華能荊門熱電廠現場總線技術控制策略及其應用

曹 泉,王 剛

（1.國網湖北省電力公司電力科學研究院，湖北 武漢 430077；2.國家電投集團河南電力有限公司技術信息中心，河南 鄭州 450000）

0 引言

現場總線技術（FCS）是近年來迅速發展起來的一種控制設備，FCS是控制系統新的發展方向，它主要解決工業現場的智能化儀器儀表、控制器、執行機構等現場設備間的數字通信以及這些現場控制設備和高級控制系統之間的信息傳遞問題。FCS的主要特征是開放、全數字化和雙向、多站的通信網絡與多功能的智能化現場數字儀表。FCS使自動控制系統的效能產生巨大的飛躍，同時降低施工、調試、運行、維護和系統擴展等方面的綜合費用，它既是一個開放的通信網絡，又是一個全分布式的控制系統，由于現場總線簡單、可靠、經濟實用等一系列突出的優點，因而在控制領域得到迅速應用[1-3]。

華能荊門熱電廠建設兩臺350 MW超臨界熱電聯產機組，現場總線系統采用常規的DCS系統DPU+總線I/O卡的構架，將現場智能總線設備分別納入主機DCS網絡和輔網PLC網絡，與其它電廠相比，荊門熱電廠在全廠范圍內采用現場總線技術控制，在單元控制室實現對機、爐、電、網控、輔助系統的監控，連成一個現場總線技術控制網絡覆蓋到全廠，現場總線技術應用在規模和深度上首屈一指，而大部分電廠只在個別輔助車間應用現場總線控制。現場總線技術的應用，不僅節省了硬件數量與安裝費用，而且系統的維護開銷也大大地降低。現場總線控制系統不僅精確度與可靠性高，在使用方便和維護性方面也優勢明顯。機組投產后，總線控制系統運行正常，調節品質優良，保證了機組的安全、穩定運行。

1 現場總線控制策略

華能荊門熱電廠應用的現場總線設備有兩種：EMERSON的FF總線和西門子的PROFIBUS-DP、PROFIBUS-PA總線。FF總線設備主要包括Rosemount壓力/差壓變送器、ABB氣動定位器、SIMENS氣動定位器、FISHER氣動定位器、E+H液位計和Magnetrol液位計。DP總線設備主要包括ROTORK、LIMITORQUE、G-TORK、EMG、AUMA、EIM、施耐德和上自儀公司多種型號的電動執行器，另外還有深圳中電公司中電550系列馬達保護和中電630系列電氣儀表等，PA總線主要應用于化學制水車間。

華能荊門熱電廠現場總線控制策略設計如下：

1）壓力/差壓儀表原則上全部納入總線，包括爐膛壓力、省煤器入口流量等重要的保護測點；

2）除了極個別重要的設備（如引風機動葉執行器），電動執行器原則上全部納入總線；不太重要的氣動執行器（調節型）納入總線，約占氣動執行器總量的80%；

3）400 V及以下等級100%的電氣開關全部納入總線，除了極其個別重要的設備如汽輪機潤滑油泵外，400 V及以下等級馬達保護器原則上全部納入總線；

4）溫度測量需要增加溫變器，開關型氣動執行器需要增加閥島，因涉及費用成本和風險增加，不納入總線；

5）汽輪機控制系統（DEH、ETS）和小汽輪機控制系統（MEH、METS）因隨主設備廠家成套供貨，不納入總線。

總之，全廠約99%的壓力/差壓儀表、電動執行器、400 V及以下等級電氣開關、約80%的調節型氣動執行器都納入現場總線系統，具有較高的可靠性和靈活性，系統很容易進行重組和擴建，且易于維護。

2 現場總線應用過程中的主要問題

2.1 現場總線設備的設計選型

現場總線技術是現場設備與控制系統之間數字式、雙向、多點的基于共同規約下的通信技術。因此，控制系統與總線設備間的通信兼容尤為重要，在工程前期，必須保證總線設備與DCS或PLC控制系統間的實驗室兼容性測試。同時，即使通過測試，也僅能保證特定型號設備、特定版本程序與控制系統的兼容性，同一型號設備的內部程序版本的變化，也可能導致通信不能聯通，因而在總線設備的儀表和執行機構設計選型時必須十分小心，但由于國內電廠設計中設計院和廠家長期形成的習慣做法，設計人員對現場總線技術概念很少接觸，尤其是在工程進度緊迫，主輔機技術協議中沒有約定現場總線技術應用范圍的情況下，造成現場總線設備配置混亂。

荊門工程設計的現場總線涉及六大品牌，幾十種型號，其中西門子應用業績較多，技術相對成熟。但支持現場總線的智能現場設備相對常規儀表來說，還是比較少，特別是針對電廠開發的現場總線高性能智能現場設備更少，因前期在EMERSON實驗室內測試工作的不充分，導致在現場安裝過程中，發生一部分設備規約不清、通信連接不上、多個設備廠家技術人員到現場配合EMERSON公司解決通信的工作，這直接影響到了工程建設進度。另外，有些供貨廠家在設備采購中對技術協議中總線要求視而不見，經常出現總線配置非總線設備(變送器、執行機構）的錯誤，導致信號無法通信、顯示，執行機構不能遠操，運行人員被迫就地手操，如1、2號機組鍋爐的二次風擋板直到168試運時才能全部遠操，嚴重影響了機組的調試工作。

因此，在工程設計及設備選型階段，首先要盡早確定控制系統，然后是現場總線設備選型。其次，在招標過程中，要明確要求供貨商將變送器、執行器等總線設備送至控制設備廠家進行實驗室測試。此項工作最好在DCS和PLC控制系統出廠前完成，以便相關控制機柜設計和邏輯組態的開展。未開展前期實驗室測試的設備，在設備單體調試前，務必盡早聯系廠家到現場配合調試，以避免影響分系統及整套啟動調試的進度。最后，盡可能減少現場總線設備的品牌類型，以便于工程實施過程中的組織協調和機組投產后運行、維護。

2.2 現場總線設備的安裝

現場總線技術是一種數字通信技術，總線電纜屬于通信電纜。從荊門工程經驗來看，信號干擾是總線系統可靠性的一大瓶頸，總線系統的可靠性主要取決于安裝的工藝。雖然現場總線相對常規設備的安裝工作量減少，但技術要求提高，對現場布線和接線的要求高。如通信光纖的熔接、通信電纜的分支連接、現場總線儀表通信接口接線等，有的需要使用專用設備和工具，有的需要特殊的工藝和方法。這些雖然不難掌握，但與常規安裝工藝和方法有差別，需要一定的培訓。由于本工程1號機組電建隊伍第一次大規模安裝總線設備，而且工程進度緊迫，大部分總線電纜布置和接線未能滿足通信要求，造成在鍋爐吹管階段，相當一部分總線測點發生過因干擾跳變或離線，1號機組重要保護信號跳變且易受干擾，嚴重影響了機組的安全運行。因此，1、2號機組168試運前被迫進行大規模總線電纜現場整改，不僅增加了工作量，而且造成整套啟動工作滯后。

因此，現場總線設備安裝必須通過嚴格總線電纜的施工過程管理來予以保障。安裝單位應嚴格按照《電力建設施工及驗收技術規范 第5部分熱工自動化DL/T 5190.5—2004》和控制設備廠家給出的安裝要求施工，特別強調要避免長距離平行布線，因為平行布線會導致空間電容耦合，互相產生影響，干擾信號通信。如高電壓、大電流的動力電纜與低電壓、小電流的通信電纜必須嚴格分線槽布線，如二者無法分槽布線，需將二者盡量遠離，同時中間加裝接地的金屬隔板進行隔離。另外，建議總線電纜安裝采用單獨、封閉的槽盒，以增強總線的抗干擾能力。

2.3 現場總線設備的調試

在新建工程中，現場總線設備調試涉及參建單位較多，且彼此間關聯性強，該工作涉及到設計單位、DCS廠家、組態服務單位、電建單位、調試單位和各總線設備廠家。不同于常規設備調試，各單位之間有著規程上的或約定俗成的工作界面，總線技術使得設備調試的工作內容和流程分工有了較大變化，如總線電纜的敷設與接線質量檢查、總線設備地址編碼設置、總線信號噪聲測試、設備通信抗干擾調試等，這些工作科學的分工和組織，是整個工程調試進度和調試質量得以保證的關鍵。特別是在現場總線前期調試階段，如在總線設備邏輯組態時需要詳細的設備類型，要求主輔機設備供應商盡早提供配供的總線設備具體型號，否則總線組態的現場工作量會很大，在現場調試和運行時常會遇到困難。上述這一切，需要有一支較強的技術隊伍來解決調試、運行中產生的技術難題，并進行總線設備調試的協調工作。本工程因參建各方對現場總線調試經驗不足，前期缺少這樣一支隊伍，致使總線組態和調試舉步維艱，調試過程中總線設備的部分缺陷無法及時消除，總線調試一再拖延。

另外，由于現場總線控制包含許多新的技術內容，組態參數很多，不容易掌握，對熱工技術人員調試水平和維護水平也要求很高，但由于工程搶進度，調試人員缺乏現場總線技術的培訓，邊學習邊調試，致使總線設備的調試和維護進展緩慢，影響了機組調試工作。

為此，在荊門工程中，建設單位最后委托西安熱工院作為總線調試的總體負責方，負責總線設備招標、設計、安裝、調試過程中各個環節的技術支持和組織協調，上述問題才得以解決，這一方式在現場總線應用的工程中是值得借鑒的。

3 結語

通過工程建設過程中對現場總線的整改、優化，現場總線系統在華能荊門熱電廠兩臺機組上運行正常。這一結果表明，現場總線是一項成熟的技術，完全可以滿足火電機組安全穩定、運行的要求，同時也為今后現場總線技術在其它熱電廠的應用提供了切實的借鑒意義。另一方面，荊門工程在現場總線應用方面尚待改進的工作和建議如下。

1)現場總線技術培訓

現場總線技術的應用，理論上是熱控技術人員的勞動強度有所降低，但由于數字通信不如電壓和電流信號直觀，分析通信故障需要新知識、新裝備，對熱工專業的技術要求大大提高了。荊門工程由于種種原因，現場總線技術的培訓一直是薄弱環節，為此影響工程的設計、安裝、調試和運行各個階段，因此有必要加強現場總線技術的培訓，熱工調試人員通過加強現場總線技術的學習，逐步形成現場總線控制技術的工程應用能力，運行和維護人員通過學習現場總線信息管理和診斷軟件，及時了解總線儀表和設備運行狀況，通過診斷數據，提前預警設備故障。學習的內容包括現場總線專用工具和缺陷診斷工具的使用，掌握總線接線工藝等，同時要熟悉多種軟件的使用方法，以適應現場總線控制系統的運行、維護。

2)現場總線技術優化

出于對總線通信速率考慮和日常維護方便，荊門工程選擇FF總線連接儀表，DP總線連接執行器的整體技術構架，這使得DCS系統模擬量閉環控制邏輯和聯鎖邏輯不能從DPU中下放到總線設備上執行，總線只是實現了I/O信號傳輸的數字化，雖然提高了通信信號的精度，但沒有能夠實現控制系統風險從控制器層次向現場設備的分散，并且因為同一總線段上掛接了多個設備，理論上還集中了控制風險。另外，現場總線技術與目前DCS控制系統相比，最大的優勢在于現場總線設備可以提供豐富的設備內部信息，為電廠投產后的設備管理、故障診斷、設備檢修帶來方便，如閥門執行器可以提供“行程累計、行程偏差、閥門特征曲線”，壓力變送器可以輸出“電子故障、傳感器故障、導壓管堵塞”等信息，通過軟件的自動巡檢功能，以實時報警或報表方式對設備問題進行提醒，可以極大地提高設備管理水平，從而實現對熱工設備的精密點檢和預防性維修，但目前荊門熱電廠尚未實現現場總線設備的智能化管理，因此有必要對上述問題進行完善和優化，全面提升電廠的自動化和信息化水平。

3）現場總線技術應用率

相比常規設計，理論上采用現場總線技術省電纜，減少機柜，節約成本，但荊門工程整個控制系統的投資費用提高了約20%，原因是DCS廠家合同中因增加了現場總線電纜、光纜、就地總線盒等設備，導致設備費用增加，而現場總線設備價格偏高，總線技術應用帶來的電纜節省、安裝和調試費用降低無法抵消增加的費用，荊門工程現場總線技術的應用率已近60%，但仍然體現不出工程造價的優勢，不過隨著現場總線技術的大規模推廣應用，以及應用率的提高，相信在不遠的將來這一問題會得到解決。

（References）

[1]曹泉.聯合循環燃機機組APS控制策略及其實踐[J].湖北電力,2015,39(4):83-86.CAO Quan.The control strategy and practice of the combined cycle gas turbine unit APS[J].Hubei Electric Power,2015,39(4):83-86.

[2]王剛，梁正玉.全廠現場總線技術在華能荊門2×350 MW新建機組上的應用[J].河南電力,2015(4):52-56.WANG Gang,LIANG Zhengyu.Fieldbus technology application and the practice in the Huaneng Jingmen power plant 2×350 MW unit[J].Henan Electric Power,2015(4):52-56.

[3]張戰強.現場總線技術在660 MW超臨界機組上的應用分析[J].華電技術,2014(6):45-47.ZHANG Zhanqiang.Fieldbus technology application and the practice in the 660 MW unit[J].Huadian Technology,2014(6):45-47.