現場總線控制技術在火電廠煙氣脫硫工程中的應用

張愛松，鄧濤，吳海權

（武漢龍凈環保工程有限公司，湖北 武漢 430200）

當下，自動控制技術、計算機技術和通信技術的發展日新月異，數字化時代早已全面來臨，在工業生產過程中采用數字化控制技術已成為技術潮流，基于數字化的現場總線控制技術逐步得到大力推廣和應用。采用現場總線技術構建的控制系統即為現場總線控制系統（FCS，fieldbus control system）。目前，現場總線控制系統（FCS）在國內眾多行業上（如石化行業）均已有較多應用，在火電行業，雖然整個電廠普遍采用現場總線控制系統（FCS）的工程不多，但在一些電廠輔助生產車間（如水處理系統、脫硫系統等）也取得了較多成功應用業績。在華能安源電廠“上大壓小”新建工程（2×660MW超超臨界二次再熱機組）煙氣脫硫系統中，就主要采用現場總線控制系統（FCS）對整個脫硫系統進行監控，該工程現已投運，系統運行穩定。本文以現場總線控制系統（FCS）在華能安源電廠“上大壓小”新建工程脫硫系統中的實際應用為例，對現場總線控制技術在火電廠脫硫系統中的應用進行探討。

1 現場總線技術

國際電工委員會lEC61158標準對現場總線的定義如下：安裝在制造或生產過程區域的現場裝置與自動控制裝置之間的數字式、串行、雙向、多點通信的數據總線。它是一種工業數據總線，在工業自動化領域中屬于底層數據通信，其作用是實現了以數字通信的方式替代傳統的4～20mA模擬量信號或普通開關量信號進行信號傳輸，開啟了工業自動化領域的數字化時代。

目前，IEC61158標準第四版中共定義了20種現場總線標準。早期，主要是一些跨國工業自動化巨頭（如：Emerson、Siemens、ABB、HoneyweIl等）在倡導和推動現場總線技術的發展，國內對現場總線技術的研究起步稍晚，因此目前能夠成套提供現場總線控制系統設備的主要是國外廠家，這些廠家成套提供的控制系統和總線設備在國內應用較為廣泛。國內過程控制應用中最主流的兩種現場總線方案為：基金會現場總線FF和ProfiBus總線，通過逐步引進、研究和吸收，國內部分廠商也已可提供符合FF和ProfiBus總線標準的產品，局部替代進口產品，大大降低了工程成本。現對這兩種主流現場總線技術簡要介紹如下。

FF現場總線系統包括低速總線H1和高速以太網總線HSE(High Speed Ethernet)，H1總線用于連接生產現場的總線設備，通訊速率為31．25kbps，采用兩線制進行信號傳輸，同時可向現場設備供電，具備本質安全特征。HSE總線則面向過程控制級、遠程I/O和高速工廠自動化的應用，采用100Mbps高速以太網協議。

ProfiBus現場總線是另外一種主流開放式過程現場總線，它包括3種總線協議型式：ProfiBus-DP、ProfiBus-PA、ProfiBus-FMS。

ProfiBus-DP主要應用于現場設備級控制系統與分散式I/O的通訊，采用RS-485雙絞線電纜和光纜進行信號傳輸，傳輸速率范圍9．6kbps～12Mbps，采用雙絞線時最大通訊距離可達1200m，加裝中繼器最大通訊距離可延長至10km。采用光纖時其距離則可延長至幾十公里，同時通訊速率可達12Mbps。總線上最大站點數為126個。ProfiBus-DP總線是應用最多、最廣泛的一種ProfiBus總線，因此，實際使用時往往習慣把ProfiBus-DP直接稱為ProfiBus。ProfiBus-DP在其技術發展過程中先后經歷了DP V0、DP V1和DP V2三個版本：DP V0 提供了ProfiBus-DP的基本功能，DP V1 對ProfiBus-DP的功能進行了擴展，支持非周期性的數據交換，是對DP V0基本功能的補充，且與DP V0兼容，在過程控制場合，DP V1應用最為普遍。DP V2則根據驅動技術的需求而增加了其他相應功能。

ProfiBus-PA用于滿足ProfiBus總線在過程自動化方面的應用，其功能與FF H1總線類似，采用雙絞線傳輸信號，傳輸率為31．25kbps，距離可達1900m，每段最多32個站點，提供本質安全和總線供電特性，同樣特別適用于有防爆要求、通訊速度要求低的過程應用場合。PA總線需要通過DP/PA耦合器與上層的DP總線相連。相比較而言，國內采用FF H1總線更為普遍。

表1

表2

ProfiBus-FMS定義了主站與從站之間的通訊，主要用于解決車間監控級的通信，隨著工業以太網技術的快速發展，ProfiBus-FMS已基本被高速工業以太網替代，很少再使用。

2 華能安源電廠“上大壓小”新建工程煙氣脫硫FCS控制系統設計和應用

華能安源電廠“上大壓小”新建工程采用全廠DCS主、輔一體化的設計方案，主、輔機控制系統均采用Emerson公司的Ovation控制系統。脫硫控制系統按照功能分散和物理分散相結合的原則，將其控制范圍劃分為單元機組脫硫控制系統和脫硫公用輔助控制系統，單元機組脫硫控制系統作為子系統納入相應主機DCS控制網絡，脫硫公用輔助控制系統則納入機組公用DCS網絡，從而實現在機組集中控制室對脫硫系統進行集中監控。

本工程脫硫車間監控盡量推行現場總線技術，除設備廠家成套就地控制箱柜、6kV重要轉機設備以及少部分遠傳儀表（PH分析儀表、氣體成分分析儀表、科氏力密度計和熱電阻）與DCS系統通訊采用常規硬接線外，其余遠傳過程連續測量儀表均配置現場總線接口，離散量設備如電動執行機構和380V電動機設備也采用現場總線控制，總線接口型式分別選用Ovation FCS系統中應用最成熟和廣泛的FF H1總線和ProfiBus-DP總線(DP V1版本)。

本工程脫硫DCS系統常規硬接線實際IO測點數量和總線儀表設備數量分別統計如下（表1和表2）。

本工程脫硫DCS系統網絡配置示意圖如下（圖1）。

圖1

（上層車間級為HSE高速總線，現場級為FF H1總線和ProfiBus-DP總線）。

根據脫硫工藝系統劃分和現場總線儀表設備物理位置布置的具體情況，按照表2統計的現場總線儀表設備數量，對脫硫DCS系統中現場總線接口模塊配置如下。

＃1機脫硫DCS配置5塊ProfiBus-DP總線接口模塊+4塊FF總線接口模塊。

＃2機脫硫DCS配置5塊ProfiBus-DP總線接口模塊+4塊FF總線接口模塊。

脫硫公用輔助系統DCS配置9塊ProfiBus-DP總線接口模塊+4塊FF總線接口模塊。

每塊ProfiBus-DP和FF總線接口模塊各包括兩個通訊端口，即單元機組脫硫DCS共配置10段ProfiBus-DP總線網段和8段FF總線網段，每段ProfiBus-DP總線掛接設備平均約11臺，最多為14臺，每段FF總線掛接設備平均約4臺，最多為5臺；脫硫公用輔助系統DCS共配置18段ProfiBus-DP總線網段和8段FF總線網段，每段ProfiBus-DP總線掛接設備平均約8臺，最多為12臺，每段FF總線掛接設備平均約4臺，最多為6臺。此總線網段分配方案充分保證了總線上數據通訊的負荷裕量，后期工藝系統若需要增加少量總線儀表設備，可以很方便地在既有總線網段上進行擴展。

總線網段分配完成后，總線電纜敷設施工時嚴格按照作業要求進行，一段總線安裝完成后，參與安裝調試的各方共同對網段進行驗收并填寫驗收記錄單，網段通過驗收后即可進行上電調試工作。

華能安源電廠2臺機組脫硫分別于2015年6月和8月完成系統聯調，并隨主體工程同步投運，DCS系統運行穩定、可靠，現場總線技術的成功應用。

3 現場總線技術的優點

通過華能安源電廠“上大壓小”新建工程煙氣脫硫FCS控制系統的成功應用，印證了現場總線技術具有以下明顯優勢。

（1）首先是電纜的大量節省。按照上表2統計的總線儀表設備數量，若采用常規硬接線通訊，開關量控制電纜和模擬量計算機共需要778根，而采用總線通訊方式，只需要62根主干總線電纜，電纜量的節省很大。

（2）其次是施工量的節省。電纜根數大幅減少，相應的橋架施工（總線電纜的敷設只需要采用小槽盒，與常規硬接線需要搭設橋架主通道相比，無疑是更為方便和靈活）、電纜敷設、接線、查線等施工量也隨之大量縮減，節省了施工費用，利于縮短工期。

（3）DCS卡件和機柜的節省。本脫硫系統采用總線方案共配置19塊ProfiBus-DP總線接口模塊和12塊FF總線接口模塊，這部分總線儀表設備若采用常規配置，初步預估所需IO卡件數量如下（考慮15%的備用通道）：DI卡76塊、DO卡48塊、AI卡15塊，可以看出總線方案卡件數量大為減少，由此也帶來了機柜和機柜土建安裝空間的節省。

（4）現場總線儀表設備信息采用數字方式傳輸，信號抗干擾能力及其精度大大提高。

（5）編程組態更加方便，標定簡單，在控制室內可以監視到現場總線儀表設備豐富的工作狀態信息，其預診斷和報警功能使現場儀表設備的維護變得輕松簡單。

4 現場總線設計、施工過程中的問題

現場總線在華能安源脫硫項目設計、施工過程中出現的一些問題總結如下幾點。

（1）總線標準過多，不同總線標準的現場設備不能互換，給使用造成不便；即便是相同的總線標準，特別是國產總線儀表設備，因廠家驅動文件（GSD、EDD等）原因在與DCS系統通訊時仍然可能出現兼容性問題導致不能正常通訊，為避免出現這種情況影響工程進度，在控制系統和總線儀表設備選定后，需要廠家提前將儀表設備樣品送至控制系統廠家Emerson公司進行通訊測試，通訊正常后方可批量生產和供貨。為保證通訊的長期穩定、可靠，本工程設計過程中較多選用了與Emerson公司DCS系統配套成熟的進口總線儀表設備，總線儀表設備的投資成本相對較高。

（2）場總線的傳輸速率較低，脫硫系統的重要設備（如6kV高壓設備）及其聯鎖保護信號還是需要采用常規硬接線。同時在本工程設計過程中對總線信號傳輸的穩定性有一定擔憂，對于部分總線儀表設備在DCS機柜內還是預留了常規硬接線IO點，事實證明還是造成了一定浪費。

（3）總線電纜的敷設施工及接線對施工人員要求較高，在調試過程中出現很多因施工問題導致的網絡通訊故障，因此需要嚴格按照作業文件要求有序施工，如總線電纜宜單獨設置槽盒、電纜不能過于繃緊導致線芯變形、電纜應與動力電纜特別是高壓電纜保持適當距離、電纜屏蔽層及總線儀表外殼的可靠接地等。

5 結語

華能安源電廠“上大壓小”新建工程煙氣脫硫系統在設計、建設過程中順應技術潮流，對現場總線技術進行了積極探索和應用，系統投運至今，運行穩定可靠，大大提高了電廠的自動化控制水平，促進了電廠的數字化和信息化建設，是現場總線技術在火力發電行業的又一次成功應用。

參考文獻：

[1]陽憲惠．現場總線技術及其應用2版[M]．北京：清華大學出版社，2008，10．