基于現場總線的全通信控制技術在火電廠運煤自動化系統中的應用

劉梓洪，許正同

（1.江蘇省郵電規劃設計院有限責任公司，江蘇南京210019；2.江蘇省電力設計院，江蘇 南京210024）

1 引言

運煤系統的高可靠性、高靈活性以及高度網絡化和信息化是整個火電廠高效、穩定運行的重要保證。因此，火電廠運煤自動化系統應根據運煤工藝系統特點，積極穩妥地推廣新技術、新產品，提高運煤自動化管理水平［1］。

早期的運煤控制系統采用繼電器控制方式。隨著可編程控制器和計算機通信技術的發展，基于遠程I/O的PLC程序控制方式得到了逐步推廣應用和不斷完善。近年來，現場總線技術發展迅速，在火力發電廠運煤系統中逐步得到了應用和推廣。但是，目前采用現場總線技術的控制方式僅將開關柜內的智能設備通過現場總線“通信方式”接入到運煤自動化系統，其它很多廠家自帶控制箱或控制柜的運煤系統設備的測點仍然采用“硬接線方式”接入到運煤程控系統的主站I/O或遠程I/O，因此仍然需要大量的電纜和電纜接線［2］。這種“通信+硬接線”的控制方式，“通信方式”采用范圍小，并沒有將現場總線技術的優勢充分發揮出來，是一個基于“并不徹底”的現場總線技術的運煤自動化系統。

本文提出基于現場總線全通信控制技術的運煤自動化系統方案。該方案通過分布式I/O模塊、電動機智能控制器和高壓電動機綜合保護測控裝置等現場智能設備，采用現場總線技術，將現場智能設備按區域進行通信連接，并以全通信方式實現對運煤系統設備的監控。該方案基本取消了控制電纜以及現場控制電纜敷設的施工量，僅需少量的通信電纜和光纜，從而簡化了接線，節省了投資，并降低了設備運行、維護的成本。另一方面，由于通信方式可以傳輸更多的現場設備的狀態和診斷等信息，從而進一步提高了運煤程控系統的智能化、網絡化和信息化水平。

2 網絡結構

基于現場總線全通信控制技術的運煤自動化系統方案由監控層、控制主站層、現場設備層以及相互之間聯系的網絡設備組成。系統結構為“三層設備、兩層網絡”結構。其中，三層設備為監控層、控制主站層和現場層，兩層網絡為監控層與控制主站層之間的網絡和控制主站層與現場層之間的網絡。運煤自動化系統網絡結構圖如圖1所示。

2.1 主站層控制系統

控制主站層采用可編程控制器（PLC），當技術經濟合理時，也可采用分散控制系統（DCS）。

2.2 監控層網絡形式

監控層與控制主站層設備之間的監控層網絡采用以太網，監控層網絡雙網冗余、熱備方式配置。

2.3 現場層網絡形式

圖1 運煤自動化系統網絡結構圖

控制主站層與現場層設備之間的現場層網絡采用現場總線，單網配置，有條件可雙網配置。目前在火電廠中使用較為廣泛的現場總線系統有PROFIBUS、MODBUS、DeviceNET、CAN、ControlNET、HART 等總線系統?？紤]到控制系統成本以及運煤系統空間范圍大、設備繁多、區內電磁干擾強等特點，目前在運煤控制系統中使用較多的是PROFIBUS、MODBUS、DeviceNET和ControlNET。

3 硬件配置

運煤自動化系統硬件應選用先進、成熟、可靠地工業級產品，應具有良好的可維護性和可擴展性。

3.1 監控層設備配置

監控層設備包括操作員站、工程師站、打印機等設備。其中操作員站按雙套冗余配置，工程師站可單獨配置或由其中的一臺操作員站兼用。

3.2 主站層設備配置

運煤控制系統主機容量應與運煤系統規模相適應，并能滿足各種工況下主機負荷率要求。系統采用雙主機、熱備用配置。雙機熱備的CPU應為無擾切換。

3.3 現場層設備配置

現場層設備包括運煤系統開關柜配套的低壓電動機智能控制器、低壓智能測控裝置、高壓電動機綜合保護測控裝置以及需要運煤控制系統成套配置的分布式I/O模塊（配總線耦合器）。分布式I/O模塊具有體積小、配置靈活、不需要機架、自帶電源、外殼防護等級高等特點，可分散布置到開關柜、控制箱或運煤設備旁邊。基于現場總線技術的運煤系統全通信控制系統，不設置主站I/O和遠程I/O，通過分布式I/O模塊將工藝設備I/O信號直接轉換成數字量信號，再經現場總線連接并上傳。

4 硬件設備安裝和布置

操作員站、工程師站、打印機等監控層設備布置在運煤控制室的操作員臺上。

CPU等主站層設備及網絡交換機等通信設備集中組柜安裝，布置在運煤電子設備間。

對于現場層設備及現場層的網絡通信設備的數量配置、安裝位置應根據運煤系統設備的布置特點以及所采用的現場總線技術特點合理地進行規劃和設計。

（1）電氣智能測控、保護裝置

低壓電動機智能控制器、低壓智能測控裝置、高壓電動機綜合保護測控裝置就近布置在開關柜內，并由開關柜廠家成套供貨。

（2）耦合器箱

根據運煤設備的數量配置耦合器箱，用于安裝分布式I/O模塊和總線耦合器，耦合器箱緊靠運煤設備控制箱布置。也可取消耦合器箱，直接將分布式I/O模塊安裝在運煤設備的控制箱內。

（3）通信箱

現場總線一般為通信電纜，通過通信卡件將電信號網絡轉換成光纖網絡（接口），連接至光纖主干網。通信卡件安裝在通信箱內，根據一定區域的運煤設備的數量、設備分散情況以及I/O信息量的多少配置通信卡件的數量，以滿足通信速率的要求。

按運煤設備區域合理布置通信箱，將通信箱布置于運煤系統各設備幾何位置相對中心位置，以盡量減少現場總線的物理長度。

5 工程實例

基于現場總線的全通信控制技術在新海電廠2x1000MW火電機組工程運煤自動化系統中得到了驗證，并成功應用。本文以基于“通信＋硬接線”傳統方案為參照，對基于現場總線全通信控制技術的運煤自動化系統方案進行技術經濟分析和比較。

5.1 工程簡介

電廠已有2×330MW發電供熱機組，在2005年8月投產發電，現有裝機容量660MW，本期擴建2×1000MW超臨界燃煤發電機組。運煤系統按照2x1000MW＋2x330MW統一考慮。

根據運煤專業和暖通專業提供的運煤設備負荷清單，整個運煤系統需要進入運煤自動化系統進行監控的設備有翻車機、滾輪機、給料機、皮帶設備等約300多臺（套）。從卸煤溝最北端到主廠房煤倉層最南端有近1600米、東西方向也有近700米的跨度。卸煤方式有卸煤溝螺旋卸車機和雙車翻車機卸煤，儲煤方式有條形煤場和圓形煤場儲煤，這種卸煤系統和儲煤系統的多樣化進一步使得上煤和配煤系統變得復雜。該工程充分體現了運煤系統分布廣、設備種類多、設備數量多、工藝流程復雜等諸多特點。

5.2 技術比較

基于現場總線全通信控制技術的運煤自動化系統方案由于取消了常規的硬接線控制，除裝置的電源電纜和帶式輸送機一次元件的沿線控制電纜外，基本沒有控制電纜。該方案具有如下技術特點：

（1）增強現場信息集成能力

現場總線是數字化通信網絡，它不單純取代4-20mA信號，還可實現設備狀態、故障、參數信息傳送。系統除完成遠程控制外，還可完成遠程參數化工作?；诂F場總線全通信控制技術的運煤自動化系統方案可以從現場設備獲取更豐富的信息，能夠更好地滿足火力發電廠自動化和信息化的信息集成要求。

（2）節省電纜及敷設材料

運煤系統設備分布范圍廣，設備種類、數量多。基于“通信＋硬接線”現場總線控制系統采用通信方式傳輸I/O測控信號的范圍限于6kV開關柜和380V開關柜上的6kV綜合保護測控裝置、380V電動機控制器和智能測控裝置。與整個運煤設備相比，通信傳輸信號的運煤設備范圍小，對于這些通信傳輸信號的運煤設備，其控制信號和設備運行/停止狀態信號仍然采用硬接線方式傳輸。基于現場總線全通信控制技術的運煤自動化系統方案，采用分布式I/O模塊和現場智能裝置，實現就近將運煤設備I/O硬接點信號直接轉換成通信信號，基本取消了用常規的控制電纜傳輸信號的信號傳輸方式，從而節省了大量的電纜及其敷設材料。

（3）簡化了接線，提高了可靠性和可維護性

基于現場總線全通信控制技術的運煤自動化系統方案，現場的I/O信號量接至分布式I/O模塊，由分布式I/O模塊直接轉換成數字量信號，再經現場總線連接，上傳至上層PLC控制器。分布式I/O模塊就近布置在運煤系統設備的就地控制箱或控制柜內，常規用于傳輸單個運煤設備開關量信號采集、模擬量信號采集和控制系統的控制電纜僅由單根通信電纜所取代，大大簡化了電氣二次回路接線，提高了系統的可靠性和可維護性。

（4）施工量小，施工周期短

基于現場總線全通信控制技術的運煤自動化系統方案，現場需要安裝布置的設備和材料主要為總線耦合器箱（總線耦合器如果安裝在運煤設備自帶的控制箱內，則無此項）、現場通信箱和相比較少的通信電纜和通信光纜，減少了常規的大量電纜敷設工作。通信連接均為預置好的標準插接件，接線工作量少，二次接線亦簡單易行。

（5）設備布置方便，節省房間

基于“通信＋硬接線”的現場總線控制系統一般會根據運煤場地大小和運煤設備的布置情況來設置遠程I/O站。遠程I/O站通常布置在運煤綜合樓、運煤層、碎煤機室或個別轉運站等地方。遠程I/O站設備組柜屬于電子設備，通常防護等級低，需要安裝布置在獨立的房間里。在基于現場總線全通信控制技術的運煤自動化系統方案中，總線耦合器箱（若有）、現場通信箱為現場敞開布置，布置的具體位置也可根據現場運煤設備實際布置情況靈活確定。

（6）開放性好，擴展方便

在運煤程控系統投入運行后，當需要增加運煤設備時，基于“通信＋硬接線”現場總線控制系統需要增加該設備控制箱至該區域的遠程I/O柜或主控制柜的開關量信號、模擬量信號和控制信號的電纜，并對電纜兩端的設備進行接線。但對基于現場總線全通信控制技術的運煤自動化系統方案，則只需要增加總線耦合器箱，或將總線耦合器安裝在運煤設備的控制箱內，再將總線耦合器通過通信電纜連接到就近現場通信箱總線上即可完成新增設備測控信息的接入，避免了相對困難的電纜敷設及接線工作。

5.3 經濟比較

對運煤自動化系統的經濟對比分析，應該從設備材料費用、施工調試費用、運行維護費用等多方面、全壽命周期內進行。為方便比較，本文將基于現場總線全通信控制技術的運煤自動化系統方案定義為方案一，將基于“通信＋硬接線”現場總線控制系統方案定義為方案二。

（1）設備費用比較

在設備費用方面，兩方案的主站層設備和監控層設備基本沒有區別，區別主要體現在現場層設備。方案一的總線耦合器箱I/O測點表見表1。方案二的現場總線PLC程控系統I/O測點表見表2。

表1 方案一的總線耦合器箱I/O測點表

表2 方案二的PLC程控系統I/O測點表

對于方案一，本工程現場通信箱內元器件采用的是西門子產品、總線耦合器箱內元器件采用的是菲尼克斯產品，合同價格分別是62萬元和64萬元人民幣，合計126萬元人民幣。

對于方案二，I/O卡件也采用相同品牌的西門子產品，單個測點的均價（含配套的柜體、通信卡件、電源裝置等附件）按500元人民幣計算，1681測點價格約為85萬元人民幣。

因此，從設備費用方面對比，方案一比方案二多41萬元人民幣。

（2）電纜材料及敷設費用比較

根據施工圖和電纜清單的統計，方案一的光/電纜長度匯總表見表3。

表3 方案一的光/電纜長度匯總表

對于基于“通信＋硬接線”現場總線的PLC程序控制方式，光/電纜使用的數量與遠程I/O站設置密切相關。遠程I/O站設置的過多，雖然可以減少了部分電纜，但增加了設備費用、占據更多的建筑房間、增加設備的運行維護費用，反而不夠經濟、合理。

根據運煤總平面圖以及設備的布置情況，在運煤設備布置相對比較集中的地方設置遠程I/O站，具體為煤倉層轉運站遠程I/O站、運煤配電間遠程I/O站、T5轉運站遠程I/O站、翻車機室遠程I/O站。方案二的光/電纜長度匯總表見表4。

表4 方案二的光/電纜長度匯總表

根據《建設工程概算定額 第三冊 電氣設備安裝工程（2006年版）》，電纜安裝每100米的基價為309元。根據《發電工程裝置性材料綜合預算價格(2006年版)》，電氣控制電纜價格為14357元/kM，阻燃、耐熱控制電纜乘1.12系數，電廠工程采用阻燃電纜，故控制電纜單價為16080元/kM。兩種方案光/電纜材料費用對比表見表5。

表5 兩種方案的光/電纜材料及敷設費用對比表

（3）兩種方案的總費用比較

通過以上分析，兩種方案的設備費用、電纜材料及敷設費用對比總表見表6。

表6 兩種方案的設備費用、電纜材料及敷設費用對比總表

從表6可以看出，方案一比方案二節省費用100.7萬元，即基于現場總線全通信控制技術的運煤自動化系統方案節省投資。

6 結束語

基于現場總線全通信控制技術的運煤自動化系統，利用分布式I/O模塊、電動機智能控制器和高壓電動機綜合保護測控裝置等現場智能設備，采用現場總線技術將現場智能設備按區域進行通信連接，并以全通信方式實現對運煤系統設備的監視和控制。與常規的運煤自動化系統相比，該系統在技術特點方面具有增強現場信息集成能力、節省電纜及敷設材料、簡化接線、提高可靠性和可維護性、施工量小、施工周期短、設備布置方便、節省房間、開放性好、擴展方便等諸多技術優勢，在經濟方面可減少設備材料費用、施工費用以及運行維護費用。

將基于現場總線的全通信控制技術合理應用在火電廠運煤自動化系統中，不但能夠節省投資、減少運行維護成本，而且能夠進一步提高運煤程控系統的智能化、網絡化和信息化水平，能夠對提高發電廠自動化運行和管理水平發揮重要作用。從長遠來看，隨著信息化技術的不斷發展、運煤設備電力智能化產品的不斷更新和完善以及現場總線技術的不斷提高，基于現場總線的全通信控制技術在火電廠運煤系統中將擁有更為廣闊的應用前景和發展空間。

［1］國家能源局，DL／T 5187.3－2012.達火力發電廠運煤設計技術規程－第3部分運煤自動化［S］.

［2］王 鋒，陸建鶯，周 建.基于現場總線技術的火電廠輸煤系統控制設計［J］.電站系統工程，2010，26（4）.