現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在火電廠的應(yīng)用

［摘 要］現(xiàn)場(chǎng)總線是自動(dòng)化系統(tǒng)中的一種將大量現(xiàn)場(chǎng)級(jí)設(shè)備和操作級(jí)設(shè)備相連的工業(yè)通訊系統(tǒng)。文章論述了現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，介紹了總線控制系統(tǒng)配置原則，通過對(duì)比現(xiàn)場(chǎng)總線方案與常規(guī)方案經(jīng)濟(jì)性得出，采用現(xiàn)場(chǎng)總線方案不僅節(jié)省了較多費(fèi)用，同時(shí)全面提升了電廠自動(dòng)化、信息化水平，降低了電廠維護(hù)與檢修成本。

［關(guān)鍵詞］總線技術(shù)；建設(shè)方案；經(jīng)濟(jì)性

［中圖分類號(hào)］TM76 ［文獻(xiàn)標(biāo)志碼］A ［文章編號(hào)］2095–6487（2024）07–0030–03

1 現(xiàn)場(chǎng)總線概述

傳統(tǒng)集中控制方式一般點(diǎn)對(duì)點(diǎn)，即現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與控制器之間采用一對(duì)一的I/O 接線方式，傳遞開關(guān)量信號(hào)或模擬量信號(hào)（電流/ 電壓信號(hào)）。而現(xiàn)場(chǎng)總線是安裝在生產(chǎn)過程區(qū)域中的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備/ 儀表與自動(dòng)控制裝置/ 系統(tǒng)之間的一種串行、數(shù)字式、多點(diǎn)、雙向通信的數(shù)據(jù)總線，主要特征是采用數(shù)字式通信方式取代設(shè)備級(jí)的模擬量/ 開關(guān)量信號(hào)，使用1 根電纜連接所有現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，支持的總線協(xié)議有Profibus、DeviceNet、AS-i、Foundation Fieldbus、Interbus-S、CANopen、Modbus 等。

2 現(xiàn)場(chǎng)總線的優(yōu)勢(shì)

現(xiàn)場(chǎng)總線方式與傳統(tǒng)控制方法相比，其優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾方面。

（1）具有較高的性價(jià)比，系統(tǒng)綜合成本大幅減少。應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)總線替代繁冗的電纜布線，可使其導(dǎo)線、連接附件的數(shù)量大幅減少。后期安裝、調(diào)試、維護(hù)的費(fèi)用大幅減少，同時(shí)維護(hù)和改造停工時(shí)間可減少60%～80%。

（2）系統(tǒng)性能大幅提高。可自動(dòng)診斷、顯示故障位置；診斷內(nèi)容包括總線節(jié)點(diǎn)的通訊故障、電源故障，以及現(xiàn)場(chǎng)裝置和連接件的斷路、短路故障，使設(shè)備維護(hù)人員可迅速巡檢系統(tǒng)的各種故障位置和狀態(tài)。

（3）采用數(shù)字信號(hào)通訊，有效提高了系統(tǒng)的測(cè)量和控制精度。

（4）系統(tǒng)調(diào)試更加靈活方便?？筛鶕?jù)需要，將系統(tǒng)分為幾部分分別進(jìn)行調(diào)試。在進(jìn)行復(fù)雜故障的排除時(shí)，也可將系統(tǒng)分塊進(jìn)行排查。

（5）主控器可獲取更多的設(shè)備信息，更好地滿足控制系統(tǒng)信息集成的要求。

（6）可靠的數(shù)據(jù)傳輸，快速的傳輸數(shù)據(jù)響應(yīng)，具有強(qiáng)大的抗干擾能力。

（7）較多總線節(jié)點(diǎn)具備IP67 的防護(hù)等級(jí)，并具備防水、防塵、抗振動(dòng)的特性，可直接安裝于工業(yè)設(shè)備上，大幅減少了現(xiàn)場(chǎng)電纜，使系統(tǒng)美觀而實(shí)用。

3 工程建設(shè)方案和技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

3.1 總線控制系統(tǒng)配置原則現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的優(yōu)良特性取決于幾個(gè)因素：①系統(tǒng)的可靠/ 可用性；②系統(tǒng)的高實(shí)時(shí)性。

3.1.1 提高現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的可靠/可用性措施

（1）堅(jiān)持控制器配置按照以工藝為主、功能為輔的原則，即以不同工藝系統(tǒng)分散、相同工藝系統(tǒng)相對(duì)集中的思維為原則配置控制器?？刂破鞯呐渲迷瓌t與常規(guī)DCS 方案一致。

（2）在冗余技術(shù)允許的條件下，遵循總線接口模塊冗余、總線線纜冗余、總線設(shè)備接口冗余。

（3）現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備的冗余DP 口，應(yīng)分別采用獨(dú)立的DP 通信模塊，而不是1 個(gè)DP 通信模塊的兩個(gè)分支接口。

（4）對(duì)于技術(shù)上不可能冗余的低速總線（如FFH1、PROFIBUS-PA），應(yīng)保證重要參數(shù)對(duì)應(yīng)的現(xiàn)場(chǎng)總線儀表雙冗余甚至三冗余設(shè)置。

（5）配置在同一控制器下的并列運(yùn)行或冗余配置的設(shè)備（如引風(fēng)機(jī)A 油站1 號(hào)油泵馬達(dá)控制器，2 號(hào)油泵馬達(dá)控制器），應(yīng)配置在同一控制器下不同的現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)段上。

（6）同一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)段上不配置兩個(gè)重要驅(qū)動(dòng)設(shè)備。

（7）冗余設(shè)置的總線現(xiàn)場(chǎng)儀表配置在不同的總線網(wǎng)段上。

（8）同一現(xiàn)場(chǎng)總線接口模塊使用的端口數(shù)量不超過兩個(gè)（立足危險(xiǎn)分散原則，兼顧經(jīng)濟(jì)考量）。

3.1.2 保證現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性措施

（1）通過總線模塊可設(shè)定通信速率。當(dāng)前火電廠的單個(gè)網(wǎng)段的覆蓋范圍，一般在100～400 m，根據(jù)PROFIBUS 通信規(guī)范，每個(gè)Profibus-DP 總線網(wǎng)段通信速率設(shè)定在500k bit/s 最為穩(wěn)定。

（2） 根據(jù)《工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)– 數(shù)據(jù)總線規(guī)范》IEC61158-2 標(biāo)準(zhǔn)，低速總線Profibus-PA 或FF H1 網(wǎng)段總長度（干線和支路之和）不大于1 900 m。工程上考慮供電損耗、系統(tǒng)擴(kuò)展性等因素，建議低速總線每個(gè)網(wǎng)段的總長度小于1 200 m，網(wǎng)段上每個(gè)分支電纜長度不宜超過30 m。

（3）每個(gè)PROFIBUS-DP 網(wǎng)段上連接設(shè)備數(shù)量滿足下列要求：①理論計(jì)算滿足實(shí)時(shí)性要求，且留有至少50%裕度；②對(duì)于連續(xù)運(yùn)行的系統(tǒng)（即主熱力系統(tǒng)），每個(gè)Profibus-DP 網(wǎng)段連接總線設(shè)備數(shù)量不多于12個(gè)，且同一網(wǎng)段上重要的總線驅(qū)動(dòng)設(shè)備不允許超過兩個(gè)。③對(duì)于非連續(xù)運(yùn)行的系統(tǒng)（即輔助車間熱力系統(tǒng)），每個(gè)Profibus-DP 網(wǎng)段連接設(shè)備數(shù)量不多于16 個(gè)。

（4）對(duì)于低速總線Profibus-PA 或HH F1，每個(gè)網(wǎng)段上連接設(shè)備數(shù)量滿足下列要求：①理論計(jì)算滿足實(shí)時(shí)性要求，且留有至少50% 裕度；②對(duì)于連續(xù)運(yùn)行的系統(tǒng)（即主熱力系統(tǒng)），每個(gè)網(wǎng)段連接總線設(shè)備數(shù)量不多于8 臺(tái)，且總線驅(qū)動(dòng)設(shè)備的數(shù)量原則上不超過兩臺(tái)（對(duì)于鍋爐二次風(fēng)門可放寬到4 個(gè)），且同一網(wǎng)段僅允許配置有1 個(gè)重要的總線驅(qū)動(dòng)設(shè)備；③對(duì)于非連續(xù)運(yùn)行的系統(tǒng)（即輔助車間熱力系統(tǒng)），每個(gè)網(wǎng)段連接總線設(shè)備數(shù)量不多于12 臺(tái)，且總線驅(qū)動(dòng)設(shè)備的數(shù)量原則上不超過2 臺(tái)。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)總線控制方式在火電廠輸煤系統(tǒng)中的應(yīng)用

根據(jù)對(duì)已經(jīng)投產(chǎn)的項(xiàng)目的追蹤和工程回訪信息反饋，已投運(yùn)火電廠采用輸煤系統(tǒng)全現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)或部分現(xiàn)場(chǎng)總線（分布式IO 總線）技術(shù)后，輸煤流程控制的協(xié)調(diào)性和可靠性大幅提高，在輸煤環(huán)境較差的情況下，采用高性能的總線產(chǎn)品模塊，有效地減少了控制電纜的用量，有利于輸煤控制系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)，而且故障查找簡單，大幅提高了生產(chǎn)效率。

3.2.1 現(xiàn)場(chǎng)總線分布式I/O控制方案

輸煤現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS）現(xiàn)場(chǎng)總線分布式I/O 控制方案：輸煤控制系統(tǒng)采用與全廠輔網(wǎng)FCS 系統(tǒng)相同的軟硬件，并作為輔網(wǎng)FCS 的一個(gè)子系統(tǒng)。輸煤FCS 主站設(shè)置成對(duì)的DPU，組柜布置在輸煤智控樓電子設(shè)備間，在輸煤控制室設(shè)置冗余的FCS 操作員站實(shí)現(xiàn)對(duì)輸煤系統(tǒng)的控制。該方案采用就地模塊化設(shè)計(jì)思路，以膠帶機(jī)為單位，在每條膠帶機(jī)的就地設(shè)置1 臺(tái)區(qū)域智能控制器，布置于各轉(zhuǎn)運(yùn)站配電室內(nèi)，各區(qū)域控制器負(fù)責(zé)采集本條膠帶機(jī)沿線所有設(shè)備的信號(hào)，通過光纖以太網(wǎng)送至輸煤FCS 主站。對(duì)于就地傳感器和自帶電控箱的設(shè)備，采用分布式I/O 模塊箱分散布置在運(yùn)煤設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)，各I/O 模塊箱通過就地硬接線的方式與就地各設(shè)備控制箱以及沿線輸煤傳感器進(jìn)行接口，分布式I/O 模塊箱之間則采用冗余現(xiàn)場(chǎng)總線通訊至對(duì)應(yīng)的膠帶機(jī)區(qū)域控制器。對(duì)于在10 kV 集中段、380 V PC 段及各轉(zhuǎn)運(yùn)站MCC 段上通過供電和控制的設(shè)備（如10 kV 膠帶機(jī)、環(huán)式碎煤機(jī)、斗輪機(jī)、380 V 膠帶機(jī)及其制動(dòng)器等），為了保證控制的可靠性，在配電室設(shè)置I/O 單元，以硬接線的方式與開關(guān)柜進(jìn)行接口控制。

輸煤現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS）現(xiàn)場(chǎng)總線分布式I/O 控制方案將380 V 的低壓馬達(dá)控制器和智能儀表裝置、10 kV 開關(guān)柜、廠家?guī)Э刂葡涞容斆合到y(tǒng)設(shè)備，通過分布式I/O 硬接線或總線通訊的方式接入輸煤控制系統(tǒng)，具有總線通訊和分布式I/O 兩大特點(diǎn)。

根據(jù)輸煤工藝流程的特點(diǎn)，沿輸煤膠帶機(jī)在各轉(zhuǎn)運(yùn)站、碎煤機(jī)室、煤倉間等處設(shè)置區(qū)域網(wǎng)絡(luò)控制器、分布式IO 裝置、總線設(shè)備。具體配置如下。

（1）在輸煤綜合樓的輸煤電子設(shè)備間內(nèi)設(shè)置輸煤FCS 主站DPU 控制器、總線通訊管理機(jī)、電源柜；在輸煤綜合樓的10 kV 配電室和380 V 輸煤PC 配電室設(shè)置分布式IO 箱，用于接入開關(guān)柜上的380 V 和10 kV 輸煤電動(dòng)機(jī)的監(jiān)控信號(hào)。

（2）在1 號(hào)轉(zhuǎn)運(yùn)站設(shè)置1 臺(tái)皮帶主控裝置，對(duì)應(yīng)1A 膠帶機(jī)，膠帶機(jī)沿線的傳感器、除鐵器、活化給煤機(jī)、振動(dòng)煤篦子、電動(dòng)三通等設(shè)備控制箱附近分別設(shè)置若干就地分布式I/O 模塊箱，進(jìn)行就地硬接線信號(hào)采集，IO 模塊箱之間通過現(xiàn)場(chǎng)總線串接后接入對(duì)應(yīng)皮帶主控裝置。

（3）在2 號(hào)轉(zhuǎn)運(yùn)站設(shè)置1 臺(tái)皮帶主控裝置，對(duì)應(yīng)2A 膠帶機(jī)，膠帶機(jī)沿線的傳感器、除鐵器、電動(dòng)三通等設(shè)備控制箱附近分別設(shè)置若干分布式I/O模塊箱，進(jìn)行就地硬接線信號(hào)采集，IO 模塊箱之間通過現(xiàn)場(chǎng)總線串接后接入對(duì)應(yīng)皮帶主控裝置。

（4）在3 號(hào)轉(zhuǎn)運(yùn)站設(shè)置1 臺(tái)皮帶主控裝置，分別對(duì)應(yīng)3A 膠帶機(jī)，膠帶機(jī)沿線的傳感器、電動(dòng)三通等設(shè)備控制箱附近分別設(shè)置若干分布式I/O 模塊箱，進(jìn)行就地硬接線信號(hào)采集，IO 模塊箱之間通過現(xiàn)場(chǎng)總線串接后接入對(duì)應(yīng)皮帶主控裝置。

（5）在4 號(hào)轉(zhuǎn)運(yùn)站設(shè)置4 臺(tái)皮帶主控裝置，對(duì)應(yīng)4AB 和5AB 膠帶機(jī)，膠帶機(jī)沿線的傳感器、電動(dòng)三通等設(shè)備控制箱附近分別設(shè)置若干分布式I/O模塊箱，進(jìn)行就地硬接線信號(hào)采集，IO 模塊箱之間通過現(xiàn)場(chǎng)總線串接后接入對(duì)應(yīng)皮帶主控裝置。

（6）在碎煤機(jī)室設(shè)置兩臺(tái)皮帶主控裝置，分別對(duì)應(yīng)6AB 膠帶機(jī)，膠帶機(jī)沿線的傳感器、碎煤機(jī)就地儀表、滾軸篩等設(shè)備控制箱附近分別設(shè)置若干分布式I/O 模塊箱，進(jìn)行就地硬接線信號(hào)采集，IO 模塊箱之間通過現(xiàn)場(chǎng)總線串接后接入對(duì)應(yīng)皮帶主控裝置。

（7）在5 號(hào)轉(zhuǎn)運(yùn)站設(shè)置兩臺(tái)皮帶主控裝置，分別對(duì)應(yīng)7AB 膠帶機(jī)，膠帶機(jī)沿線的傳感器、皮帶秤、入爐煤取樣裝置等設(shè)備控制箱附近分別設(shè)置若干分布式I/O 模塊箱，進(jìn)行就地硬接線信號(hào)采集，IO 模塊箱之間通過現(xiàn)場(chǎng)總線串接后接入對(duì)應(yīng)皮帶主控裝置。

（8）在煤倉間轉(zhuǎn)運(yùn)站設(shè)置5 臺(tái)皮帶主控裝置，分別對(duì)應(yīng)8AB 和9ABC 膠帶機(jī)，膠帶機(jī)沿線的傳感器、犁煤器、除塵器、微霧抑塵裝置等設(shè)備控制箱附近分別設(shè)置若干分布式I/O 模塊箱，進(jìn)行就地硬接線信號(hào)采集，IO 模塊箱之間通過現(xiàn)場(chǎng)總線串接后接入對(duì)應(yīng)皮帶主控裝置。

（9）在主廠房公用PC 配電間設(shè)置1 臺(tái)總線通訊管理機(jī)與公用PC 段上的膠帶機(jī)馬達(dá)控制器進(jìn)行分布式IO 控制。

3.2.2 現(xiàn)場(chǎng)總線方案與常規(guī)火電控制造價(jià)比較

輸煤采用現(xiàn)場(chǎng)總線控制方案，控制電纜比常規(guī)方案可減少約90 km，由于總線分布式I/O 模塊箱布置在就地，所有就地電控箱設(shè)備、皮帶傳感器都就近接入，只用適當(dāng)增加少量的設(shè)備總線模塊控制、光電轉(zhuǎn)換器等接口設(shè)備即可，減少了現(xiàn)場(chǎng)電纜敷設(shè)的工作量以及電纜通道數(shù)量，降低了施工難度，其經(jīng)濟(jì)效顯著。

為了便于進(jìn)行經(jīng)濟(jì)對(duì)比，投資估算僅針對(duì)輸煤控制系統(tǒng)的設(shè)備造價(jià)進(jìn)行比較，主要設(shè)備價(jià)格參照如下原則。

（1）I/O 模塊。硬接線總點(diǎn)數(shù)以2 081 點(diǎn)考慮，按照DCS 硬件500 元/ 點(diǎn)統(tǒng)計(jì)，DCS 硬件或現(xiàn)場(chǎng)總線智能控制器均選擇國產(chǎn)優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品。

（2）控制電纜及現(xiàn)場(chǎng)總線專用電纜。采用當(dāng)前市場(chǎng)平均價(jià)格估算，約20 元/m，不包含安裝費(fèi)用以及電纜構(gòu)筑物費(fèi)用。

（3）DPU 采用國產(chǎn)優(yōu)質(zhì)廠家，包含就地主站、工程師站、通信管理機(jī)、通訊接口裝置等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備及通訊軟件費(fèi)用。

以某電廠2*1000MW 機(jī)組輸煤控制系統(tǒng)各方案為例，控制系統(tǒng)各方案投資概算見表1。

通過表1 對(duì)比，現(xiàn)場(chǎng)總線分布式I/O 控制方式總體投資相比方案二要節(jié)省約200 萬元，且方案一在技術(shù)上更具優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)束語

現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)是信息技術(shù)與控制技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，為信息化帶動(dòng)傳統(tǒng)的火電工業(yè)升級(jí)提供了有力手段，是構(gòu)造數(shù)字化火電廠的重要組成部分。文章重點(diǎn)論述了現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)、建設(shè)方案及經(jīng)濟(jì)性分析?，F(xiàn)場(chǎng)總線控制技術(shù)是未來發(fā)展的必然方向，站在行業(yè)發(fā)展的角度，火力發(fā)電廠全范圍使用現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)完全必要且可行。

參考文獻(xiàn)

[1] 郝曉弘，馬向華. 論現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)[J]. 自動(dòng)化與儀表，2001，16（3）：1-5.

[2] 黃仍杰.PROFIBUS-PA 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J]. 有色冶金設(shè)計(jì)與研究，2017，38（4）：20-23.

[3] 張勇. 智能變送器的選型及Hart 協(xié)議通訊器的應(yīng)用[J].技術(shù)與市場(chǎng)，2017，24（8）：99.

[4] 郭際航. 現(xiàn)場(chǎng)總線及其傳輸介質(zhì)技術(shù)概述[J]. 光纖與電纜及其應(yīng)用技術(shù)，2020（6）：1-6.