現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在660 MW超臨界機(jī)組上的應(yīng)用分析

張戰(zhàn)強(qiáng)

(神華國(guó)能寧夏煤電有限公司，銀川 750410)

0 引言

數(shù)字化電廠是當(dāng)今發(fā)電技術(shù)和智能電網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的必由之路，而現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)已經(jīng)成為建設(shè)數(shù)字化電廠[1]的基礎(chǔ)，是目前自動(dòng)化技術(shù)的熱點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，使現(xiàn)場(chǎng)熱工設(shè)備智能化和數(shù)字化，不但可以實(shí)現(xiàn)常規(guī)的控制要求，還能把組(子組)級(jí)控制下放到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備級(jí)進(jìn)行控制，徹底分散控制風(fēng)險(xiǎn)；另外,還能實(shí)現(xiàn)設(shè)備在線監(jiān)視和診斷并實(shí)現(xiàn)資產(chǎn)在線管理，為電廠實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、智能化管理提供了條件。隨著現(xiàn)場(chǎng)總線控制技術(shù)及產(chǎn)品的不斷發(fā)展完善，其憑借數(shù)字化、智能化優(yōu)勢(shì)，在新建和改造電站工程中引入現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)越來(lái)越多。

目前國(guó)內(nèi)各發(fā)電集團(tuán)都十分關(guān)注現(xiàn)場(chǎng)總線控制技術(shù)的應(yīng)用?，F(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)(FCS)在國(guó)內(nèi)電廠中的應(yīng)用范圍已不再局限于輔助車(chē)間。在吉林九臺(tái)電廠、南京金陵電廠、神華勝利電廠等項(xiàng)目中，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)都在主廠房?jī)?nèi)得到大面積應(yīng)用。在這些電廠的總線技術(shù)應(yīng)用中，各分散控制系統(tǒng)(DCS)總線通信一般采用過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)總線通信協(xié)議(PROFIBUS)或基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線(FF)通信協(xié)議，鮮有綜合利用這2種總線技術(shù)的。本文以寧夏鴛鴦湖電廠(以下簡(jiǎn)稱鴛鴦湖電廠)為例，介紹綜合2種總線通信協(xié)議的新型現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)在電廠的應(yīng)用情況。

1 系統(tǒng)概述

鴛鴦湖電廠一期工程建設(shè)規(guī)模為2×660 MW超臨界、直接空冷、凝汽式汽輪發(fā)電機(jī)組。鍋爐為SG-2141/25.4-M978型、 2 141 t/h超臨界壓力直流鍋爐；汽輪機(jī)為D600H型超臨界直接空冷汽輪機(jī)。

DCS采用ABB公司基于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)、具有強(qiáng)大過(guò)程控制功能的Industrial IT System 800xA。該系統(tǒng)是一個(gè)功能完備的可擴(kuò)展自動(dòng)化系統(tǒng)，重新定義了控制系統(tǒng)功能性標(biāo)準(zhǔn)，將自動(dòng)化系統(tǒng)的范圍進(jìn)行拓展，提供了一個(gè)單一的平臺(tái)，將操作運(yùn)行、工程組態(tài)和信息高度集成在一起。

2 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的應(yīng)用原則

2.1 FCS總線協(xié)議的選擇

對(duì)于火電廠過(guò)程控制而言，在目前發(fā)展應(yīng)用比較成熟的總線技術(shù)協(xié)議[2]中，F(xiàn)F較適用于連續(xù)量控制(取代4～20 mA模擬量)，能夠完成較單純的單回路或串級(jí)調(diào)節(jié)任務(wù)。但對(duì)于存在多回路耦合的復(fù)雜控制，如果網(wǎng)段、設(shè)備分布設(shè)計(jì)不當(dāng)，將直接影響工藝系統(tǒng)及設(shè)備的安全運(yùn)行。而PROFIBUS較適用于離散量控制，同時(shí)也適用于連續(xù)量控制，只是在連續(xù)量控制方面略遜于FF總線。

綜合國(guó)內(nèi)外現(xiàn)場(chǎng)總線的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)以及2種總線通信協(xié)議的技術(shù)特點(diǎn)，ABB公司推出了支持FF現(xiàn)場(chǎng)總線和PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線的Industrial IT System 800xA系統(tǒng)。鴛鴦湖電廠在國(guó)內(nèi)首次采用這種技術(shù)方案。

2.2 FCS總線應(yīng)用范圍的確定

鑒于爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)(FSSS)、汽輪機(jī)數(shù)字電液控制系統(tǒng)(DEH)、汽輪機(jī)本體緊急跳閘系統(tǒng)(ETS)對(duì)機(jī)組安全運(yùn)行至關(guān)重要，而且對(duì)回路處理速度要求高，F(xiàn)SSS，DEH和ETS基本采用成熟的常規(guī)控制系統(tǒng)。其他方面，為保證事件順序記錄(SOE)的分辨率，仍采用常規(guī)DI卡或?qū)Ｓ肧OE卡；

二位式氣動(dòng)閥門(mén)布置較為分散，如采用帶總線接口的閥島進(jìn)行控制不太合適，還是采用常規(guī)I/O方式接入DCS；溫度信號(hào)如采用現(xiàn)場(chǎng)總線變送器，相對(duì)價(jià)格過(guò)高，仍沿用常規(guī)的遠(yuǎn)程I/O方式接入DCS。

目前，很多項(xiàng)目對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線的應(yīng)用范圍[3]僅在非主要設(shè)備、輔助工藝系統(tǒng)方面?？刂乒δ芊矫妫饕紤]非主要、單操設(shè)備的啟?；蜷_(kāi)關(guān)操作，以及輔助系統(tǒng)設(shè)備的啟?？刂?。

鴛鴦湖電廠在這些方面進(jìn)行了一些嘗試性應(yīng)用，納入現(xiàn)場(chǎng)總線控制的設(shè)備、工藝系統(tǒng)不僅局限于輔助系統(tǒng)或非主要單操設(shè)備。一些帶保護(hù)、聯(lián)鎖控制的設(shè)備也采用了現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備進(jìn)行控制，最終納入現(xiàn)場(chǎng)總線控制的系統(tǒng)如下：鍋爐風(fēng)煙系統(tǒng)；鍋爐制粉系統(tǒng)；鍋爐暖風(fēng)器系統(tǒng)；汽輪機(jī)抽汽系統(tǒng)；汽輪機(jī)輔汽、軸封系統(tǒng)；汽機(jī)凝結(jié)水、疏水系統(tǒng)；汽輪機(jī)開(kāi)、閉式水系統(tǒng)；脫硫系統(tǒng)。這些系統(tǒng)中包含數(shù)據(jù)采集和涉及保護(hù)聯(lián)鎖的設(shè)備，如鍋爐二次風(fēng)量、一次風(fēng)量、密封風(fēng)壓力測(cè)量等。

3 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的應(yīng)用

3.1 系統(tǒng)網(wǎng)路及總線通信技術(shù)

Industrial IT System 800xA系統(tǒng)網(wǎng)路按域組建，采用常規(guī)的四級(jí)(廠級(jí)-客戶/服務(wù)級(jí)-控制級(jí)-現(xiàn)場(chǎng)級(jí))網(wǎng)路布置結(jié)構(gòu)，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)流量進(jìn)行分級(jí)優(yōu)化分工，確保各級(jí)網(wǎng)路獲得最優(yōu)的網(wǎng)路通信速率?，F(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備級(jí)上。

在鴛鴦湖電廠的應(yīng)用中，總線技術(shù)分為2種，即控制器與I/O系統(tǒng)間數(shù)據(jù)交換采用2種方式。其一，利用控制器與該系統(tǒng)內(nèi)置的模件總線(Module Bus)來(lái)實(shí)現(xiàn)。模件總線采用電氣或光纖等介質(zhì)，其中：電氣介質(zhì)將在模件安裝端子單元的安裝底座上直接提供；而光纖介質(zhì)的使用則需要相應(yīng)的接口電路及專門(mén)的通信接口設(shè)備等協(xié)助提供。該方式一般采用集中布置方案。其二，利用控制器與該I/O系統(tǒng)間的一級(jí)網(wǎng)路之現(xiàn)場(chǎng)總線來(lái)實(shí)現(xiàn)。不同現(xiàn)場(chǎng)總線通過(guò)特定的通信接口設(shè)備及介質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)總線通信，現(xiàn)場(chǎng)總線采用遠(yuǎn)程布置方案，利用控制器的現(xiàn)場(chǎng)總線通信方式進(jìn)行。當(dāng)然，使用光纖模件總線和現(xiàn)場(chǎng)總線，最后均在I/O連接中由電氣模件總線完成數(shù)據(jù)連接和系統(tǒng)整合。

另外，Industrial IT System 800xA系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線是全方位完全冗余的，控制使用的控制器、通信處理模件、傳輸線路等均冗余。網(wǎng)絡(luò)連接提供冗余的光纜連接方案，支持冗余、非冗余、線性、星型、環(huán)形等網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；電子間與就地柜間采用了冗余光纜連接。就地柜模件供電采用了冗余電源，不間斷電源(UPS)和保安電源2路供電，保證了電源的可靠性。Industrial IT System 800xA全方位現(xiàn)場(chǎng)總線冗余方案設(shè)計(jì)大大提高了系統(tǒng)的可靠性，為現(xiàn)場(chǎng)總線的應(yīng)用創(chuàng)造了條件。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

Industrial IT System 800xA系統(tǒng)提供了功能強(qiáng)大的現(xiàn)場(chǎng)總線連接，通過(guò)支持不同的通信協(xié)議(PROFIBUS，F(xiàn)F和HARD協(xié)議等)，利用各專用通信接口模件，引入不同的現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備，組成總線網(wǎng)路通信系統(tǒng)。

3.2.1 FF總線網(wǎng)路

FF總線網(wǎng)路結(jié)構(gòu)如圖1所示。FF總線網(wǎng)路通過(guò)CI860通信卡與控制器連接通信，包括1個(gè)HSE網(wǎng)，H1總線連接可以有多個(gè)。FF子系統(tǒng)由FF連接設(shè)備(LD)組成，F(xiàn)F連接設(shè)備(LD)與使用高速以太網(wǎng)(HSE)協(xié)議的設(shè)備進(jìn)行通信。通常1個(gè)FF連接設(shè)備(LD)可以提供多個(gè)FF H1網(wǎng)段。FF連接設(shè)備帶一個(gè)42c的設(shè)備類(lèi)，其允許這些在H1網(wǎng)段循環(huán)發(fā)布的過(guò)程數(shù)據(jù)發(fā)布到HSE網(wǎng)段上。使用HSE發(fā)布功能，可以使不同H1網(wǎng)段上的設(shè)備與HSE網(wǎng)段上的設(shè)備組態(tài)循環(huán)數(shù)據(jù)通信。

圖1 FF總線網(wǎng)路結(jié)構(gòu)

HSE網(wǎng)絡(luò)支持總線型、星型及環(huán)型結(jié)構(gòu)，通信速率100 Mbits/s，傳輸介質(zhì)、距離與標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)相同。FF總線H1網(wǎng)典型的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、總線型和樹(shù)型，傳輸速率統(tǒng)一為31.25 kbits/s。H1網(wǎng)傳輸介質(zhì)采用雙紋線，雙絞線分A類(lèi)線(非本安場(chǎng)合)和B類(lèi)線(本安場(chǎng)合)。H1總線為總線供電，為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備提供電源。

3.2.2 PROFIBUS總線網(wǎng)路

PROFIBUS總線網(wǎng)路結(jié)構(gòu)如圖2所示。PROFIBUS總線網(wǎng)路通過(guò)CI854通信卡與控制器連接通信，主要分DP總線和PA總線2種網(wǎng)段，主站間按令牌環(huán)方式，主站和從站按主從方式工作。傳輸介質(zhì)為屏蔽雙絞線(分DP總線和PA總線2種)，PA總線通過(guò)DP/PA COUPLE耦合器轉(zhuǎn)化為DP總線連接到控制站上。DP總線最大傳輸速率12 Mbits/s，PA總線傳輸速率統(tǒng)一為31.25 kbits/s，可用中繼器(Repeater)增加傳輸距離。

圖2 PROFIBUS總線網(wǎng)路結(jié)構(gòu)

PA總線一般連接就地變送器等儀表，DP總線連接電動(dòng)門(mén)、電氣400 V馬達(dá)泵等執(zhí)行機(jī)構(gòu)，2種總線均最多允許使用4個(gè)中繼器，擴(kuò)展5段總線，每條總線各網(wǎng)段末端設(shè)有終端電阻。

3.3 現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備的應(yīng)用

PROFIBUS-DP設(shè)備包含所有現(xiàn)場(chǎng)總線執(zhí)行器以及400 V電動(dòng)馬達(dá)。執(zhí)行器總線通信采用冗余設(shè)計(jì)，使用雙通道總線接口板實(shí)現(xiàn)通信冗余；400 V電動(dòng)馬達(dá)SIMOCORD通信未采用冗余設(shè)計(jì)。

FF現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備不支持冗余，因此現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備直接使用H1電纜接入現(xiàn)場(chǎng)就地接線盒，這種現(xiàn)場(chǎng)總線就地接線盒每個(gè)分支都有短路保護(hù)和主干漏電保護(hù)，易接地，防屏蔽，具有較高的可靠性。鴛鴦湖電廠FF現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備主要是現(xiàn)場(chǎng)使用的儀表、變送器，如壓力、差異、流量、液位等變送器。

現(xiàn)場(chǎng)總線就地設(shè)備一般包含有資源塊、傳感器塊和功能塊3種。其中，資源塊可以使主機(jī)控制器讀取就地設(shè)備的物理特性信息(如設(shè)備類(lèi)型、狀態(tài)等)；傳感器塊用來(lái)連接物理傳感器或執(zhí)行機(jī)構(gòu)到信息中心，讀取溫度、壓力、閥位等信息；功能塊獨(dú)立于主機(jī)系統(tǒng)，封裝基本的自動(dòng)化功能，通過(guò)總線虛擬通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)總線設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)控制。

在現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)中，除通過(guò)DCS控制器內(nèi)部運(yùn)算來(lái)控制現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備外，還可以進(jìn)行總線設(shè)備之間的現(xiàn)場(chǎng)控制(如圖3所示)，無(wú)需經(jīng)過(guò)DCS的AP控制器，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備的內(nèi)部功能塊運(yùn)算，利用總線虛擬通信技術(shù)，讀取需要的控制信息，完成簡(jiǎn)單的自動(dòng)化控制功能。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備就地控制流程

4 總線技術(shù)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)

現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)已經(jīng)在現(xiàn)有電廠中得到大量應(yīng)用，但是2種總線技術(shù)同時(shí)在660 MW機(jī)組上大規(guī)模運(yùn)用還未見(jiàn)報(bào)道，鴛鴦湖電廠一期工程通過(guò)工程實(shí)施，積累了一些有益經(jīng)驗(yàn)。

(1)通過(guò)對(duì)PROFIBUS和FF 2種現(xiàn)場(chǎng)總線綜合應(yīng)用實(shí)踐，充分利用了2種總線的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，豐富了FCS的使用內(nèi)涵，突出了總線技術(shù)應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。但這種混合使用方式基于某個(gè)強(qiáng)大的DCS通信協(xié)議的兼容性，在大面積推廣方面還沒(méi)有統(tǒng)一模式；2種總線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的使用對(duì)技術(shù)人員提出了更高的要求。

(2)現(xiàn)場(chǎng)總線在全廠范圍全面使用，其設(shè)備故障的診斷問(wèn)題和網(wǎng)路的安全性問(wèn)題一直受到關(guān)注。盡管各總線廠家開(kāi)發(fā)了多種診斷設(shè)備，但如何對(duì)總線設(shè)備故障進(jìn)行在線診斷一直是困擾傳統(tǒng)技術(shù)人員的一大難題；現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)不采用冗余方式是可以接受的，但總線上的某個(gè)節(jié)點(diǎn)故障而封鎖總線時(shí)，將影響總線大部分設(shè)備的工作。由于對(duì)可靠性和安全性的要求，Industrial IT System 800xA系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線采用了全方位冗余設(shè)計(jì)配置，這在一定程度上抵消了現(xiàn)場(chǎng)總線節(jié)省布線的優(yōu)點(diǎn)，增加了工程造價(jià)。今后結(jié)合電廠的實(shí)際情況，結(jié)合工藝系統(tǒng)的特點(diǎn)，采取什么樣的冗余方案，值得探討。

(3)DCS冗余控制器的部分計(jì)算功能分散到現(xiàn)場(chǎng)總線智能儀表中，可以實(shí)現(xiàn)徹底控制分散，降低DCS控制器故障的影響范圍；但這種雙向通信增加了網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)，降低了總線網(wǎng)絡(luò)的可靠性。

(4) 以總線型現(xiàn)場(chǎng)儀表為基礎(chǔ)的現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)，在功能上已經(jīng)具備信息管理、問(wèn)題診斷以及控制優(yōu)化等能力，但出于人才、管理等方面因素考慮，其應(yīng)用廣度和深度是有限的，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)全面的智能化使用還有待時(shí)日。

5 結(jié)論

現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)已經(jīng)成為一種成熟的控制系統(tǒng)，是建設(shè)數(shù)字化、智能化電廠的需要，但還需要在電站工程實(shí)踐中不斷擴(kuò)大應(yīng)用范圍。PROFIBUS和FF現(xiàn)場(chǎng)總線綜合應(yīng)用模式在鴛鴦湖電廠的嘗試是成功的，豐富了現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的使用內(nèi)涵，積累了設(shè)計(jì)和工程經(jīng)驗(yàn)。根據(jù)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際效果，將在后續(xù)工程中適當(dāng)推廣。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉宇穗,張振全,李軍,等.數(shù)字化電廠架構(gòu)及現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].熱力發(fā)電，2008(12)：83-85.

[2]趙瑞陽(yáng).現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在電廠的應(yīng)用[J].發(fā)電設(shè)備,2006(1)：63-65.

[3]黃冬蘭,吳國(guó)瑛.現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在數(shù)字化電廠中的應(yīng)用范圍及投資分析[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2009(8)：74-76.