張戰(zhàn)強

(神華國能寧夏煤電有限公司，銀川 750410)

0 引言

數(shù)字化電廠是當今發(fā)電技術和智能電網(wǎng)技術發(fā)展的必由之路，而現(xiàn)場總線技術已經(jīng)成為建設數(shù)字化電廠[1]的基礎，是目前自動化技術的熱點和發(fā)展趨勢。通過現(xiàn)場總線技術，使現(xiàn)場熱工設備智能化和數(shù)字化，不但可以實現(xiàn)常規(guī)的控制要求，還能把組(子組)級控制下放到現(xiàn)場設備級進行控制，徹底分散控制風險；另外,還能實現(xiàn)設備在線監(jiān)視和診斷并實現(xiàn)資產(chǎn)在線管理，為電廠實現(xiàn)數(shù)字化、智能化管理提供了條件。隨著現(xiàn)場總線控制技術及產(chǎn)品的不斷發(fā)展完善，其憑借數(shù)字化、智能化優(yōu)勢，在新建和改造電站工程中引入現(xiàn)場總線技術越來越多。

目前國內(nèi)各發(fā)電集團都十分關注現(xiàn)場總線控制技術的應用?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS)在國內(nèi)電廠中的應用范圍已不再局限于輔助車間。在吉林九臺電廠、南京金陵電廠、神華勝利電廠等項目中，現(xiàn)場總線技術都在主廠房內(nèi)得到大面積應用。在這些電廠的總線技術應用中，各分散控制系統(tǒng)(DCS)總線通信一般采用過程現(xiàn)場總線通信協(xié)議(PROFIBUS)或基金會現(xiàn)場總線(FF)通信協(xié)議，鮮有綜合利用這2種總線技術的。本文以寧夏鴛鴦湖電廠(以下簡稱鴛鴦湖電廠)為例，介紹綜合2種總線通信協(xié)議的新型現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)在電廠的應用情況。

1 系統(tǒng)概述

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

DCS采用ABB公司基于現(xiàn)場總線技術、具有強大過程控制功能的Industrial IT System 800xA。該系統(tǒng)是一個功能完備的可擴展自動化系統(tǒng)，重新定義了控制系統(tǒng)功能性標準，將自動化系統(tǒng)的范圍進行拓展，提供了一個單一的平臺，將操作運行、工程組態(tài)和信息高度集成在一起。

2 現(xiàn)場總線技術的應用原則

2.1 FCS總線協(xié)議的選擇

對于火電廠過程控制而言，在目前發(fā)展應用比較成熟的總線技術協(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調(diào)節(jié)任務。但對于存在多回路耦合的復雜控制，如果網(wǎng)段、設備分布設計不當，將直接影響工藝系統(tǒng)及設備的安全運行。而PROFIBUS較適用于離散量控制，同時也適用于連續(xù)量控制，只是在連續(xù)量控制方面略遜于FF總線。

綜合國內(nèi)外現(xiàn)場總線的應用經(jīng)驗以及2種總線通信協(xié)議的技術特點，ABB公司推出了支持FF現(xiàn)場總線和PROFIBUS現(xiàn)場總線的Industrial IT System 800xA系統(tǒng)。鴛鴦湖電廠在國內(nèi)首次采用這種技術方案。

2.2 FCS總線應用范圍的確定

鑒于爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)(FSSS)、汽輪機數(shù)字電液控制系統(tǒng)(DEH)、汽輪機本體緊急跳閘系統(tǒng)(ETS)對機組安全運行至關重要，而且對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；

二位式氣動閥門布置較為分散，如采用帶總線接口的閥島進行控制不太合適，還是采用常規(guī)I/O方式接入DCS；溫度信號如采用現(xiàn)場總線變送器，相對價格過高，仍沿用常規(guī)的遠程I/O方式接入DCS。

目前，很多項目對現(xiàn)場總線的應用范圍[3]僅在非主要設備、輔助工藝系統(tǒng)方面?？刂乒δ芊矫妫饕紤]非主要、單操設備的啟?；蜷_關操作，以及輔助系統(tǒng)設備的啟停控制。

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

3 現(xiàn)場總線技術的應用

3.1 系統(tǒng)網(wǎng)路及總線通信技術

Industrial IT System 800xA系統(tǒng)網(wǎng)路按域組建，采用常規(guī)的四級(廠級-客戶/服務級-控制級-現(xiàn)場級)網(wǎng)路布置結(jié)構(gòu)，通過對數(shù)據(jù)流量進行分級優(yōu)化分工，確保各級網(wǎng)路獲得最優(yōu)的網(wǎng)路通信速率。現(xiàn)場總線設備在現(xiàn)場設備級上。

在鴛鴦湖電廠的應用中，總線技術分為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)來實現(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)的使用則需要相應的接口電路及專門的通信接口設備等協(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)間的一級網(wǎng)路之現(xiàn)場總線來實現(xiàn)。不同現(xiàn)場總線通過特定的通信接口設備及介質(zhì)來實現(xiàn)總線通信，現(xiàn)場總線采用遠程布置方案，利用控制器的現(xiàn)場總線通信方式進行。當然，使用光纖模件總線和現(xiàn)場總線，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)場總線冗余方案設計大大提高了系統(tǒng)的可靠性，為現(xiàn)場總線的應用創(chuàng)造了條件。

3.2 現(xiàn)場總線網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)

Industrial IT System 800xA系統(tǒng)提供了功能強大的現(xiàn)場總線連接，通過支持不同的通信協(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)場總線設備，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CI860通信卡與控制器連接通信，包括1個HSE網(wǎng)，H1總線連接可以有多個。FF子系統(tǒng)由FF連接設備(LD)組成，F(xiàn)F連接設備(LD)與使用高速以太網(wǎng)(HSE)協(xié)議的設備進行通信。通常1個FF連接設備(LD)可以提供多個FF H1網(wǎng)段。FF連接設備帶一個42c的設備類，其允許這些在H1網(wǎng)段循環(huán)發(fā)布的過程數(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)段上的設備與HSE網(wǎng)段上的設備組態(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)、距離與標準以太網(wǎng)相同。FF總線H1網(wǎng)典型的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)有點對點、總線型和樹型，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類線(非本安場合)和B類線(本安場合)。H1總線為總線供電，為現(xiàn)場設備提供電源。

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總線連接電動門、電氣400 V馬達泵等執(zhí)行機構(gòu)，2種總線均最多允許使用4個中繼器，擴展5段總線，每條總線各網(wǎng)段末端設有終端電阻。

3.3 現(xiàn)場總線設備的應用

PROFIBUS-DP設備包含所有現(xiàn)場總線執(zhí)行器以及400 V電動馬達。執(zhí)行器總線通信采用冗余設計，使用雙通道總線接口板實現(xiàn)通信冗余；400 V電動馬達SIMOCORD通信未采用冗余設計。

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

現(xiàn)場總線就地設備一般包含有資源塊、傳感器塊和功能塊3種。其中，資源塊可以使主機控制器讀取就地設備的物理特性信息(如設備類型、狀態(tài)等)；傳感器塊用來連接物理傳感器或執(zhí)行機構(gòu)到信息中心，讀取溫度、壓力、閥位等信息；功能塊獨立于主機系統(tǒng)，封裝基本的自動化功能，通過總線虛擬通信技術，實現(xiàn)總線設備的現(xiàn)場控制。

在現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)中，除通過DCS控制器內(nèi)部運算來控制現(xiàn)場總線設備外，還可以進行總線設備之間的現(xiàn)場控制(如圖3所示)，無需經(jīng)過DCS的AP控制器，通過現(xiàn)場總線設備的內(nèi)部功能塊運算，利用總線虛擬通信技術，讀取需要的控制信息，完成簡單的自動化控制功能。

圖3 現(xiàn)場總線設備就地控制流程

4 總線技術應用經(jīng)驗

現(xiàn)場總線技術已經(jīng)在現(xiàn)有電廠中得到大量應用，但是2種總線技術同時在660 MW機組上大規(guī)模運用還未見報道，鴛鴦湖電廠一期工程通過工程實施，積累了一些有益經(jīng)驗。

(1)通過對PROFIBUS和FF 2種現(xiàn)場總線綜合應用實踐，充分利用了2種總線的技術優(yōu)點，豐富了FCS的使用內(nèi)涵，突出了總線技術應用優(yōu)勢。但這種混合使用方式基于某個強大的DCS通信協(xié)議的兼容性，在大面積推廣方面還沒有統(tǒng)一模式；2種總線現(xiàn)場設備的使用對技術人員提出了更高的要求。

(2)現(xiàn)場總線在全廠范圍全面使用，其設備故障的診斷問題和網(wǎng)路的安全性問題一直受到關注。盡管各總線廠家開發(fā)了多種診斷設備，但如何對總線設備故障進行在線診斷一直是困擾傳統(tǒng)技術人員的一大難題；現(xiàn)場總線網(wǎng)絡不采用冗余方式是可以接受的，但總線上的某個節(jié)點故障而封鎖總線時，將影響總線大部分設備的工作。由于對可靠性和安全性的要求，Industrial IT System 800xA系統(tǒng)現(xiàn)場總線采用了全方位冗余設計配置，這在一定程度上抵消了現(xiàn)場總線節(jié)省布線的優(yōu)點，增加了工程造價。今后結(jié)合電廠的實際情況，結(jié)合工藝系統(tǒng)的特點，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算功能分散到現(xiàn)場總線智能儀表中，可以實現(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)絡負擔，降低了總線網(wǎng)絡的可靠性。

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

5 結(jié)論

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

參考文獻：

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

[2]趙瑞陽.現(xiàn)場總線技術在電廠的應用[J].發(fā)電設備,2006(1)：63-65.

[3]黃冬蘭,吳國瑛.現(xiàn)場總線技術在數(shù)字化電廠中的應用范圍及投資分析[J].工業(yè)控制計算機，2009(8)：74-76.