現場總線控制技術在火力發電廠水處理島中的應用

吳志勇，李鴻燕

(中國華電工程(集團)有限公司，北京 100035)

0 引言

電力是中國經濟發展的命脈，它已成為與煤炭、石油等基礎能源一樣不可缺少的能源。在火力發電廠水處理島的設計中，設計人員積極響應國家提出的“建設節約型企業”的號召，采取了相應措施以達到節能降耗、節水和環保之目的。在火力發電廠中，采用集中布置的水處理島方案與常規布置的方案相比，在工藝設備、電氣系統、控制系統、占地面積、建筑面積和運行維護方面具有明顯的優勢。面對目前土地資源日益緊張、投資緊縮、企業精簡人員的局面，整合各分系統的水處理島的布置將是今后發電廠水處理系統發展的必然趨勢。

由于火力發電廠水處理島設備集中，管道高度密集，若按傳統方式布置電纜和橋架則困難較大。在滿足工藝要求、節省占地、節省造價的前提下，在水處理島集中布置時，確定采用現場總線控制技術?，F場總線技術與傳統的可編程邏輯控制器PLC(Programmable Logic Controller)、分散控制系統DCS(Distributed Control System)相比，可省去相當數量的設備。一條總線就可以傳輸所有在線信號且信息全部數字化，這些數據可幫助計算機管理系統對現場設備進行遠方診斷、維護和組態，提前知道現場設備的運行狀態，提前進行維護，減少維護成本。

1 電廠用水及水源情況

該期工程2×330 MW機組夏季純凝工況中水補充水量為377.0 m3/h，冬季供熱工況中水補充水量為456.6 m3/h。電廠工業用水(包括循環水系統補充水，化學補水等)均采用中水，中水處理量按照600 m3/h設計。從1年的監測數據看，通過對污水處理廠中水的水質報告進行分析，污水處理廠出水大部分時間主要污染物達不到國家標準二級排放的要求指標，其中懸浮物質量濃度為40～984 mg/L(國家標準規定的指標為≤30 mg/L)，化學需氧量COD(Chemical Oxygen Demand)為80～350 mg/L(國家標準規定的指標為≤100 mg/L)，生化需氧量BOD5(Biochemical Oxygen Demand)為30～240mg/L(國家標準規定的指標為≤30 mg/L)，氨氮質量濃度為15～600 mg/L(國家標準規定的指標為≤25 mg/L)，水中溶解固形物＜1500 mg/L，pH值、硬度、堿度、CI－離子、離子及其他離子含量都可滿足工業用水的要求。

2 水處理島的總平面及建(構)筑物設計

水處理島將原水預處理、反滲透處理、除鹽水處理、工業廢水處理等設施作為水區集中布置在一起，使得整體工藝流程更加合理，廠區管道更短，減少了占地面積;采用合并到一個控制室進行集中控制的方案，便于運行管理，可節省建筑費用。

水處理島占地長138 m，寬90 m，總平面面積為12400 m2。常規分散布置占地為3塊區域，總平面面積約為22 800 m2。水處理島總占地面積約節省10 400 m2(相當于常規處理島總占地面積的45.9%)。

常規分散布置各處理單元的建筑物功能多有重復，合并處理單元后，相同性質的建筑面積會因建筑內容納的設備數目變多而擴大，但總建筑數量減少，所以，總建筑面積也減少。

對建筑物的面積進行了比較，水處理島布置方案中的建筑面積與常規布置方案中的建筑面積相比，可節省2966 m2(相當于常規處理島總建筑面積的34%)。

3 水處理島現場總線技術研究和應用

3.1 水處理島總線標準的選擇

現場總線控制系統的核心是總線協議，總線協議是實現開放和互操作的必要條件?，F場總線的基礎是智能現場設備，是現場總線的硬件支持，雙向數字通信的基礎載體?，F場總線的本質是現場設備的數字化、信息化和控制的分散化。適用于火電機組自動化控制系統的現場總線主要為生產過程現場總線Profibus(Process Fieldbus)和基金會現場總線FF(Fieldbub Foundation)。

水處理島總線控制系統是電廠輔機系統中采用的首個總線控制系統，該項目工藝系統龐大，離散量多達幾千點，僅此而言，宜采用Profibus總線協議。Profibus在現場總線控制系統的典型應用如圖1所示。

水處理島總線控制系統統一協議為Profibus，在此統一規約的前提下，才能保證不同廠家的現場設備可相互交換數字信息，確保系統的互操作性。

3.2 水處理島現場總線系統結構的設計

按照 IEC61158 Ed.3—2003《現場總線》標準的要求，Profibus現場總線由以下3部分組成:現場總線信息規范FMS(Fieldbus Message Specification)、分布式外圍設備DP(Decentralized Periphery)和過程自動化PA(Process Automation)。

根據目前技術發展的狀況，監控級采用Ethernet工業以太網，而不采用Profibus－FMS。因此，該電廠水處理島系統的通訊網絡從下往上由3級構成:現場級(Profibus－DP支路和Profibus－PA支路)、主控級(Profibus－DP冗余光環)和監控級(工業以太網)。

PLC、工程師站、操作員站通過交換機構成以太網;膜生物反應器MBR(Membrane Bio-reactor)及工業廢水處理處理現場總線控制系統FCS(Fieldbus Control System)和鍋爐補給水處理FCS通過DP/PA－Link構成Profibus－PA支路，通過通訊鏈路器(Y－Link)構成Profibus－DP支路。

電廠水處理島控制系統采用FCS，總線控制系統劃分為2部分，MBR及工業廢水處理FCS和鍋爐補給水處理FCS。其中，工業廢水處理FCS包括膜生物反應器、工業廢水處理及輔助系統的控制;鍋爐補給水處理FCS包括反滲透系統、除鹽系統、綜合泵間、除鹽水泵間及輔助系統的控制。水處理島總線控制系統的網絡總體結構如圖2所示。

由于目前主流Profibus－PA和DP設備和儀表大部分未設計冗余通訊接口，因此，在設備和儀表相對集中的位置設計了1條PA或DP支路，連接PA或DP設備和儀表。PA，DP支路再通過Y－Link接入冗余DP光環。這樣既保證了Profibus現場總線設備的通信條件，又滿足了電廠通信網絡的可靠性。

圖1 總線控制系統典型應用示例

圖2 水處理島總線控制系統網絡總體結構圖

現場總線系統網段的設計原則:冗余設置的現場儀表應接入不同網段?？刂七壿嬒嚓P(同一控制回路中)的儀表和控制對象原則上掛接在同一總線網段上。同一支路應盡量把控制類設備布置在前端，監視類設備布置在后端。每個Profibus－DP總線網段通信速率500 kbit/s較適宜。每個Profibus－DP總線子網段連接設備數量不多于19個。每個Profibus－PA總線子網段連接設備數量:不多于18個。每個DP主站與DP Y－link，DP/PA－link之間的距離超過100m，或主站與DP Y－link，DP/PA－link在不同建筑物安裝時，應采用光纜連接。

3.3 水處理島總線系統的詳細設計

涵蓋監控級Ethernet工業以太網以及現場級通訊網絡PA支路和DP支路的水處理島總線系統整體網絡圖，其上層網絡為Ethernet工業以太網，如圖3所示。

圖3 水處理島系統網絡圖

水處理島總線控制系統整體網絡由監控級和現場級通信網絡構成。其中監控級采用Ethernet工業以太網(100Mbit/s);現場級通信網絡則由Profibus－DP(Distributed Peripheral)和 Profibus－PA(Process Automation)支路構成。

Profibus－DP用于設備級控制系統與分布式I/O之間的高速數據通信，即現場設備層的高速數據傳輸。傳輸速率范圍為9.6 kbit/s～12.0 Mbit/s，掃描1000個I/O點的時間小于1 ms。主站周期讀取從站的輸入信息并周期性向從站發送輸出信息。

控制系統采用PLC和上位機兩級的結構方式進行控制:PLC和上位機之間通過數據通訊接口進行通訊，PLC通過各分布式I/O從站對現場設備進行數據采集和控制。

光纖鏈接模塊OLM(Optical Link Module)所構成的是冗余光纖環網，但每段DP支路連接保護單元(Simocode)或超聲波液位計等單DP設備，使用YLink可以將雙路的冗余光環合二為一，形成現場的DP支路。冗余光纖環網與DP支路的連接如圖4所示。

具有DP智能現場總線接口的儀表和設備如超聲波液位計、電動機控制和保護單元(Simocode)、分布式I/O等可直接連接到DP支路上，但PA儀表則需要通過DP/PA－Link掛接在Profibus－DP總線上，如圖5所示。

自現場OLM的DP支路之后，連接DP/PALink形成PA支路，將通過DP/PA－Link連接到上層DP總線網絡上，如圖6所示。

現場總線控制系統的DP有3類從站設備:

(1)氣動閥島，系統中用到的氣動隔膜閥、氣動蝶閥的電磁控制閥均采用ET200Pro閥島進行控制。

(2)低壓電器設備(MCC)，采用智能電動機控制器再配上相應的斷路器、接觸器構成完整的智能控制保護單元。對于功率小于5.5 kW的電動機采用智能電動機控制器來控制，所有的電動機都能夠被接入到總線系統中。

(3)分析儀表及超聲波液位計。

圖6 PA儀表和執行器總線連接

4 總線技術的主要技術經濟指標對比

在火力發電廠集中水處理控制系統中，FCS的應用剛剛起步，FCS是在現場總線技術的基礎上較PLC，DCS更新一代的控制技術，FCS是發展的方向，它的諸多優點正得到實際工程的驗證。下面對幾種控制方式在火力發電廠水處理系統應用時的主要技術經濟指標進行對比。

4.1 技術比較

火力發電廠水處理島通過使用現場總線，用戶可大量減少現場接線，用單個現場儀表可實現多變量通信，不同制造廠生產的裝置間可以完全互操作，增加現場一級的控制功能，系統集成大大簡化，維護十分簡便。技術指標比較結果見表1。

4.2 經濟性比較

經濟指標比較結果見表2。

表1 技術指標比較

續表

表2 經濟指標比較

續表

5 結論

總線控制系統與目前市場流行的DCS價格相比，現場總線控制系統可為用戶節省30%以上的建設投資成本，減少30%的運行人員和熱工維護人員，減少了管理費用，由于設備維護采用了先進的管理手段，可為用戶節省至少30%以上的管理運行費用。

水處理島總線控制系統是一種全開放、全數字、全分散的新型控制系統，它實現了現場級設備的數字化、網絡化。而現場設備級的數字化、網絡化是火電廠數字化管理的基礎，全面使用現場總線控制系統必將大大提高發電企業的管理效率，從而使自身在電力市場競爭中處于優勢地位。

火電企業進入信息化時代，采用總線控制技術的水處理島控制系統使得現場設備與電廠控制管理系統的數字通信成為可能，為電廠信息化建設和績效管理提供了強大的數據基礎平臺。隨著數字化電廠的不斷推進，相信現場總線技術將會獲得更多、更廣泛的應用。

［1］陽憲惠.現場總線技術及應用［M］.北京:清華大學出版社，1999.

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