現場總線在發電廠全廠控制系統中的應用

高玉玲 劉志明

（1.中國電建集團河南省電力勘測設計院有限公司，河南 鄭州450007；2.河南工程學院土木工程學院，河南 鄭州450007）

0 引言

現場總線在火電廠的應用正處于從輔助車間局部試點發展到全廠全面采用的上升階段，其技術已經成熟。周口隆達2X660MW工程機組全廠采用現場總線并順利投產，推進了現場總線在發電廠全廠的應用和研究，進而推動電廠數字化、信息化、智慧化的進程。

1 現場總線

現場總線的定義：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稱為現場總線。

現場總線控制系統FCS的定義：由現場總線與現場智能設備組成的控制系統。

現場總線控制系統也可以說是采用了現場總線技術的DCS控制系統，因為它可以通過總線協議實現控制系統與現場智能設備的雙向數字通信。

雖然現場總線標準有20種之多，但是目前在國內火電廠過程控制領域，具有技術領先性和較高市場占有率的現場總線也只有兩種：基金會現場總線（Fou ndation Fieldbus，FF）和Profibus（Process Fieldbus）現場總線。這兩種總線各有各的優勢，總的來說FF總線比較適用于連續量控制（取代模擬量4～20 mA），而Profibus總線既適合連續量控制，也適用于數字量控制。

FF總線標準包括低速FF-H1和高速FF-HSE兩部分。FF-H1主要面向現場的儀表設備，總線速率為31.25 Kbps，采用介質冗余的雙絞線傳輸，具備二線制總線供電，本質安全特征（防爆場合）；而FF-HSE則主要面向遠程I/O、高速工廠自動化、過程控制級等的應用，總線速率為100 Mbps，采用高速以太網協議（HSE），但目前應用較少。

Profibus是SIEMENS公司主導推廣的現場總線標準，它包括Profibus-DP、Profibus-PA、Profibus-FMS三個總線標準族。這三部分標準分別有不同的應用領域：Profibus-DP主要用于自動控制系統和設備級分散的I/O之間進行通信；Profibus-FMS用來解決車間級通用性通信任務；Profibus-PA則是針對過程自動化而設計，其物理層與FF-H1類似，都是通訊速率為31.25 Kbps的低速總線，支持總線供電、本質安全等特性，但在應用層以及數據鏈路層，Profibus-PA的完善性比不上FF-H1。另外Profibus-PA在控制周期的確定性、現場設備診斷維護能力以及數據采集等方面也比上FF-H1。在這三個標準中，Profibus-DP在多個行業應用中占有重要的市場份額，在2006年成為中國的國家標準（GB/T 20540-2006）。

2 周口隆達2X660MW工程選取的現場總線

目前國際比較有名氣的DCS品牌均支持現場總線。例如，EMERSON（艾默生）公司的Ovation系統支持的是FF和Profibus-DP現場總線協議；SIEMENS（西門子）公司的TXP-3000（SPPA一T3000）支持的是Prof ibus-PA和Profibus-DP現場總線協議；FOXBORO公司的I/A系列支持得是Profibus-PA、Profibus-DP和FF現場總線協議；ABB公司的Symphony系統支持的是Profibus-DP現場總線協議。

周口隆達2X660MW工程DCS最終招標確定的Emerson公司的Ovation控制系統。如上所述Ovation控制系統支持的是FF和Profibus-DP。

3周口隆達2X660MW機組現場總線的應用范圍

統籌兼顧工程風險和技術創新二者的關系，以求最大綜合效益，采用現場總線時遵循以下原則：

（1）涉及機組安全啟停的專用控制設備采用常規DCS控制。爐膛安全監控系統（FSSS）、汽機數字電液控制系統（DEH）、汽機本體緊急跳閘系統（ETS）、給水泵汽輪機數字電液控制系統（MEH）、給水泵汽輪機本體緊急跳閘系統（METS）及旁路控制系統（BPC）等對機組安全運行至關重要，其相關設備的控制不采用現場總線，仍采用常規控制方式。

（2）機組重要聯鎖保護及主要調節回路（如爐膛負壓調節、總風量調節、給水調節、過熱氣溫調節、再熱氣溫調節、汽機防進水保護等）對機組安全運行至關重要，其相關設備的控制不采用現場總線，仍采用常規控制方式。

（3）鑒于目前現場總線還無法滿足電廠機組控制中的快速處理回路的時間（50ms左右）要求，凡要求快速控制檢測的對象以及為安全或快速響應而設置的開關量信號不納入現場總線系統，如汽輪機監測儀表（TSI）、給水泵汽輪機監測儀表（MTSI）、高壓給水加熱器三通切換閥、SOE等，采用常規I/O方式接入DCS。

（4）出于機組安全性要求考慮，所有6kV電動機和涉及機組安全啟停的重要380 V電動機 （如交、直流潤滑油泵、給水泵前置泵等），仍采用常規I/O方式接入DCS。

（5）對隨主、輔機配套供貨的專用控制裝置（如磨煤機油站電控柜、給煤機電控柜、吹灰動力柜、空預器間隙調整、空預器火災報警、膠球清洗裝置等）采用常規I/O方式接入DCS。

（6）鑒于主廠房內電磁閥控制的二位式氣動閥門布置較為分散、多用于系統保護（如磨煤機出口煤粉關斷門、抽氣逆止閥前疏水門等），且采用現場總線后信息量少，意義不大，故仍然采用常規I/O方式接入DCS。

（7）鑒于邏輯開關多用于重要連鎖保護，且采用現場總線后信息量少，意義不大，故所有開關量儀表不進入現場總線，一般仍采用常規I/O方式接入DCS。

（8）納入主機DCS控制的輔助車間如循環水泵房、儀用壓縮空氣系統等因設備較特殊，一般仍采用常規I/O方式接入DCS。

（9）其他系統（主廠房及輔助車間系統）的控制和檢測均采用現場總線技術。

（10）對于未采用現場總線技術的電/氣動執行機構、變送器將采用具有HART通訊協議接口的產品，DCS采用支持HART通訊協議的I/O模件，以實現智能設備管理功能，全面提高電廠設備的管理水平。

（11）為充分發揮現場總線設備具有的故障自診斷和網絡化管理能力，DCS將配套設置現場總線設備診斷和管理軟件（每臺機組1套，其點數不少于工程總線設備管理需要，包含公用系統點數）。

（12）調節型、開關型閥門的電動控制裝置采用Prof ibus DP（V1版本）冗余接口類型產品，掛接在Profibus DP總線網段上。

4 周口隆達2X660MW機組現場總線設備數量

4.1 單元機組采用現場總線的設備數量

周口隆達2X660MW工程根據上述的現場總線應用范圍原則最終確定的單元機組現場總線設備數量如表1所示，總線設備折算成常規I/O點后約2700點，現場總線應用范圍基本覆蓋單元機組各子工藝系統，使用率達到國內領先水平。

表1 單元機組現場總線設備表

4.2 輔助車間現場總線設備數量

周口隆達2X660 MW工程輔助車間現場總線應用范圍確定在凝結水精處理系統、化學水處理系統（包括鍋爐補給水處理系統、工業廢水處理系統、循環水處理系統、綜合水泵房系統）、氣力除灰系統采用現場總線技術。輸煤系統不采用現場總線控制。

輔助車間采用現場總線時遵循以下原則：

（1）75 kW以下泵、風機類電動機均采用現場總線技術。

（2）水、灰車間氣動門多且相對集中，擬采用帶現場總線接口的電磁閥島+帶現場總線接口的DI數據采集卡納入輔助車間DCS控制。

（3）對隨工藝設備配套供貨的控制裝置，如各加藥裝置、澄清池攪拌機、濃縮池刮泥機等擬采用常規方式接入輔控DCS。

（4）用于安全保護的氣體分析儀表擬采用常規方式接入輔控DCS。

（5）為充分發揮現場總線設備具有的故障自診斷和網絡化管理能力，輔控網DCS將配套設置現場總線設備診斷和管理軟件1套，其點數不少于本工程輔助車間總線設備管理需要。

輔助車間現場總線設備數量460臺（開關型氣動門不列入統計，僅統計相應電磁閥箱），上述總線設備折算成常規I/O點后約3 000點，現場總線應用范圍基本覆蓋輔助車間各子工藝系統。其中，水、灰等車間設備集中，應用現場總線的效果較為顯著。

5 采用現場總線技術的造價變化

主廠房現場總線方案造價變化如表2。

主廠房投資變化結論如下：采用現場總線技術后DCS價格會略有上升，智能現場設備也略貴一些，但使用的電纜、電纜橋架量相應地減少了很多，另外安裝、調試等費用也會大大減少。綜合比較，采用現場總線之后主廠房初期靜態總投資增加約5萬元，與采用常規DCS方案相比，初期投資費用可做到略有增加或基本持平。但在數字化應用提高了、全生命周期內設備的維護管理也方便了，長遠來看采用現場總線技術的潛在收益將更為可觀。

輔助車間由于設備集中，采用現場總線更具優勢。現場總線控制系統和現場智能設備的采購費用較常規DCS有所增加，因DCS機柜數量、電纜、橋架減少所帶來的安裝工程量將減少30%以上，但考慮到常規DCS方案中輔助車間電磁閥箱等就地控制箱已具有電纜合并功能，采用現場總線后電纜、橋架減少有限。參照同類工程，輔助車間控制系統采用現場總線之后，初期投資費用將略有增加，大約增加15萬。

6 遇到的問題

現場總線最根本的是在于投運后充分利用數字化電廠上層各種高級應用軟件（如設備診斷及管理、壽命預測、狀態檢修、優化運行等）實現對現場總線系統豐富底層數據的有效處理，達到在全壽命周期內大幅度節約運行維護成本，提高電廠管控一體化水平和競價上網能力的最終目的。但是目前國內現場總線的應用還是處于推廣階段，所以現場總線技術的優越性還沒能真正發揮，對降低運行維護成本的優勢尚不明顯。

表2 主廠房造價對比表

7 結語

周口隆達2X660 MW機組全廠現場總線的成功應用，為數字化、信息化的智慧電廠建設積累了寶貴的經驗。也為電廠今后進一步開發設備診斷及管理、壽命預測、狀態檢修、優化運行等智慧功能提供了基礎。