火電廠輸煤系統(tǒng)控制中現(xiàn)場總線技術(shù)的應(yīng)用研究

李 娟 王 穎 朱月涌

（山東電力工程設(shè)計(jì)咨詢院有限公司，山東 濟(jì)南250013）

0 引言

火電廠輸煤系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是工藝設(shè)備數(shù)量多且布置分散，整個(gè)系統(tǒng)跨度大；設(shè)備多采用強(qiáng)電控制，控制電纜用量較大；設(shè)備運(yùn)行環(huán)境惡劣，溫差大、灰塵多；設(shè)備間工藝聯(lián)鎖關(guān)系比較復(fù)雜。

隨著現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展，基于現(xiàn)場總線通訊協(xié)議的控制方式在輸煤系統(tǒng)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。目前，基于現(xiàn)場總線技術(shù)的輸煤系統(tǒng)控制方案一般是：（1）輸煤6kV電機(jī)回路裝設(shè)具有通訊功能的綜合保護(hù)測控裝置，各380V電機(jī)回路配置具有通訊功能的馬達(dá)保護(hù)器，與輸煤程控系統(tǒng)采用通訊方式進(jìn)行雙向通訊。（2）在各個(gè)轉(zhuǎn)運(yùn)站、碎煤機(jī)室、煤倉間分散布置遠(yuǎn)程I／O模塊，將各皮帶機(jī)、轉(zhuǎn)運(yùn)站電動(dòng)三通、振打、入爐采樣、入廠采樣、刮雨器、煤場噴灑、懸臂斗輪機(jī)、清水泵、污水泵、煤倉間犁煤器等所有需接入DCS監(jiān)控的控制信號采用硬接線就近接入各控制箱內(nèi)的遠(yuǎn)程I／O模塊箱，遠(yuǎn)程I／O模塊箱再通過現(xiàn)場總線與輸煤DCS主站通訊，從而實(shí)現(xiàn)信息的上傳下發(fā)。此部分設(shè)備控制系統(tǒng)如圖1所示。

目前輸煤系統(tǒng)現(xiàn)場分布式I／O模塊的通訊協(xié)議一般采用Modbus協(xié)議。Modbus協(xié)議采用一根雙絞線實(shí)現(xiàn)多個(gè)設(shè)備之間的通信，具有簡單、硬件便宜、通用性強(qiáng)、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)有設(shè)備大部分通過RS－485串口傳輸。但是串口所接設(shè)備數(shù)量有限，且傳輸距離只能在1.2km以內(nèi)，在抗干擾能力、數(shù)據(jù)傳輸速率、傳輸距離方面有明顯劣勢。

1 傳統(tǒng)現(xiàn)場總線技術(shù)的缺陷

現(xiàn)場總線技術(shù)的應(yīng)用，取消了常規(guī)輸煤系統(tǒng)順控設(shè)計(jì)中的遠(yuǎn)程I／O柜，將之細(xì)化為多個(gè)獨(dú)立的具有IP67高防護(hù)等級的遠(yuǎn)程I／O模塊，并且分散性強(qiáng)，接線更清晰。但由于遠(yuǎn)程I／O模塊的功能單一，一般還是只布置到每個(gè)轉(zhuǎn)運(yùn)站，因此雖然比傳統(tǒng)方案節(jié)省了部分信號電纜，但還不徹底。目前基于Modbus協(xié)議的現(xiàn)場總線技術(shù)主流控制方式還是難以滿足輸煤程控系統(tǒng)徹底分散控制，以最大限度節(jié)省電纜投資、提升系統(tǒng)性能、抑制現(xiàn)場干擾、方便運(yùn)行維護(hù)的需要。

Profibus是一種國際化、開放式、不依賴于設(shè)備生產(chǎn)商的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，其傳送速度為9.6kb～12Mb。其中，Profibus－DP應(yīng)用于現(xiàn)場級，它是一種用于設(shè)備級控制系統(tǒng)與分散式I／O之間的高速低成本通訊協(xié)議。它的最大優(yōu)點(diǎn)在于有穩(wěn)定的國際標(biāo)準(zhǔn)EN50170作保證，經(jīng)實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證具有普遍性。從技術(shù)上來看，Profibus明顯優(yōu)于 Modbus。目前，Profibus總線技術(shù)在輸煤系統(tǒng)控制中的應(yīng)用越來越廣泛。

2 基于現(xiàn)場總線技術(shù)的分布式I／O方案

2.1 控制理念

由于輸煤系統(tǒng)中大部分工藝設(shè)備廠家自帶控制箱，且大部分廠家的控制箱無法直接采用Profibus總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的控制。因此，基本控制理念是在各轉(zhuǎn)運(yùn)站設(shè)置轉(zhuǎn)運(yùn)站遠(yuǎn)程I／O分站，每個(gè)分站內(nèi)設(shè)一臺總線通訊器。針對輸煤控制系統(tǒng)的每個(gè)設(shè)備設(shè)置一臺現(xiàn)場總線分控單元，布置于工藝設(shè)備廠提供的就地電控箱內(nèi)，通過Profibus協(xié)議通訊至各遠(yuǎn)程I／O分站，實(shí)現(xiàn)信息的上傳下發(fā)，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)輸煤系統(tǒng)控制。由于每個(gè)分控單元均自帶CPU，具有自處理功能，系統(tǒng)功能的擴(kuò)展不再依賴于主站的處理能力。每個(gè)就地設(shè)備可向程控室提供更多的輸入信息和智能化判斷功能，系統(tǒng)具有自擴(kuò)展能力。此系統(tǒng)控制流程如圖2所示。

圖1 傳統(tǒng)現(xiàn)場總線應(yīng)用示意圖

圖2 分布式I／O方案應(yīng)用示意圖

2.2 分布式I／O方案的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

輸煤控制系統(tǒng)采用現(xiàn)場總線技術(shù)對整個(gè)輸煤系統(tǒng)中的設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和控制，通過上位計(jì)算機(jī)的人機(jī)接口對系統(tǒng)設(shè)備發(fā)出控制命令，同時(shí)系統(tǒng)中各設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)信息在上位機(jī)LCD上直觀、動(dòng)態(tài)地顯示出來。輸煤控制系統(tǒng)采用3層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，即站控層、主控裝置層和現(xiàn)場設(shè)備層。

站控層，主要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)輸煤程控主站與上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、全廠DCS系統(tǒng)的連接，采用以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，在輸煤綜合樓設(shè)置操作員站。

主控裝置層，采用10M／100M自適應(yīng)工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，通過光纖實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場總線主控裝置與程控室之間的通訊，根據(jù)工藝系統(tǒng)的設(shè)備布置及流程將輸煤系統(tǒng)劃分為多個(gè)相對獨(dú)立的控制區(qū)域，每個(gè)區(qū)域設(shè)一個(gè)或多個(gè)現(xiàn)場總線主控裝置，主控裝置采用掛墻安裝。主控裝置層與主控裝置層之間、主控裝置層與站控層之間采用光纖以環(huán)網(wǎng)方式相連，光纖帶鋼帶鎧裝保護(hù)。對每一個(gè)控制區(qū)域，考慮以皮帶為單位對現(xiàn)場總線設(shè)備進(jìn)行分組，每臺主控裝置提供兩組現(xiàn)場總線接口。

從轉(zhuǎn)運(yùn)站就地掛墻箱到各具體被控設(shè)備之間的連接，屬現(xiàn)場設(shè)備層，此層采用現(xiàn)場總線產(chǎn)品，利用目前主流的現(xiàn)場總線通信協(xié)議Profibus現(xiàn)場總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)。現(xiàn)場層設(shè)備采用環(huán)形冗余網(wǎng)絡(luò)。

轉(zhuǎn)運(yùn)站遠(yuǎn)程I／O分站采用IP67防護(hù)等級，掛墻箱布置，每個(gè)I／O分站負(fù)責(zé)兩條皮帶所屬的現(xiàn)場總線設(shè)備接入。每臺I／O分站掛墻箱由外部提供兩路AC220V電源，箱內(nèi)實(shí)現(xiàn)雙路電源切換。總線通訊器除負(fù)責(zé)提供對下與分控單元或智能電控箱間的總線通訊、對上提供與輸煤程控站控層系統(tǒng)間的通訊接口等功能外，尚實(shí)現(xiàn)對總線型皮帶保護(hù)裝置的總線供電功能；總線通訊器與輸煤控制系統(tǒng)站控層之間的連接介質(zhì)采用光纖。

3 結(jié)語

實(shí)踐證明，輸煤順控系統(tǒng)在傳統(tǒng)現(xiàn)場總線技術(shù)的基礎(chǔ)上將總線設(shè)備下放至設(shè)備就地，采用Profibus專用通訊協(xié)議，大量減少了控制電纜，從而在很大程度上節(jié)約了投資，也相應(yīng)大大減少了現(xiàn)場的工作量，縮短了建設(shè)工期。同時(shí)，由于現(xiàn)場總線系統(tǒng)數(shù)字化徹底，診斷、維護(hù)、組態(tài)能力特別強(qiáng)，因此輸煤系統(tǒng)正常的維護(hù)檢修成本較低。此外，當(dāng)輸煤系統(tǒng)生產(chǎn)工藝流程隨時(shí)間或現(xiàn)場擴(kuò)建的需要發(fā)生改變的時(shí)候，傳統(tǒng)輸煤控制方案擴(kuò)展起來非常不便，基于現(xiàn)場總線技術(shù)的輸煤控制系統(tǒng)擴(kuò)展方便，可以邊用、邊擴(kuò)、邊投運(yùn)。

［1］王峰，陸建鶯，周建.基于現(xiàn)場總線技術(shù)的火電廠輸煤系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)［J］.電站系統(tǒng)工程，2010，26（4）：61～63

［2］李宏毅，王致杰，譚永海.基于lonworks總線的選煤廠監(jiān)控系統(tǒng)的研究［J］.煤炭工程，2005（10）：21～23

［3］陽憲惠.現(xiàn)場總線技術(shù)及其應(yīng)用［M］.北京：清華大學(xué)出版社，1999