现场总线技术在660 MW超临界机组上的应用分析

张战强

(神华国能宁夏煤电有限公司，银川 750410)

0 引言

数字化电厂是当今发电技术和智能电网技术发展的必由之路，而现场总线技术已经成为建设数字化电厂[1]的基础，是目前自动化技术的热点和发展趋势。通过现场总线技术，使现场热工设备智能化和数字化，不但可以实现常规的控制要求，还能把组(子组)级控制下放到现场设备级进行控制，彻底分散控制风险；另外,还能实现设备在线监视和诊断并实现资产在线管理，为电厂实现数字化、智能化管理提供了条件。随着现场总线控制技术及产品的不断发展完善，其凭借数字化、智能化优势，在新建和改造电站工程中引入现场总线技术越来越多。

目前国内各发电集团都十分关注现场总线控制技术的应用。现场总线控制系统(FCS)在国内电厂中的应用范围已不再局限于辅助车间。在吉林九台电厂、南京金陵电厂、神华胜利电厂等项目中，现场总线技术都在主厂房内得到大面积应用。在这些电厂的总线技术应用中，各分散控制系统(DCS)总线通信一般采用过程现场总线通信协议(PROFIBUS)或基金会现场总线(FF)通信协议，鲜有综合利用这2种总线技术的。本文以宁夏鸳鸯湖电厂(以下简称鸳鸯湖电厂)为例，介绍综合2种总线通信协议的新型现场总线控制系统在电厂的应用情况。

1 系统概述

鸳鸯湖电厂一期工程建设规模为2×660 MW超临界、直接空冷、凝汽式汽轮发电机组。锅炉为SG-2141/25.4-M978型、 2 141 t/h超临界压力直流锅炉；汽轮机为D600H型超临界直接空冷汽轮机。

DCS采用ABB公司基于现场总线技术、具有强大过程控制功能的Industrial IT System 800xA。该系统是一个功能完备的可扩展自动化系统，重新定义了控制系统功能性标准，将自动化系统的范围进行拓展，提供了一个单一的平台，将操作运行、工程组态和信息高度集成在一起。

2 现场总线技术的应用原则

2.1 FCS总线协议的选择

对于火电厂过程控制而言，在目前发展应用比较成熟的总线技术协议[2]中，FF较适用于连续量控制(取代4～20 mA模拟量)，能够完成较单纯的单回路或串级调节任务。但对于存在多回路耦合的复杂控制，如果网段、设备分布设计不当，将直接影响工艺系统及设备的安全运行。而PROFIBUS较适用于离散量控制，同时也适用于连续量控制，只是在连续量控制方面略逊于FF总线。

综合国内外现场总线的应用经验以及2种总线通信协议的技术特点，ABB公司推出了支持FF现场总线和PROFIBUS现场总线的Industrial IT System 800xA系统。鸳鸯湖电厂在国内首次采用这种技术方案。

2.2 FCS总线应用范围的确定

鉴于炉膛安全监控系统(FSSS)、汽轮机数字电液控制系统(DEH)、汽轮机本体紧急跳闸系统(ETS)对机组安全运行至关重要，而且对回路处理速度要求高，FSSS，DEH和ETS基本采用成熟的常规控制系统。其他方面，为保证事件顺序记录(SOE)的分辨率，仍采用常规DI卡或专用SOE卡；

二位式气动阀门布置较为分散，如采用带总线接口的阀岛进行控制不太合适，还是采用常规I/O方式接入DCS；温度信号如采用现场总线变送器，相对价格过高，仍沿用常规的远程I/O方式接入DCS。

目前，很多项目对现场总线的应用范围[3]仅在非主要设备、辅助工艺系统方面。控制功能方面，主要考虑非主要、单操设备的启停或开关操作，以及辅助系统设备的启停控制。

鸳鸯湖电厂在这些方面进行了一些尝试性应用，纳入现场总线控制的设备、工艺系统不仅局限于辅助系统或非主要单操设备。一些带保护、联锁控制的设备也采用了现场总线设备进行控制，最终纳入现场总线控制的系统如下：锅炉风烟系统；锅炉制粉系统；锅炉暖风器系统；汽轮机抽汽系统；汽轮机辅汽、轴封系统；汽机凝结水、疏水系统；汽轮机开、闭式水系统；脱硫系统。这些系统中包含数据采集和涉及保护联锁的设备，如锅炉二次风量、一次风量、密封风压力测量等。

3 现场总线技术的应用

3.1 系统网路及总线通信技术

Industrial IT System 800xA系统网路按域组建，采用常规的四级(厂级-客户/服务级-控制级-现场级)网路布置结构，通过对数据流量进行分级优化分工，确保各级网路获得最优的网路通信速率。现场总线设备在现场设备级上。

在鸳鸯湖电厂的应用中，总线技术分为2种，即控制器与I/O系统间数据交换采用2种方式。其一，利用控制器与该系统内置的模件总线(Module Bus)来实现。模件总线采用电气或光纤等介质，其中：电气介质将在模件安装端子单元的安装底座上直接提供；而光纤介质的使用则需要相应的接口电路及专门的通信接口设备等协助提供。该方式一般采用集中布置方案。其二，利用控制器与该I/O系统间的一级网路之现场总线来实现。不同现场总线通过特定的通信接口设备及介质来实现总线通信，现场总线采用远程布置方案，利用控制器的现场总线通信方式进行。当然，使用光纤模件总线和现场总线，最后均在I/O连接中由电气模件总线完成数据连接和系统整合。

另外，Industrial IT System 800xA系统现场总线是全方位完全冗余的，控制使用的控制器、通信处理模件、传输线路等均冗余。网络连接提供冗余的光缆连接方案，支持冗余、非冗余、线性、星型、环形等网络结构；电子间与就地柜间采用了冗余光缆连接。就地柜模件供电采用了冗余电源，不间断电源(UPS)和保安电源2路供电，保证了电源的可靠性。Industrial IT System 800xA全方位现场总线冗余方案设计大大提高了系统的可靠性，为现场总线的应用创造了条件。

3.2 现场总线网络结构

Industrial IT System 800xA系统提供了功能强大的现场总线连接，通过支持不同的通信协议(PROFIBUS，FF和HARD协议等)，利用各专用通信接口模件，引入不同的现场总线设备，组成总线网路通信系统。

3.2.1 FF总线网路

FF总线网路结构如图1所示。FF总线网路通过CI860通信卡与控制器连接通信，包括1个HSE网，H1总线连接可以有多个。FF子系统由FF连接设备(LD)组成，FF连接设备(LD)与使用高速以太网(HSE)协议的设备进行通信。通常1个FF连接设备(LD)可以提供多个FF H1网段。FF连接设备带一个42c的设备类，其允许这些在H1网段循环发布的过程数据发布到HSE网段上。使用HSE发布功能，可以使不同H1网段上的设备与HSE网段上的设备组态循环数据通信。

图1 FF总线网路结构

HSE网络支持总线型、星型及环型结构，通信速率100 Mbits/s，传输介质、距离与标准以太网相同。FF总线H1网典型的网络拓扑结构有点对点、总线型和树型，传输速率统一为31.25 kbits/s。H1网传输介质采用双纹线，双绞线分A类线(非本安场合)和B类线(本安场合)。H1总线为总线供电，为现场设备提供电源。

3.2.2 PROFIBUS总线网路

PROFIBUS总线网路结构如图2所示。PROFIBUS总线网路通过CI854通信卡与控制器连接通信，主要分DP总线和PA总线2种网段，主站间按令牌环方式，主站和从站按主从方式工作。传输介质为屏蔽双绞线(分DP总线和PA总线2种)，PA总线通过DP/PA COUPLE耦合器转化为DP总线连接到控制站上。DP总线最大传输速率12 Mbits/s，PA总线传输速率统一为31.25 kbits/s，可用中继器(Repeater)增加传输距离。

图2 PROFIBUS总线网路结构

PA总线一般连接就地变送器等仪表，DP总线连接电动门、电气400 V马达泵等执行机构，2种总线均最多允许使用4个中继器，扩展5段总线，每条总线各网段末端设有终端电阻。

3.3 现场总线设备的应用

PROFIBUS-DP设备包含所有现场总线执行器以及400 V电动马达。执行器总线通信采用冗余设计，使用双通道总线接口板实现通信冗余；400 V电动马达SIMOCORD通信未采用冗余设计。

FF现场设备不支持冗余，因此现场设备直接使用H1电缆接入现场就地接线盒，这种现场总线就地接线盒每个分支都有短路保护和主干漏电保护，易接地，防屏蔽，具有较高的可靠性。鸳鸯湖电厂FF现场设备主要是现场使用的仪表、变送器，如压力、差异、流量、液位等变送器。

现场总线就地设备一般包含有资源块、传感器块和功能块3种。其中，资源块可以使主机控制器读取就地设备的物理特性信息(如设备类型、状态等)；传感器块用来连接物理传感器或执行机构到信息中心，读取温度、压力、阀位等信息；功能块独立于主机系统，封装基本的自动化功能，通过总线虚拟通信技术，实现总线设备的现场控制。

在现场总线控制系统中，除通过DCS控制器内部运算来控制现场总线设备外，还可以进行总线设备之间的现场控制(如图3所示)，无需经过DCS的AP控制器，通过现场总线设备的内部功能块运算，利用总线虚拟通信技术，读取需要的控制信息，完成简单的自动化控制功能。

图3 现场总线设备就地控制流程

4 总线技术应用经验

现场总线技术已经在现有电厂中得到大量应用，但是2种总线技术同时在660 MW机组上大规模运用还未见报道，鸳鸯湖电厂一期工程通过工程实施，积累了一些有益经验。

(1)通过对PROFIBUS和FF 2种现场总线综合应用实践，充分利用了2种总线的技术优点，丰富了FCS的使用内涵，突出了总线技术应用优势。但这种混合使用方式基于某个强大的DCS通信协议的兼容性，在大面积推广方面还没有统一模式；2种总线现场设备的使用对技术人员提出了更高的要求。

(2)现场总线在全厂范围全面使用，其设备故障的诊断问题和网路的安全性问题一直受到关注。尽管各总线厂家开发了多种诊断设备，但如何对总线设备故障进行在线诊断一直是困扰传统技术人员的一大难题；现场总线网络不采用冗余方式是可以接受的，但总线上的某个节点故障而封锁总线时，将影响总线大部分设备的工作。由于对可靠性和安全性的要求，Industrial IT System 800xA系统现场总线采用了全方位冗余设计配置，这在一定程度上抵消了现场总线节省布线的优点，增加了工程造价。今后结合电厂的实际情况，结合工艺系统的特点，采取什么样的冗余方案，值得探讨。

(3)DCS冗余控制器的部分计算功能分散到现场总线智能仪表中，可以实现彻底控制分散，降低DCS控制器故障的影响范围；但这种双向通信增加了网络负担，降低了总线网络的可靠性。

(4) 以总线型现场仪表为基础的现场总线控制系统，在功能上已经具备信息管理、问题诊断以及控制优化等能力，但出于人才、管理等方面因素考虑，其应用广度和深度是有限的，现场总线技术全面的智能化使用还有待时日。

5 结论

现场总线控制系统已经成为一种成熟的控制系统，是建设数字化、智能化电厂的需要，但还需要在电站工程实践中不断扩大应用范围。PROFIBUS和FF现场总线综合应用模式在鸳鸯湖电厂的尝试是成功的，丰富了现场总线控制系统的使用内涵，积累了设计和工程经验。根据应用经验和实际效果，将在后续工程中适当推广。

参考文献：

[1]刘宇穗,张振全,李军,等.数字化电厂架构及现场总线控制系统设计[J].热力发电，2008(12)：83-85.

[2]赵瑞阳.现场总线技术在电厂的应用[J].发电设备,2006(1)：63-65.

[3]黄冬兰,吴国瑛.现场总线技术在数字化电厂中的应用范围及投资分析[J].工业控制计算机，2009(8)：74-76.