垃圾發(fā)電項目中現(xiàn)場總線控制技術(shù)應(yīng)用步驟及設(shè)計探討

摘 要：在當(dāng)今環(huán)保發(fā)電工程領(lǐng)域，現(xiàn)場總線技術(shù)正展現(xiàn)出強大的影響力和應(yīng)用價值。該文通過研究和詳細(xì)闡述，介紹現(xiàn)場總線技術(shù)在環(huán)保發(fā)電工程中的具體應(yīng)用步驟，并系統(tǒng)性地總結(jié)相關(guān)的設(shè)計經(jīng)驗，旨在為環(huán)保發(fā)電項目推廣應(yīng)用現(xiàn)場總線技術(shù)提供助力。

關(guān)鍵詞：垃圾發(fā)電;環(huán)保發(fā)電工程;現(xiàn)場總線;應(yīng)用步驟;總線設(shè)計

中圖分類號：X773 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）34-0188-04

Abstract： In today's field of environmentally friendly power generation engineering， fieldbus technology is showing strong influence and application value. Through research and detailed explanation， this paper introduces the specific application steps of fieldbus technology in environmentally friendly power generation projects， and systematically summarizes relevant design experience. The purpose is to provide assistance to the promotion and application of fieldbus technology in environmentally friendly power generation projects.

Keywords： waste-to-energy power generation; environmentally friendly power generation engineering; fieldbus; application steps; bus design

垃圾發(fā)電市場也隨著市場的逐步飽和競爭日趨激烈，隨著我國環(huán)保指標(biāo)要求的不斷提高，在垃圾焚燒發(fā)電項目中，先進的控制技術(shù)對于確保系統(tǒng)穩(wěn)定運行、提高生產(chǎn)效率至關(guān)重要，目前發(fā)展數(shù)字化智慧電廠將成為各環(huán)保企業(yè)的迫切需求。筆者從事垃圾焚燒發(fā)電項目15年有余，曾經(jīng)參與了國內(nèi)十多個大中型垃圾發(fā)電項目工程設(shè)計及安裝調(diào)試實施工作。對現(xiàn)場總線技術(shù)設(shè)計實施經(jīng)驗進行有益的總結(jié)探討，旨在為該領(lǐng)域的技術(shù)推進和工程實踐提供參考。

1 現(xiàn)場總線技術(shù)優(yōu)勢

提高了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性與可靠性;縮短安裝和調(diào)試工期;快速診斷和處理故障，減少工作量;促進全廠信息化水平提高;總線技術(shù)推廣是自動化技術(shù)普及和行業(yè)發(fā)展趨勢。

2 現(xiàn)場總線技術(shù)缺點

建設(shè)期設(shè)備購置成本相對會有增加，但在設(shè)備生命全周期管理中是有利的;對自控維護人員技術(shù)水平要求相對提高。

3 總線工程應(yīng)用步驟及設(shè)計實施原則

本文以垃圾焚燒發(fā)電項目為例，重點介紹現(xiàn)場總線技術(shù)在垃圾發(fā)電工程中推廣應(yīng)用流程，具體實施中主要有以下步驟。

3.1 總線技術(shù)需求分析

對現(xiàn)場總線全廠總線設(shè)計進行總規(guī)劃。首先要明確垃圾焚燒發(fā)電項目的工藝控制要求、確立控制目標(biāo)和工藝功能需求。確定需要監(jiān)控和控制的設(shè)備及參數(shù)。

3.2 總線類型的選擇

統(tǒng)一考慮總線的傳輸速率、可擴展性、抗干擾能力等特性，根據(jù)項目規(guī)模、經(jīng)濟性、可操作性等要求合理選擇現(xiàn)場總線類型，如PROFIBUS、FF、MODBUS等協(xié)議，目前工業(yè)過程控制領(lǐng)域主流的Profibus現(xiàn)場總線協(xié)議和FF現(xiàn)場總線協(xié)議最廣泛。

3.3 總線配置原則

確立了采用現(xiàn)場總線，兼顧垃圾焚燒發(fā)電機組控制要求和特點，采用DCS+FCS現(xiàn)場總線方案，配置現(xiàn)場總線設(shè)備診斷及設(shè)備管理軟件的思路，充分發(fā)揮FCS的優(yōu)越性。將工程風(fēng)險、技術(shù)創(chuàng)新和施工成本統(tǒng)籌考慮，對現(xiàn)場總線系統(tǒng)設(shè)備分類后，一般在設(shè)備招標(biāo)時確定以下總線配置原則。

1）用于DAS系統(tǒng)的差壓、壓力、流量、液位和分析儀表等采用具有PROFIBUS-PA 協(xié)議接口的智能變送器，全部納入現(xiàn)場總線，重要信號考慮冗余環(huán)網(wǎng)配置。

2）電動閥門和電動執(zhí)行機構(gòu)、變頻器等均采用支持ProfibusDP協(xié)議的總線設(shè)備，重要執(zhí)行機構(gòu)考慮了冗余配置。

3）380 V馬保與保護單元：包括變頻、電機控制器（選支持Profibus-DP 協(xié)議總線設(shè)備）納入總線系統(tǒng)。

4）10 kV電機控制與保護單元：高壓電氣測控單元各品牌之前兼容性不好，目前主流品牌通信產(chǎn)品已經(jīng)成熟，可以選支持PROFIBUS-DP 協(xié)議并通過測試的現(xiàn)場總線設(shè)備。有顧慮者可以采用傳統(tǒng)方式接入DCS系統(tǒng)。

5）氣動調(diào)節(jié)閥門，納入現(xiàn)場總線系統(tǒng)，可使用支持ProfibusDP協(xié)議的氣動閥門定位器。

6）溫度：溫度變送器使用范圍建議預(yù)先進行性價比的對比，酌情優(yōu)先采用多路溫度變送器。如采用溫變成本過高，則DAS中的鍋爐煙溫集中的部分建議采用DCS溫度采集器，接入現(xiàn)場總線系統(tǒng)，如爐膛溫度需要環(huán)保上傳，其他常規(guī)溫度仍采用常規(guī)方式。

7）對于特殊獨立的系統(tǒng)，汽機DEH＼TSI＼ETS系統(tǒng)采用常規(guī)方式實現(xiàn)，SOE硬接線接入DCS系統(tǒng)。

8）不建議使用單一電磁閥進現(xiàn)場總線;多個電磁閥在較集中的區(qū)域盡量采用總線閥島來實現(xiàn)。

9）開關(guān)量DAS設(shè)備（壓力開關(guān)、流量開關(guān)等）不在現(xiàn)場總線系統(tǒng)范圍內(nèi)。

10）FCS網(wǎng)絡(luò)、設(shè)備診斷與管理采用現(xiàn)場總線儀表設(shè)備診斷與管理軟件。

11）煙氣處理系統(tǒng)：脫酸塔、除塵器、制漿、SNCR、SCR及干法活性炭等煙氣儀表和閥門、馬保全部考慮均可進入總線系統(tǒng)。

12）焚燒爐控制及燃燒器系統(tǒng)：對于進口焚燒爐控制設(shè)備，仍采傳統(tǒng)接線進DCS，如國內(nèi)爐排系統(tǒng)，和廠商充分溝通，可以考慮儀表進入總線系統(tǒng)。

13）壓縮空氣系統(tǒng)：建議優(yōu)先采用DP總線形式接入DCS系統(tǒng);也可根據(jù)現(xiàn)場情況采用以太網(wǎng)或其他方式通信接入。

14）化學(xué)水系統(tǒng)：設(shè)置遠程IO柜在現(xiàn)場，接入DCS系統(tǒng)，除鹽水泵采用支持PROFIBUS-DP協(xié)議的馬保接入總線系統(tǒng)。

15）汽水取樣及加藥系統(tǒng)均可以通過DP或PA協(xié)議納入現(xiàn)場總線系統(tǒng)。

16）鍋爐吹灰系統(tǒng)：Di和Do點較多，采用遠程IO柜設(shè)置在現(xiàn)場，常規(guī)I/O模件仍在使用。采用總線形式接入吹灰系統(tǒng)的溫壓流、電動閥門。

17）綜合水泵房設(shè)置遠程IO柜在泵房現(xiàn)場，泵房儀表、電動閥門、馬達保護器均納入總線系統(tǒng)。

18）滲濾液系統(tǒng)及有毒可燃?xì)怏w有防爆要求的系統(tǒng)，全部采用總線形式接入DCS系統(tǒng)。

19）飛灰固化系統(tǒng)既能接入總線系統(tǒng)，又能直接接入DCS系統(tǒng)，仍采用常規(guī)的I/O模件。

3.4 DCS+FCS系統(tǒng)選型

DCS+FCS系統(tǒng)選擇要考慮DCS廠家是否有成熟的現(xiàn)場總線技術(shù)，支持的協(xié)議PROFIBUS、FF。這包含以下幾方面。

1）DCS廠家有成熟的現(xiàn)場總線解決方案;有成熟穩(wěn)定的控制器柜到現(xiàn)場設(shè)備連接方案。

2）廠家有可靠的現(xiàn)場總線硬件設(shè)備，低故障率的總線卡件;現(xiàn)場總線接線盒;可靠的總線通信電纜等，盡量避免有第三方通信轉(zhuǎn)換設(shè)備。

3）DCS廠家有功能強大的現(xiàn)場總線設(shè)備管理軟件、方便查詢、響應(yīng)速度快等優(yōu)點。

4）廠家具有便捷靈活的現(xiàn)場總線設(shè)備測試平臺及現(xiàn)場總線故障解決手段措施等。

5）具有電廠項目復(fù)雜工藝系統(tǒng)現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計經(jīng)驗;具有國內(nèi)或國外總線實施的應(yīng)用業(yè)績。

3.5 總線設(shè)備技術(shù)要求

DCS選型后，相應(yīng)的現(xiàn)場總線協(xié)議才能固定。如西門子的T-3000系統(tǒng)、PCS7系統(tǒng)和ABB的AC800XA系統(tǒng)總線協(xié)議均為PROFIBUSDP/PA，而艾默生公司的OVATION系統(tǒng)、FOXBORO的I/A系統(tǒng)，其總線協(xié)議為PROFIBUS-DP和FF。據(jù)了解目前國產(chǎn)主流DCS品牌中控ECS-700、和利時MACSV6、科遠NT6000等系統(tǒng)，均推出支持PROFIBUS DP/PA總線的模塊，給用戶提供了極大的選擇空間。當(dāng)DCS選型確定后，這時就可以提出相應(yīng)的現(xiàn)場總線設(shè)備（電動閥門、變送器、閥島、馬保裝置和分析儀表等）技術(shù)要求，如通信協(xié)議、通信接口、工作溫度和防護等級等，在主輔機招標(biāo)規(guī)范書的編寫工作中進行完善。某環(huán)保電廠總線設(shè)備技術(shù)規(guī)范中總體要求如下。

1）本項目應(yīng)用現(xiàn)場總線技術(shù)實現(xiàn)數(shù)字化電廠控制方案，現(xiàn)場總線設(shè)備均要求采用PROFIBUS或FF協(xié)議，所有變送器、氣動定位器、電動執(zhí)行機構(gòu)均采用PROFIBUS協(xié)議或FF協(xié)議。所有現(xiàn)場總線設(shè)備均需提供現(xiàn)場總線信息表、配置文件（GSD、EDD、FDT、DD、EDDL）等，同時，在設(shè)備供貨前，投標(biāo)方應(yīng)向控制系統(tǒng)廠家提供相應(yīng)的設(shè)備樣品（送檢電動閥門、儀器儀表），經(jīng)檢測合格后方可供貨;不符合要求的，由競買人負(fù)責(zé)免費更換。

2）調(diào)節(jié)型和開關(guān)型電動執(zhí)行機構(gòu)都采用智能一體化產(chǎn)品，電動執(zhí)行機構(gòu)配置冗余的PROFIBUS DP總線協(xié)議接口，按三家產(chǎn)品選型，最終選型由招標(biāo)方確認(rèn)。

3）電動執(zhí)行機構(gòu)的運行環(huán)境溫度為-30～70 ℃，供電的是電壓380 V±10%的三相供電;偏差為50 Hz±5%。包括電動機和接線端子在內(nèi)的防護等級應(yīng)為IP65。執(zhí)行器的電動機絕緣應(yīng)按F絕緣等級設(shè)計，但其溫度大小不會超過B級。選用合適的護罩可保護聯(lián)軸器和驅(qū)動軸。

4）所有電動執(zhí)行器，按如下要求配供：限位開關(guān)，開方向2NO/2NC;關(guān)方向2NO/2NC。力矩開關(guān)，開方向1NO/1NC;關(guān)方向1NO/1NC。執(zhí)行機構(gòu)故障信號，帶手動操作手輪。

5）總線型執(zhí)行機構(gòu)應(yīng)配置具有現(xiàn)場顯示表頭，提供的現(xiàn)場總線連接插頭應(yīng)根據(jù)應(yīng)用場合選擇適用的保護等級：外接插頭應(yīng)符合IP67（對于采用M12或Hybrid類型的PROFIBUSDP）的保護等級;用于內(nèi)連接應(yīng)符合IP20防護等級（采用 SUB-D類型的PROFIBUSDP）?？偩€型執(zhí)行機構(gòu)PROFIBUS DP接口在不影響 DP 網(wǎng)段正常通信的情況下，應(yīng)滿足DP電纜從接口板上可在線拆卸的要求。

電磁閥采用配置冗余PROFIBUS-DP總線協(xié)議接口的現(xiàn)場總線閥島控制。

對于總線智能變送器的主要技術(shù)指標(biāo)如下。

1）變送器符合IEC-61158-2規(guī)范，總線通信最大速率31.25 kbit/s，波特率可靈活設(shè)置。

2）符合PROFIBUS DP-V0、DP-V1等通信規(guī)范。

3）可提供EDD設(shè)備描述文件，支持PDM、AMS等多種總線設(shè)備管理軟件?？商峁〨SD文件，支持多種PROFIBUS組態(tài)軟件?？商峁〥TM文件，支持基于FDT技術(shù)整合。

4）輸出信號：總線型基于profibus PA協(xié)議的數(shù)字信號;二線制。

3.6 總線設(shè)備測試

對不同協(xié)議、型號的總線設(shè)備進行分類，篩選出有意愿參與項目的廠商，要求廠商在前期提供總線設(shè)備樣機，并在DCS實驗平臺上由DCS廠商出具相應(yīng)的測試報告，配合DCS廠商做現(xiàn)場總線設(shè)備兼容測試和總線信息組態(tài)，確保項目的成功和實施的順利。工程應(yīng)用實驗通過的常用設(shè)備如下。

1）總線變送器有ROSEMOUNT、EJA、西門子、E+H和ABB。

2）超聲波及雷達物位計：西門子、ABB。

3）總線定位器有西門子、ABB、STI 。

4）總線馬達保護裝置有四方的CSC-299M、金智的 LPC-3531、蘇州萬龍和SIMOCOD。

5）總線執(zhí)行機構(gòu)常用有 ROTORK、AUMA、SIPOS、EMG、上儀AI＼MI和萬訊PS。

3.7 總線設(shè)備硬、軟件拓?fù)湓O(shè)計

在設(shè)計院IO清冊和設(shè)備清冊定稿后，進行總線設(shè)備拓?fù)湓O(shè)計，針對現(xiàn)場總線系統(tǒng)進行聯(lián)合設(shè)計，根據(jù)工程的特點和要求，現(xiàn)場總線網(wǎng)段設(shè)計的優(yōu)劣，是現(xiàn)場總線工程成敗的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，因此在現(xiàn)場總線系統(tǒng)配置、網(wǎng)段劃分、安全保護措施等方面要做好深入調(diào)研，必須使系統(tǒng)設(shè)計可靠、合理。

根據(jù)工程設(shè)計進度，分別按汽機和鍋爐兩大系統(tǒng)召開多次現(xiàn)場總線設(shè)計聯(lián)絡(luò)會，通過設(shè)計聯(lián)絡(luò)會充分溝通，DCS廠家及設(shè)計院逐步完成現(xiàn)場總線DCS系統(tǒng)的硬件設(shè)計。對不能精確定位的系統(tǒng)（例如廢水處理）則要求DCS廠家在硬件設(shè)計時在控制器柜和總線箱留有擴展網(wǎng)段的空間，以便現(xiàn)場調(diào)整。DCS廠家與現(xiàn)場總線工程設(shè)計院應(yīng)密切相互配合，從總線設(shè)備選取入手，應(yīng)綜合考慮系統(tǒng)安全性和必要性，確定被控設(shè)備和儀表采用現(xiàn)場總線的方式，在此基礎(chǔ)上選定好總線設(shè)備后，按照首先劃分控制器，其次確定通信主站，再次確定通信從站或分支、分配總線地址的設(shè)計順序進行網(wǎng)段設(shè)計?，F(xiàn)場總線的網(wǎng)段設(shè)計需要經(jīng)歷一個初步設(shè)計，再逐步修改完善的過程，總線設(shè)計屬于三維設(shè)計，需要在主廠房、鍋爐、輔助車間等生產(chǎn)場所，建立起三維立體空間進行設(shè)計?，F(xiàn)場總線網(wǎng)段設(shè)計是要將在這個控制器下的總線設(shè)備在三維物理空間連接起來的過程，可以說現(xiàn)場總線網(wǎng)段設(shè)計的好壞，影響到此網(wǎng)段設(shè)備的可靠性、通信速率，是整個現(xiàn)場總線工程成功的重中之重。

在總線劃分設(shè)計階段，機務(wù)的設(shè)計也在同時進行，隨著機務(wù)設(shè)計和設(shè)備安裝的任何調(diào)整變化，現(xiàn)場總線被控設(shè)備和儀表的位置也極有可能會產(chǎn)生變化，這就會引起總線的網(wǎng)段設(shè)計產(chǎn)生調(diào)整，因此現(xiàn)場總線網(wǎng)段設(shè)計是設(shè)計、再修改、再設(shè)計、再修改的過程，只有到總線電纜敷設(shè)接線完畢，現(xiàn)場總線網(wǎng)段設(shè)計才算基本結(jié)束，同時在此時應(yīng)由安裝接線人員在總線網(wǎng)段圖中標(biāo)明每個網(wǎng)段設(shè)備之間電纜實際走向和相鄰總線設(shè)備間的總線電纜實際敷設(shè)長度，以供設(shè)計人員進行網(wǎng)段利用率和通信速率的計算，從而保證了網(wǎng)絡(luò)的可靠性和通信速率。

3.8 培訓(xùn)工作

全面系統(tǒng)的專業(yè)培訓(xùn)運行及技術(shù)維護人員至關(guān)重要。對電廠人員的現(xiàn)場總線培訓(xùn)工作主要包括：對電廠人員培訓(xùn)現(xiàn)場總線的知識，熟悉現(xiàn)場總線系統(tǒng)的操作原理、故障診斷和維護方法。測試和組態(tài)工程應(yīng)盡早直接參與進來，電廠人員在工作中加深對現(xiàn)場總線的認(rèn)識，在現(xiàn)場調(diào)試過程中積極參與，因為在調(diào)試過程中會出現(xiàn)很多需要解決的問題，鍛煉價值很大，從而為日后移交生產(chǎn)過程打下基礎(chǔ)。熱工人員前期培訓(xùn)可以在現(xiàn)場總線設(shè)備測試時，對不同類型的總線設(shè)備測試，可以對現(xiàn)場總線有初步直觀的認(rèn)識。后期培訓(xùn)可以在一聯(lián)會后，總線拓?fù)鋱D開始設(shè)計時，針對本項目對熱工人員做培訓(xùn)，以便在DCS系統(tǒng)出廠時，對設(shè)備數(shù)量及網(wǎng)段比較熟悉。

3.9 現(xiàn)場安裝、調(diào)試工作

現(xiàn)場總線系統(tǒng)的施工方式與常規(guī)項目有很大不同，經(jīng)驗證明，現(xiàn)場調(diào)試過程中的大部分問題都是在安裝過程中出現(xiàn)的，對施工單位的強化培訓(xùn)，可以避免大量無謂的低級別故障。所以對電建接線及調(diào)試人員的培訓(xùn)應(yīng)提早就開始，重點關(guān)注安裝接線過程中容易發(fā)生和忽略的各類問題，尤其注意屏蔽和接地。對接線安裝工作要高度重視，才能為后續(xù)調(diào)試打下好的基礎(chǔ)。調(diào)試人員應(yīng)學(xué)會使用BT200、CP5512等調(diào)試工具，方便調(diào)試時的故障檢測。

4 項目設(shè)計建議與注意事項

總線選型要結(jié)合項目實際，針對環(huán)保發(fā)電工程的特定需求和環(huán)境特點，不同的總線標(biāo)準(zhǔn)在性能、可靠性、成本等方面存在差異，精心選擇適合的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)備，需要綜合評估和權(quán)衡。

確保設(shè)備的相容性和互通性，注重系統(tǒng)的兼容性和可擴展性，預(yù)留足夠的接口和擴展空間，以適應(yīng)未來可能的設(shè)備更新、功能升級以及與其他相關(guān)系統(tǒng)的集成需求。

合理規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的規(guī)劃方面，需充分考慮系統(tǒng)的復(fù)雜性、設(shè)備分布以及信號傳輸?shù)囊?。合理設(shè)計總線分支和節(jié)點布局，以確保信號傳輸?shù)母咝院头€(wěn)定性，避免信號衰減和干擾。

重視系統(tǒng)的抗干擾能力。為了保障系統(tǒng)在復(fù)雜電磁環(huán)境和惡劣工況下的可靠運行，必須強化抗干擾措施。這包括采用屏蔽電纜、合理布線、安裝濾波器等手段，降低外部干擾對總線通信的影響。

5 結(jié)束語

現(xiàn)場總線技術(shù)在環(huán)保發(fā)電工程中的成功應(yīng)用證明，采用現(xiàn)場總線技術(shù)，只要準(zhǔn)備充分，合理設(shè)計，通過不斷積累和總結(jié)設(shè)計經(jīng)驗，進一步優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用和工程設(shè)計，能明顯縮短垃圾發(fā)電工程中電儀專業(yè)的安裝及調(diào)試施工工期，早日投產(chǎn)不僅帶來了顯著的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益，還為行業(yè)的發(fā)展提供了新的動力和方向。未來，隨著技術(shù)的不斷創(chuàng)新和發(fā)展，現(xiàn)場總線技術(shù)在環(huán)保發(fā)電工程中的應(yīng)用前景將更加廣闊，必將推動環(huán)保發(fā)電工程向更高水平邁進，為實現(xiàn)全球能源轉(zhuǎn)型和可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)作出更大的貢獻。

參考文獻：

[1] 吳振華.電廠電氣控制系統(tǒng)中現(xiàn)場總線技術(shù)的應(yīng)用[J].電子技術(shù)與軟件工程，2016（24）：147-148.

[2] 魏宏偉.福建石獅鴻山電廠現(xiàn)場總線技術(shù)應(yīng)用[J].科學(xué)時代， 2014（21）：217-219.

[3] 劉義學(xué).神華勝利電廠現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)選型分析及應(yīng)用規(guī)劃[D].保定：華北電力大學(xué)（河北），2009.

作者簡介：牛文臺（1970-），男，電氣工程師，技術(shù)管理工程師。研究方向為環(huán)保電廠儀表自動化技術(shù)管理。