现场总线在热电厂控制系统的应用

陈晓霞 林锋

摘要：现场总线技术是近年来迅速发展起来的一种数据总线，它主要解决工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题。现场总线具有控制分散更彻底、故障較分散、系统彻底开放、经济效益显著等优点。本文通过将PROFIBUS现场总线与热电厂分散控制系统DCS相结合，将现场设备信号通过现场总线传输至集控室，有效减轻运行人员和检修维护人员工作量。

关键词：现场总线;热电厂;控制系统;应用

1、前言

随着数字技术的迅速发展，现场总线技术是近年来发展起来的一种工业数据总线，可通过覆盖工厂设备的强大网络获取大量数据满足生产需要。现场总线采用数字式双向传输通信方式连接智能现场设备和控制系统，可以连接具有现场总线通信能力的智能现场设备，现场设备完成数据采集与运算，并把这些信息通过现场总线传输到集中控制室的操作员站上，运行人员通过操作员站查看各辅助控制系统的设备运行状态和控制就地设备。

2、现场总线控制的设计方案

2.1总体设计

某热电厂现场一级全面采用PROFIBUS现场总线技术，但是信号运算和逻辑控制的完成依然采用硬接线方式，，特别是涉及机组安全运行的重要保护和控制回路依旧采用较为常规的硬接线方式。

2.2现场总线协议的选择

（1）前电力行业应用较多的总线协议为：基金会现场总线（FF）、Profibus、HART、Devicenet、ASI、CAN、Modbus等。

（2）在这些标准中，比较适用于过程控制的现场总线标准是：FF（Foundation Fieldbus）和Profibus-DP/PA这两种主流现场总线标准。主要原因有：

l这两种总线标准的开发基础是分散控制系统（DCS）和可编程控制器（PLC），基本上是针对流程工业开发的，在国内外的石油、化工及电力上有最广泛的应用;

l这两种总线标准的配套产品比较齐全，国际上主要的仪表和控制设备供货商都有相应的系统产品支持;

l在国外已经投入运行的大范围采用现场总线技术的火力发电厂中，几乎全部采用了这两种标准，对锅炉和汽轮机热力系统这种复杂工艺工程控制的可靠性和实时性的应用已经比较成熟。

2.3（3）不同的DCS厂家隶属于不同的现场总线协议阵营，本文选用一种分散控制系统（DCS），在设备控制方面主要采用Profibus-DP协议，在过程仪表方面主要采用Profibus-PA协议。

采用现场总线纳入DCS监控的仪表和控制设备，其通讯协议选取的基本原则如下：

1）压力变送器、差压变送器——一般采用Profibus-PA协议，重要控制信号的变送器采用4-20mA + HART协议

2）雷达、超声波液位变送器——采用Profibus-PA协议

3）电磁流量计——220VAC供电，采用非冗余Profibus-DP协议

4）分析仪表——220VAC供电，采用非冗余Profibus-DP协议

5）温度信号，均采用热电阻或热电偶毫伏信号，硬接线。

6）电动阀门执行器——采用冗余Profibus-DP V1协议

7）气动调节阀——一般采用Profibus-PA协议，重要控制回路的调节阀采用4-20mA + HART协议

8）马达控制器——采用Profibus-DP V1协议

2.3现场总线的应用范围及原则

2.3.1现场总线技术应用的主要原则如下：

（1）影响机组安全运行的主机和主要辅机的控制和保护不纳入现场总线，如：

l 锅炉保护系统（FSS）

l 汽机数字电液控制系统（DEH）

l 汽轮机紧急跳闸系统（ETS）

l 事故顺序记录（SOE）

（2）用于联锁保护的开关型气动阀门、电磁阀，不纳入现场总线;

（3）用于重要保护连锁的开关量仪表，如压力开关、液位开关、温度开关等不纳入现场总线;

（4）对于调节型气动执行机构：用于非重要调节回路的，纳入现场总线;用于重要回路的，采用常规4-20mA电流信号+HART通信协议方式;保护功能通过DCS硬接线完成;

（5）对于调节型电动执行机构，用于非重要调节回路的，纳入现场总线，用于重要回路的，采用硬接线方式;

（6）对于开关型阀门电动装置，原则上纳入现场总线;用于重要系统的，采用硬接线方式;

（7）主机/辅机重要联锁信号保留硬接线;

（8）380V电动机采用现场总线（重要对象采用硬接线），6kV电动机不纳入现场总线;

（9）主机/辅机的温度测点，采用远程I/O;

（10）仅用于监视的测量信号，采用现场总线;

（11）闭环控制功能和功能组顺序控制逻辑在控制器中完成;

2.3.2主厂房内现场总线的应用范围主要包括：

（1）汽轮机及热力系统

（2）锅炉及锅炉吹灰系统

（3）脱硝系统

（4）脱硫系统

（5）除渣系统

2.4现场总线的网络结构

2.4.1 Profibus PA 现场总线网段设计应采用树型、分支或组合拓朴结构;PROFIBUS DP采用双冗余网络。

2.4.2 控制系统的设计应根据工艺流程的控制特点，合理配置总线网段数量和挂接的现场设备数量，以确保任何一条总线故障时，只产生工艺系统的局部故障，不会造成整个系统停运，并将这一影响限制在最小。网段设计的具体要求如下：

（1）冗余设置的现场仪表应接入不同网段;

（2）工艺上并列运行或冗余配置的设备，其相关驱动装置应连接在不同的网段上;

（3）控制阀门和其旁路阀门（如有）应连接到不同的现场总线网段;

（4）控制逻辑相关（同一控制回路中）的仪表和控制对象原则上挂接在同一总线网段上;

（5）同一工艺系统的电动机马达控制器和电动执行机构原则上一般连接在同一DP总线上，如MCC集中布置且距离电动执行机构距离较远时，马达控制器单独划分DP网段。

3、现场总线设备的安装

现场总线技术是一种数字通信技术，总线电缆属于通信电缆。从工程经验来看，信号干扰是总线系统可靠性的一大瓶颈，总线系统的可靠性主要取决于安装的工艺。虽然现场总线相对常规设备的安装工作量减少，但技术要求提高，对现场布线和接线的要求高。如通信光纤的熔接、通信电缆的分支连接、现场总线仪表通信接口接线等，有的需要使用专用设备和工具，有的需要特殊的工艺和方法。这些虽然不难掌握，但与常规安装工艺和方法有差别，需要一定的培训。某工程1号机组电建队伍第一次大规模安装总线设备，而且工程进度紧迫，大部分总线电缆布置和接线未能满足通信要求，造成在锅炉吹管阶段，相当一部分总线测点发生过因干扰跳变或离线，1号机组重要保护信号跳变且易受干扰，严重影响了机组的安全运行。因此，1、2号机组168试运前被迫进行大规模总线电缆现场整改，不仅增加了工作量，而且造成整套启动工作滞后。

4、结语

自动化系统网络化趋势越来越明显，现场总线技术是通信技术、计算机、网络交融发展的结合，代表着数字化火电厂的发展方向，现在已经广泛运用于各大中型电厂辅助控制系统和部分主控系统。然而鉴于现场总线的结构和分散特点，全厂采用该技术较少，而是大多数都应用在化学水处理、输煤程控等辅控系统，伴随网络技术的不断发展和元器件的更新，特别是结合高速以太网和网络拓扑结构以及物联网的发展，在全厂范围内采用现场总线将变得更加实际可行。现场总线尤其在分散更彻底方面更为突出，总线技术将会被更多电厂所采用。

参考文献：

[1]王刚，梁正玉.全厂現场总线技术在华能荆门2×350MW新建机组上的应用[J].河南电力，2015（4）：52-56.

[2]张战强.现场总线技术在660MW超临界机组上的应用分析[J].华电技术，2014（6）：45-47.

[3]李正军.现场总线与工业以太网及其应用技术控制[M].北京：机械工业出版社，2011.