiàn)場總線的效果較為顯著。

5 采用現(xiàn)場總線技術(shù)的造價變化

主廠房現(xiàn)場總線方案造價變化如表2。

主廠房投資變化結(jié)論如下：采用現(xiàn)場總線技術(shù)后DCS價格會略有上升，智能現(xiàn)場設(shè)備也略貴一些，但使用的電纜、電纜橋架量相應(yīng)地減少了很多，另外安裝、調(diào)試等費用也會大大減少。綜合比較，采用現(xiàn)場總線之后主廠房初期靜態(tài)總投資增加約5萬元，與采用常規(guī)DCS方案相比，初期投資費用可做到略有增加或基本持平。但在數(shù)字化應(yīng)用提高了、全生命周期內(nèi)設(shè)備的維護管理也方便了，長遠來看采用現(xiàn)場總線技術(shù)的潛在收益將更為可觀。

輔助車間由于設(shè)備集中，采用現(xiàn)場總線更具優(yōu)勢?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)和現(xiàn)場智能設(shè)備的采購費用較常規(guī)DCS有所增加，因DCS機柜數(shù)量、電纜、橋架減少所帶來的安裝工程量將減少30%以上，但考慮到常規(guī)DCS方案中輔助車間電磁閥箱等就地控制箱已具有電纜合并功能，采用現(xiàn)場總線后電纜、橋架減少有限。參照同類工程，輔助車間控制系統(tǒng)采用現(xiàn)場總線之后，初期投資費用將略有增加，大約增加15萬。

6 遇到的問題

現(xiàn)場總線最根本的是在于投運后充分利用數(shù)字化電廠上層各種高級應(yīng)用軟件（如設(shè)備診斷及管理、壽命預(yù)測、狀態(tài)檢修、優(yōu)化運行等）實現(xiàn)對現(xiàn)場總線系統(tǒng)豐富底層數(shù)據(jù)的有效處理，達到在全壽命周期內(nèi)大幅度節(jié)約運行維護成本，提高電廠管控一體化水平和競價上網(wǎng)能力的最終目的。但是目前國內(nèi)現(xiàn)場總線的應(yīng)用還是處于推廣階段，所以現(xiàn)場總線技術(shù)的優(yōu)越性還沒能真正發(fā)揮，對降低運行維護成本的優(yōu)勢尚不明顯。

表2 主廠房造價對比表

7 結(jié)語

周口隆達2X660 MW機組全廠現(xiàn)場總線的成功應(yīng)用，為數(shù)字化、信息化的智慧電廠建設(shè)積累了寶貴的經(jīng)驗。也為電廠今后進一步開發(fā)設(shè)備診斷及管理、壽命預(yù)測、狀態(tài)檢修、優(yōu)化運行等智慧功能提供了基礎(chǔ)。