現場總線控制系統在華電常德電廠一期工程中的應用

湖南華電常德發電有限公司 史 暢、譚云芳，西安熱工研究院有限公司 丁 偉/文

引 言

現場總線控制系統（FCS，Fieldbus Control System）是利用現場總線技術，把現場測量、控制設備連接成網絡系統，按公開、規范的通信協議，在現場測量、控制設備之間，以及這些設備與監控計算機（或DCS控制站）之間，實現雙向數據傳輸和信息交換，構成由現場總線測量、控制設備集成的自治式控制系統。它是由現場總線測量、控制設備與監控計算機（或DCS控制站）結合在一起構成一個完整控制系統，并可通過現場總線網絡對現場測量、控制設備進行實時診斷、維護的系統[1]。

1 概 述

湖南華電常德發電有限公司（以下簡稱常德電廠）一期工程為兩臺660MW超超臨界燃煤發電機組，二期工程計劃將在一期基礎上擴建兩臺裝機為1000MW超超臨界燃煤發電機組。一期工程三大主機設備（鍋爐、汽輪機、發電機）均由上海電氣集團提供，采用的是艾默生的Ovation現場總線控制系統，現場總線協議為Profibus DP和FF H1，系統典型網絡拓撲結構如圖1所示。

2 現場總線在常德電廠使用的范圍

常德電廠全廠范圍內采用現場總線技術，統籌兼顧了工程風險、投資造價和技術創新三者的綜合效益。考慮了火電機組控制系統的特點和要求，以成熟的DCS為基本系統，無縫嵌入現場總線網絡通信模件，形成現場總線的各級網絡，連接現場總線儀表、設備，實現數據采集、控制和設備驅動。

2.1 常德電廠主機采用總線技術的設備系統

2.1.1 汽輪機各段抽汽系統的疏水電動門、高加正常和危急疏水電動門、除氧器系統電動門、低加系統電動門、汽動引風機系統疏水電動門、凝結水泵進出口電動門、開式泵進出口電動門等采用冗余Profibus DP總線型電動執行機構。

2.1.2 汽動給水泵系統疏水電動門和氣動門采用Profibus DP總線技術。

2.1.3 高加液位、低加液位、除氧器液位、凝結水系統壓力和流量等變送器采用FF總線儀表。

2.1.4 鍋爐疏水和排汽電動執行機構、磨煤機系統電動風門執行機構、給煤機系統電動執行機構、空預器風門電動執行機構、引風機進出口電動風門執行機構等采用冗余Profibus DP總線型電動執行機構。

2.1.5 鍋爐吹灰系統電動門及壓力變送器采用現場總線控制方式，而吹灰器本體采用常規硬接線控制方式。

2.1.6 汽機和鍋爐系統中用于DAS信號采集和監視的儀表（除溫度、壓力開關和差壓開關），均采用總線設備。

2.2 常德電廠公用及輔助車間采用總線技術的設備系統

2.2.1 鍋爐補給水、凈化站、凝結水精處理和再生、工業廢水、生活污水、空壓機、暖通空調等系統的壓力變送器、差壓變送器、流量變送器、流量計、超聲波液位計等都采用FF總線技術，以上系統中的電動執行機構、部分化學分析儀表和氣動門電磁閥島采用Profibus DP總線技術，部分小型電機的馬達保護裝置也采用Profibus DP總線技術。

2.2.2 脫硫和脫硝系統中，除參與重要保護的測點和設備，其它壓力變送器、差壓變送器、流量變送器、流量計、超聲波液位計等都采用FF總線技術，電動執行機構、部分化學分析儀表采用Profibus DP總線技術，部分小型電機的馬達保護裝置也采用Profibus DP總線技術。

圖1 現場總線網絡拓撲結構

2.2.3 輸灰系統中的壓力變送器采用FF總線技術，氣動門電磁閥島采用Profibus DP總線技術。

3 總線協議的確定和設備網段劃分

常德電廠DCS選用艾默生Ovation系統，總線協議確定為：Profibus DP和FF H1。表1列出了部分DCS品牌及與之對應的現場總線規約，僅供參考表1：

為了保證大型火力發電機組連續安全穩定運行，系統的可靠性是至關重要的，采用現場總線技術的設備需要通過科學的網段劃分配置保證安全及穩定，具體的網段劃分原則方案如下：

3.1 FF H1網段設計采用樹型加分支的組合拓樸結構；而Profibus DP網段采用總線型拓撲結構，配置有源終端電阻。

3.2 與常規接線的DCS要求相似，網段劃分應采用風險分散的原則。

3.3 對于Profibus DP總線，在總線傳輸速率為500kbps的情況下，總線網段的總長度大于400米或電纜的敷設無法避免電磁干擾時，現場需配置現場總線通訊箱，從FCS現場總線模件柜至現場總線通訊設備柜之間的通訊電纜應采用冗余光纜。系統應配置網段正常工作必須的光電轉換設備。

3.4 對于有防爆要求的應用場合，控制系統現場總線網段設計（如總線長度、掛接設備數量等）及設備（如電源模塊、終端器、電纜等）選擇應遵循現場總線本質安全概念（FISCO）的相關標準規范要求。

3.5 對于FF H1總線網段，當應用于控制目的時，每個網段掛接的現場總線設備數量不應超過8臺；當用于非控制目的時，每個網段掛接的現場總線設備數量不應超過該標準規定最大數量的50%（16臺）。一個網段的總線電纜總長度（干線長度加支線長度之和）不應超過1200米。單根支線電纜的長度應盡量短，支線電纜的長度不宜超過30米，最長不能超過60米。

4 總線設備安裝調試問題

現場總線的安裝調試不同于普通的I/O設備調試，對于總線設備來說，需要在邏輯組態、電纜鋪設、設備安裝和現場調試等多個方面引起注意。

4.1 在對某國產DP總線閥門進行通訊調試時，發現該品牌個別閥門不能正常通訊且無法自適應主站設置的波特率，并且導致該線路其他品牌閥門也無法正常通訊，使用專用工具現場測試，應是閥門的問題。因為某個閥門或某個品牌閥門的問題，而導致整條總線無法正常通訊，為了避免同一個網段上的不兼容問題，建議在同一個網段，盡量使用同一品牌的DP總線設備。

4.2 鍋爐二次風門使用了大量的FF總線型ABB定位器，艾默生DCS系統和ABB定位器的通訊調試要求比較高，通過本工程技術人員的大量實踐摸索，編寫了《ABB定位器調試詳細步驟》，按照該步驟進行操作，一次成功的機率大幅提高，也節約了大量的調試時間。

4.3 所有使用的總線設備，最好有豐富的總線應用業績，而且必須有和DCS系統廠家進行了通訊測試的報告，確保通訊測試合格，以便于設備的選型和后期調試的順利。

4.4 必須采用與現場設備一致的GSD文件版本(對于Profibus DP設備)或DD文件版本(對于FF設備)，防止組態時出現錯誤或者異常。

4.5 對于FF總線設備，應保持單點接地，接地點應為機柜處，不要在就地設備上接地（就地儀表屏蔽線剪掉，并用絕緣膠帶包扎），在FF接線盒處將主干網和分支電纜的屏蔽連接在一起，最終將FF電纜屏蔽在卡件側C17或C18端子接地。

4.6 對于Profibus DP總線設備，則應根據DP規范進行多點接地。

5 現場總線設備

5.1 艾默生公司總線設備

5.1.1 Profibus通信主站。

Profibus通信主站是艾默生公司研發的系列產品，完成和總線網絡中從站的數據交換，并將采集的數據映射到DCS系統的控制器中，起到協議轉換的作用。

5.1.2 終端電阻。

為了減少信號反射，保障通訊質量，一般在網段的末端位置需要加設終端電阻。常德電廠中DP總線終端電阻選用菲尼克斯系列產品。

5.1.3 FF通信主站。

FF通信主站是艾默生公司研發的系列產品，完成和總線網絡中從站的數據交換，并將采集的數據映射到DCS系統的控制器中，起到協議轉換的作用。

5.1.4 FF分配盒。

常德電廠采用的是倍加福的8口FF分配盒，可將單根FF信號拆分為多根FF信號，用于從主干線上連接現場儀表，有1個到8個分支可選。多數接線箱帶短路保護和過載保護，可提高通訊可靠性。為了最大限度的降低成本，選擇現場接線箱并將其靠近現場儀表安裝，以減少分支電纜長度。

5.1.5 通信介質。

標準Profibus DP電纜、標準的FF H1總線電纜、光纖、Profibus-DP九針接頭。

5.2 現場總線就地從站設備

5.2.1 進口電動執行機構采用了Rotork IQ/IQT系列、EMG DREHMO系列、AUMA系列產品。

5.2.2 國產電動執行機構采用了揚州恒春、溫州瑞基、上海澳托克、廈門弗瑞特、江蘇海博、成都圣瑪特等系列產品。

5.2.3 氣動閥門定位器采用了ABB、西門子、Fisher系列產品。

5.2.4 壓力、差壓變送器采用了Rosemount 3051系列（主要在主機使用）、霍尼韋爾 ST700系列（主要在輔網范圍使用）。

5.2.5 導波雷達液位計采用了Magnetrol系列物位計，主要應用在高、低加液位和除氧器水位測量。

表1 部分DCS品牌及與之對應的現場總線規約

5.2.6 分析儀表采用了E+H、SWAN的Profibus DP協議的產品，主要應用在化補水系統、凈水站系統和工業廢水系統。

5.2.7 變頻器采用了ABB系列產品，主要應用在化學加藥系統部分。

5.2.8 超聲波液位計采用了E+H系列產品。

5.2.9 閥島采用了MAC、Numatics 、NORGREN系列產品。

6 結 論

現場總線技術的應用不僅節約了控制電纜和機柜，而且可以實現對現場總線設備的數字化管理，同時也具備很強的系統擴展能力。但是由于總線設備的普及還需時日，和常規設備相比較，總線設備的價格都要高于常規設備，所以，采用總線控制的系統，在就地設備費用這一塊上是有一部分增加的。

湖南華電常德發電有限公司一期工程兩臺機組已于2015年先后投入生產運營，后期工作的重點將是艾默生的設備管理軟件（AMS）的優化應用。利用總線的技術優勢，結合設備管理軟件，實現遠程管理設備，遠程診斷設備，達到提高設備維護和檢修工作效率的目的，降低維護人員的工作強度，真正實現數字化電廠的科學管理。

[1]周明.現場總線控制[M].電力工業出版社，2002.

[2]郭孝杰，李昱.現場總線控制系統在沙洲二期工程中的應用研究[J].中國電業， 2014，(5)：66-69.

[3]曾衛東等.DL/T 2012-2013火力發電廠現場總線設備安裝技術導則[S].國家能源局，2013：1-8.