［摘 要］現(xiàn)場總線是自動化系統(tǒng)中的一種將大量現(xiàn)場級設(shè)備和操作級設(shè)備相連的工業(yè)通訊系統(tǒng)。文章論述了現(xiàn)場總線技術(shù)的優(yōu)點，介紹了總線控制系統(tǒng)配置原則，通過對比現(xiàn)場總線方案與常規(guī)方案經(jīng)濟性得出，采用現(xiàn)場總線方案不僅節(jié)省了較多費用，同時全面提升了電廠自動化、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)濟性

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

1 現(xiàn)場總線概述

傳統(tǒng)集中控制方式一般點對點，即現(xiàn)場設(shè)備與控制器之間采用一對一的I/O 接線方式，傳遞開關(guān)量信號或模擬量信號（電流/ 電壓信號）。而現(xiàn)場總線是安裝在生產(chǎn)過程區(qū)域中的現(xiàn)場設(shè)備/ 儀表與自動控制裝置/ 系統(tǒng)之間的一種串行、數(shù)字式、多點、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)備級的模擬量/ 開關(guān)量信號，使用1 根電纜連接所有現(xiàn)場設(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)場總線的優(yōu)勢

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

（1）具有較高的性價比，系統(tǒng)綜合成本大幅減少。應(yīng)用現(xiàn)場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)的費用大幅減少，同時維護(hù)和改造停工時間可減少60%～80%。

（2）系統(tǒng)性能大幅提高?？勺詣釉\斷、顯示故障位置；診斷內(nèi)容包括總線節(jié)點的通訊故障、電源故障，以及現(xiàn)場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)字信號通訊，有效提高了系統(tǒng)的測量和控制精度。

（4）系統(tǒng)調(diào)試更加靈活方便。可根據(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，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)，具有強大的抗干擾能力。

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

3 工程建設(shè)方案和技術(shù)經(jīng)濟分析

3.1 總線控制系統(tǒng)配置原則現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的優(yōu)良特性取決于幾個因素：①系統(tǒng)的可靠/ 可用性；②系統(tǒng)的高實時性。

3.1.1 提高現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的可靠/可用性措施

（1）堅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)場總線設(shè)備的冗余DP 口，應(yīng)分別采用獨立的DP 通信模塊，而不是1 個DP 通信模塊的兩個分支接口。

（4）對于技術(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)對應(yīng)的現(xiàn)場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行或冗余配置的設(shè)備（如引風(fēng)機A 油站1 號油泵馬達(dá)控制器，2 號油泵馬達(dá)控制器），應(yīng)配置在同一控制器下不同的現(xiàn)場總線網(wǎng)段上。

（6）同一個現(xiàn)場網(wǎng)段上不配置兩個重要驅(qū)動設(shè)備。

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

（8）同一現(xiàn)場總線接口模塊使用的端口數(shù)量不超過兩個（立足危險分散原則，兼顧經(jīng)濟考量）。

3.1.2 保證現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的實時性措施

（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)擴展性等因素，建議低速總線每個網(wǎng)段的總長度小于1 200 m，網(wǎng)段上每個分支電纜長度不宜超過30 m。

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

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

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

根據(jù)對已經(jīng)投產(chǎn)的項目的追蹤和工程回訪信息反饋，已投運火電廠采用輸煤系統(tǒng)全現(xiàn)場總線技術(shù)或部分現(xiàn)場總線（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)場總線分布式I/O控制方案

輸煤現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）現(xiàn)場總線分布式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 的一個子系統(tǒng)。輸煤FCS 主站設(shè)置成對的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 操作員站實現(xiàn)對輸煤系統(tǒng)的控制。該方案采用就地模塊化設(shè)計思路，以膠帶機為單位，在每條膠帶機的就地設(shè)置1 臺區(qū)域智能控制器，布置于各轉(zhuǎn)運站配電室內(nèi)，各區(qū)域控制器負(fù)責(zé)采集本條膠帶機沿線所有設(shè)備的信號，通過光纖以太網(wǎng)送至輸煤FCS 主站。對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煤設(shè)備現(xiàn)場，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)場總線通訊至對應(yīng)的膠帶機區(qū)域控制器。對于在10 kV 集中段、380 V PC 段及各轉(zhuǎn)運站MCC 段上通過供電和控制的設(shè)備（如10 kV 膠帶機、環(huán)式碎煤機、斗輪機、380 V 膠帶機及其制動器等），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)場總線控制系統(tǒng)（FCS）現(xiàn)場總線分布式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。

根據(jù)輸煤工藝流程的特點，沿輸煤膠帶機在各轉(zhuǎn)運站、碎煤機室、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、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 輸煤電動機的監(jiān)控信號。

（2）在1 號轉(zhuǎn)運站設(shè)置1 臺皮帶主控裝置，對應(yīng)1A 膠帶機，膠帶機沿線的傳感器、除鐵器、活化給煤機、振動煤篦子、電動三通等設(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)行就地硬接線信號采集，IO 模塊箱之間通過現(xiàn)場總線串接后接入對應(yīng)皮帶主控裝置。

（3）在2 號轉(zhuǎn)運站設(shè)置1 臺皮帶主控裝置，對應(yīng)2A 膠帶機，膠帶機沿線的傳感器、除鐵器、電動三通等設(shè)備控制箱附近分別設(shè)置若干分布式I/O模塊箱，進(jìn)行就地硬接線信號采集，IO 模塊箱之間通過現(xiàn)場總線串接后接入對應(yīng)皮帶主控裝置。

（4）在3 號轉(zhuǎn)運站設(shè)置1 臺皮帶主控裝置，分別對應(yīng)3A 膠帶機，膠帶機沿線的傳感器、電動三通等設(shè)備控制箱附近分別設(shè)置若干分布式I/O 模塊箱，進(jìn)行就地硬接線信號采集，IO 模塊箱之間通過現(xiàn)場總線串接后接入對應(yīng)皮帶主控裝置。

（5）在4 號轉(zhuǎn)運站設(shè)置4 臺皮帶主控裝置，對應(yīng)4AB 和5AB 膠帶機，膠帶機沿線的傳感器、電動三通等設(shè)備控制箱附近分別設(shè)置若干分布式I/O模塊箱，進(jìn)行就地硬接線信號采集，IO 模塊箱之間通過現(xiàn)場總線串接后接入對應(yīng)皮帶主控裝置。

（6）在碎煤機室設(shè)置兩臺皮帶主控裝置，分別對應(yīng)6AB 膠帶機，膠帶機沿線的傳感器、碎煤機就地儀表、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)行就地硬接線信號采集，IO 模塊箱之間通過現(xiàn)場總線串接后接入對應(yīng)皮帶主控裝置。

（7）在5 號轉(zhuǎn)運站設(shè)置兩臺皮帶主控裝置，分別對應(yīng)7AB 膠帶機，膠帶機沿線的傳感器、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)行就地硬接線信號采集，IO 模塊箱之間通過現(xiàn)場總線串接后接入對應(yīng)皮帶主控裝置。

（8）在煤倉間轉(zhuǎn)運站設(shè)置5 臺皮帶主控裝置，分別對應(yīng)8AB 和9ABC 膠帶機，膠帶機沿線的傳感器、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)行就地硬接線信號采集，IO 模塊箱之間通過現(xiàn)場總線串接后接入對應(yīng)皮帶主控裝置。

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

3.2.2 現(xiàn)場總線方案與常規(guī)火電控制造價比較

輸煤采用現(xiàn)場總線控制方案，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)濟效顯著。

為了便于進(jìn)行經(jīng)濟對比，投資估算僅針對輸煤控制系統(tǒng)的設(shè)備造價進(jìn)行比較，主要設(shè)備價格參照如下原則。

（1）I/O 模塊。硬接線總點數(shù)以2 081 點考慮，按照DCS 硬件500 元/ 點統(tǒng)計，DCS 硬件或現(xiàn)場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)場總線專用電纜。采用當(dāng)前市場平均價格估算，約20 元/m，不包含安裝費用以及電纜構(gòu)筑物費用。

（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、通訊接口裝置等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備及通訊軟件費用。

以某電廠2*1000MW 機組輸煤控制系統(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 對比，現(xiàn)場總線分布式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。

4 結(jié)束語

現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)是信息技術(shù)與控制技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，為信息化帶動傳統(tǒng)的火電工業(yè)升級提供了有力手段，是構(gòu)造數(shù)字化火電廠的重要組成部分。文章重點論述了現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢、建設(shè)方案及經(jīng)濟性分析。現(xiàn)場總線控制技術(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)場總線系統(tǒng)完全必要且可行。

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