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　現(xiàn)場總線是一門新興技術(shù)，廣泛的應(yīng)用在在石化、化工、冶金、醫(yī)藥、市政工程、樓宇、建材等多個行業(yè)，但是在電廠過程控制中的實質(zhì)性實施比較少，所以本文通過國內(nèi)外現(xiàn)場總線火電廠應(yīng)用現(xiàn)狀、現(xiàn)場總線火電廠控制關(guān)鍵問題技術(shù)分析、系統(tǒng)配置方案這三方面來研究一下這個課題。
        引言
　　
　　現(xiàn)場總線控制技術(shù)作為一門新興技術(shù)，已廣泛、成功地應(yīng)用在石化、化工、冶金、醫(yī)藥、市政工程、樓宇、建材等多個行業(yè)。與其形成鮮明對照的是現(xiàn)場總線技術(shù)在電廠過程控制中的實質(zhì)性實施卻始終不多，究其原因主要有以下幾點：
　　
　?、購?002年下半年開始，電力供應(yīng)缺口導致大量電廠項目工程建設(shè)的主要精力放在如何在zui短時間內(nèi)完成項目設(shè)計任務(wù)，常規(guī)技術(shù)方案自然成為；
　　
　?、诠こ碳夹g(shù)人員對現(xiàn)場總線技術(shù)優(yōu)勢的理解僅局限于節(jié)省電纜、功能分散、設(shè)備信息數(shù)字化，缺乏應(yīng)用的積極性；
　　
　?、垭姀S過程控制回路具有相關(guān)度高、控制功能復雜、安全性和穩(wěn)定性要求高等特點，要求對現(xiàn)場總線技術(shù)的切實掌握和實踐驗證；
　　
　?、墁F(xiàn)場總線儀控設(shè)備比常規(guī)儀控設(shè)備價格高，總線型設(shè)備的選擇范圍還相對較小，也在一定程度上阻礙了現(xiàn)場總線技術(shù)在電廠過程控制中的大量應(yīng)用。
　　
　　隨著認識的提高和技術(shù)的發(fā)展，這樣的局面近期已有所改變。如在華能玉環(huán)電廠補給水、廢水系統(tǒng)中成功實現(xiàn)了現(xiàn)場總線技術(shù)的全面應(yīng)用，化水控制系統(tǒng)在較短時間內(nèi)完成了安裝、調(diào)試，并很快投入運行，由此說明了現(xiàn)場總線在電廠輔助生產(chǎn)控制系統(tǒng)中應(yīng)用是*可行的。
　　
　　一、國內(nèi)外現(xiàn)場總線火電廠應(yīng)用現(xiàn)狀
　　
　　山東萊城電廠擴建工程3#、4#機組采用西門子EPERM－XP分散控制系統(tǒng)，400V及以下的電動機在開關(guān)柜中配套西門子公司的SIMOCODE電動機控制保護設(shè)備，通過Profibus現(xiàn)場總線與EPERM－XP相連接。目前電廠已投入運行，現(xiàn)場總線系統(tǒng)運行基本穩(wěn)定。
　　
　　江陰夏港電廠5#、6#機組（2×330MW）采用FOX－BORO公司的I/A分散控制系統(tǒng)，380V開關(guān)柜采用西門子公司的SIMOCODE電動機保護控制設(shè)備，通過Profibus-DP與I/A分散控制系統(tǒng)相連接。6kV馬達采用WDZ400系列國產(chǎn)智能裝置，重要信號通過硬接線與分散控制系統(tǒng)相連，其它信號通過Modbus總線與I/A分散控制系統(tǒng)連接。
　　
　　浙江國華寧海發(fā)電廠（4×600MW）控制系統(tǒng)采用西門子EPERM－XP分散控制系統(tǒng)?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的控制范圍為閉式水系統(tǒng)34個現(xiàn)場總線電動門（現(xiàn)場總線電動門配AUMA公司的AUMATIC電動執(zhí)行器），現(xiàn)場總線標準為Profibus-DP，采用冗余總線接口與EPEM－XP連接。
　　
　　華能玉環(huán)電廠（4×1000MW）在鍋爐補給水系統(tǒng)、廢水系統(tǒng)中*采用Profibus現(xiàn)場總線技術(shù)通信的方式，將氣動門電磁閥、氣動調(diào)節(jié)閥、流量變送器、壓力變送器、化學分析儀表、水泵電動機、風機電動機、加藥變頻器等控制設(shè)備連在一起。所有的底層設(shè)備都具有數(shù)字通信接口，從控制室到現(xiàn)場之間除了工作電源外，沒有任何直接的控制硬接線，所有的控制室的指令和現(xiàn)場設(shè)備的狀態(tài)信息都通過現(xiàn)場總線進行傳輸。目前已成功投入運行。
　　
　　上世紀90年代末，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)就已經(jīng)在國外的電廠中得到應(yīng)用，如SMAR公司的System302就曾先后在美國的SeattleSteam
　　
　　、MohaveGenerationPlant、DukepowerOconeeNuclearPowerPlant、墨西哥的Mazatlan、Guaymas、巴西的CESE等6個電廠中的15臺鍋爐上得到的應(yīng)用。其中zui大的鍋爐容量為600t/h，zui大的單元機組容量為158MW，這些現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)除了完成一般的數(shù)據(jù)采集功能之外，還實現(xiàn)了燃燒控制、給水控制、過熱汽溫控制、再熱汽溫控制、除氧器控制以及電機的啟?？刂?、聯(lián)鎖保護和報警等功能。
　　
　　德國Niederaussem電廠較全面地使用了現(xiàn)場總線。該廠采用了Profibus-DP和HART兩種現(xiàn)場總線。整個系統(tǒng)包括900臺馬達、400個電磁閥、1000個閥門定位器和電動執(zhí)行機構(gòu)。這些智能設(shè)備均通過Profi-bus-DP與DPU相連。通過采用Profibus現(xiàn)場總線系統(tǒng)，真正實現(xiàn)了全廠監(jiān)控，提供更加完善有效的設(shè)備診斷功能，實現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備的遠程編程和維護，實現(xiàn)了全廠數(shù)據(jù)的集中管理，使設(shè)備的狀態(tài)檢修成為可能，提供更多的設(shè)備信息使操作和維護得到優(yōu)化。
　　
　　二、現(xiàn)場總線火電廠控制關(guān)鍵問題技術(shù)分析
　　
　　通過多年來現(xiàn)場總線在多個行業(yè)的成功應(yīng)用以及在電廠輔助生產(chǎn)系統(tǒng)的實施經(jīng)驗積累，特別是Nieder-aussemK機組及上海賽科項目中現(xiàn)場總線技術(shù)的全面成功運用，為我們在國內(nèi)火電機組控制上推廣現(xiàn)場總線技術(shù)應(yīng)用提供了有力的支持。推行現(xiàn)場總線在機組控制中的應(yīng)用，應(yīng)重點考慮以下幾個方面的問題。
　　
　　2.1可靠性和可用性
　　
　　電廠發(fā)電機組連續(xù)安全穩(wěn)定運行是至關(guān)重要的?？刂葡到y(tǒng)的可靠性是保證機組可用率的重要因素。為了提高系統(tǒng)的可靠性，現(xiàn)場總線技術(shù)（FF和Profibus）已經(jīng)采用了多項措施，常用的有分散和冗余二項。
　　
　?、俜稚⒎矫妗CS系統(tǒng)而言，主要通過網(wǎng)絡(luò)分散和控制分散來提高可用性。除去將一般控制功能下放到現(xiàn)場，設(shè)計中通過上層網(wǎng)絡(luò)的區(qū)域劃分和下層網(wǎng)絡(luò)的風險管理等，做到一個回路的故障不影響到另一個回路。在工程設(shè)計中，建議主要控制策略還是采用常規(guī)DCS應(yīng)用方式，按工藝系統(tǒng)分散在不同的控制器內(nèi)實現(xiàn)，功能分散能夠滿足要求?；痣姀S機組控制中存在大量控制回路之間的相互聯(lián)鎖、信號交換，當不同檢測控制設(shè)備處在不同網(wǎng)絡(luò)分段時，如何確保它們之間聯(lián)鎖、交換信號的實時可靠性將是一個需要關(guān)注的問題。
　　
　?、谌哂喾矫妗，F(xiàn)場總線系統(tǒng)通過主站網(wǎng)絡(luò)冗余、變送器冗余、總線電源冗余、鏈路設(shè)備冗余、控制器冗余、冗余分離等實現(xiàn)。其中鏈路設(shè)備、電源、主站網(wǎng)絡(luò)和操作員站冗余是現(xiàn)場總線系統(tǒng)常用的冗余措施。在工程設(shè)計中可以對所有具有冗余總線接口的電動執(zhí)行機構(gòu)、馬達驅(qū)動控制裝置等設(shè)備考慮采用冗余總線連接；控制系統(tǒng)中所有總線電源也應(yīng)該冗余配置。目前FF的H1和Profibus-DP已實現(xiàn)了網(wǎng)段介質(zhì)冗余，但由于Profibus-PA設(shè)備通常沒有冗余接口，PA網(wǎng)段還沒有實現(xiàn)冗余。對此，在工程設(shè)計中可通過將冗余配置的變送器等總線設(shè)備分散在不同網(wǎng)絡(luò)分段中來提高系統(tǒng)的可靠性。
　　
　　通過診斷可以提高系統(tǒng)的可用性。如冗余的備用設(shè)備狀況和切換狀況，通過診斷，證明冗余的備用狀況和切換情況，從而警示操作員更換冗余設(shè)備組中故障部分，使其準備好在下次故障發(fā)生時能正常投入。
　　
　　另外，為提高系統(tǒng)的可靠性，整個現(xiàn)場范圍內(nèi)的通信光纜應(yīng)至少有50%的冗余量。同時為了在一路通信光纜發(fā)生損壞情況下不影響通信的正常進行，應(yīng)使用兩種光纜路徑敷設(shè)。因為互聯(lián)到現(xiàn)場總線的計算機或控制器可以方便地被其它計算機監(jiān)控，因此，現(xiàn)場總線技術(shù)的電廠應(yīng)用是可靠的。
　　
　　2.2實時性
　　
　　在火電廠機組控制運用現(xiàn)場總線控制技術(shù)，現(xiàn)場總線的實時性是一個需要關(guān)注的內(nèi)容。我們對一些潛在供貨商的控制系統(tǒng)進行了了解。其中，Profibus總線的數(shù)據(jù)為：一個典型的通過Profibus-PA總線連接的智能儀表的響應(yīng)時間為10ms；一個典型的通過Profibus-PA總線連接的執(zhí)行機構(gòu)的響應(yīng)時間為15ms；一個Profibus-DP從站的響應(yīng)時間＜0.3ms；Profibus總線系統(tǒng)中一條DP分支的查詢循環(huán)周期是2ms；一條PA分支的查詢循環(huán)周期是80ms。
　　
　　在DCS技術(shù)規(guī)范中對現(xiàn)場信號的采集周期要求為：所有模擬量輸入每秒至少掃描和更新4次，所有數(shù)字量輸入每秒至少掃描和更新10次。為滿足某些需要快速處理的控制回路要求，其模擬量輸入信號應(yīng)達到每秒掃描8次，數(shù)字量輸入信號應(yīng)達到每秒掃描20次。由此可見，Profibus總線和FF總線完夠滿足機組控制對一般輸入、輸出信號處理的實時性的要求。鑒于目前FF總線宏周期一般在1OOms-1s之間，這還無法滿足電廠機組控制中的快速處理回路的時間（5Oms左右）要求。因此，系統(tǒng)中為安全或快速響應(yīng)而設(shè)置的開關(guān)量信號，我們還是考慮采用常規(guī)DCS的I/O模塊來處理。
　　
　　2.3故障影響性
　　
　　現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計至關(guān)重要，不僅要根據(jù)系統(tǒng)I/0點的規(guī)模，而且要根據(jù)設(shè)備的地理分布、功能的相關(guān)性等因素。設(shè)計各層網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，支路的數(shù)量，支路及分支的長度、各分支的設(shè)備數(shù)量等，這些設(shè)計對系統(tǒng)的性能、硬件配置等都有重要影響。
　　
　　因此，在工程應(yīng)用中各工藝子系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)工藝相關(guān)性和現(xiàn)場布置位置情況進行網(wǎng)絡(luò)分段設(shè)計。進行網(wǎng)絡(luò)分段設(shè)計時應(yīng)遵循以下原則:每個網(wǎng)段上掛接的現(xiàn)場總線數(shù)量不超過6個;冗余設(shè)置的現(xiàn)場儀表應(yīng)接入不同網(wǎng)段;工藝上并列運行或冗余配置的設(shè)備其相關(guān)驅(qū)動裝置應(yīng)連接在不同的網(wǎng)段上?？刂葡到y(tǒng)應(yīng)根據(jù)工藝流程合理配置總線數(shù)量和掛接的現(xiàn)場設(shè)備，確保任何一條總線故障時，只產(chǎn)生工藝系統(tǒng)的局部故障，不會引起機組的危急狀態(tài)，造成整個工藝系統(tǒng)停運，并將這一影響限制到zui小。
　　
　　鑒于目前現(xiàn)場總線在機組控制中的應(yīng)用還處在起步階段，可能在具體工程實施中還會碰到一些意想不到的情況。為zui大程度地降低現(xiàn)場總線的工程應(yīng)用風險，確保機組安全順利投產(chǎn)，推薦對機組安全運行至關(guān)重要的保護系統(tǒng)仍采用常規(guī)DCS方式實現(xiàn)。
　　
　　2.4其它設(shè)計及安裝考慮
　　
　　要使現(xiàn)場總線回路能夠正常運行，總線回路的正確設(shè)計和組態(tài)非常重要。根據(jù)現(xiàn)場總線系統(tǒng)工程指南要求和其它工程使用經(jīng)驗，需要考慮如下幾個方面:現(xiàn)場總線網(wǎng)段的設(shè)計應(yīng)考慮網(wǎng)段總的電流負載、電纜型號、總線干線長度、總線支線長度、電壓降和現(xiàn)場設(shè)備數(shù)量、總線的拓撲結(jié)構(gòu)形式等?？偩€網(wǎng)段上可掛的設(shè)備zui大數(shù)量受到設(shè)備之間的通信量、電源的容量、總線可分配的地址、每段電纜的阻抗等因素影響。
　　
　　為提高總線工作效率，在設(shè)計和組態(tài)時應(yīng)盡量減少設(shè)備在總線上的通信量。具體應(yīng)注意以下幾點:
　　
　　對于簡單的單回路調(diào)節(jié)應(yīng)用，盡量將PID控制模塊放在現(xiàn)場閥門的智能執(zhí)行機構(gòu)中，這樣可減少DCS控制與現(xiàn)場閥門執(zhí)行機構(gòu)之間的通信量。
　　
　　在控制回路中應(yīng)盡量減少該回路之外的參數(shù)引入到該回路的現(xiàn)場總線設(shè)備中，因為跨功能塊、跨網(wǎng)段的引用數(shù)據(jù)會增加通信量。而低速的總線傳輸速率（31.25kbps）在周期性信息傳輸量較大時會導致宏周期增大，使回路的相應(yīng)時間隨之增大。
　　
　　現(xiàn)場總線使用的經(jīng)驗表明現(xiàn)場總線回路故障的主要原因之一是來自網(wǎng)段上的干擾，而干擾的主要原因是現(xiàn)場總線網(wǎng)段和總線設(shè)備的不良安裝。
　　
　　2.5工程造價分析
　　
　　在機組控制中全面采用現(xiàn)場總線技術(shù)，除了在技術(shù)上可行外，還必須對其設(shè)備投資與常規(guī)DCS控制方式進行比較。為此，針對DCS本身以及涉及到的現(xiàn)場儀表、執(zhí)行機構(gòu)、電纜及電纜橋架、接線箱等，市場價格情況作了一個初步的調(diào)查，具體如下:
　　
　　DCS。從控制器配置數(shù)量來看，采用FF現(xiàn)場總線時，以Emerson公司的OVATION系統(tǒng)為例，每對DPU下可連接16個GATEWAY，每個GATEWAY可連接4條Hl總線，按照每條總線掛接6臺設(shè)備考慮，每對DPU接入設(shè)備接近16×4×6＝384臺，與目前常規(guī)DCS控制器中每對DPU處理400-500點的I/O數(shù)量相當;采用Profibus現(xiàn)場總線時，以西門子公司的TXP-3000為例，每對DPU下通?？蓲旖?個DP主站，一個DP主站考慮接入16個DP從站，若連接DP/PA作為DP從站，每個DP/PA按接入18臺PA設(shè)備考慮，每對DPU接入設(shè)備為4×l6×18=1152臺。由此可見采用現(xiàn)場總線之后DPU數(shù)量只會減少，不會增加，當然zui終的控制器數(shù)量還是應(yīng)該考慮負荷率的要求。
　　
　　進口電動執(zhí)行機構(gòu)。近年來新建工程項目中的電動執(zhí)行機構(gòu)（包括調(diào)節(jié)積二位式）大多數(shù)已要求采用智能一體化產(chǎn)品，在這種情況下，通過進一步明確現(xiàn)場設(shè)備應(yīng)符合的總線標準，即可將設(shè)備接入現(xiàn)場總線系統(tǒng)，成本增加不大。
　　
　　氣動調(diào)節(jié)閥定位器。方案中所有氣動調(diào)節(jié)閥的閥門定位器采用現(xiàn)場總線型產(chǎn)品，每臺總線型智能閥門定位器較普通閥門定位器貴5000元左右。
　　
　　變送器。目前帶現(xiàn)場總線接口的智能變送器較常規(guī)智能變送器貴出約1500元人民幣。
　　
　　接線箱?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)設(shè)計中涉及到大量的接線箱，接線箱內(nèi)設(shè)置現(xiàn)場總線設(shè)備連接的端子。每只IP66的12口接線箱價格在500美元左右。
　　
　　電纜及電纜橋架。采用現(xiàn)場總線技術(shù)可以較大程度上節(jié)省電纜、電纜橋架等安裝材料，也相應(yīng)減少了施工工程量。根據(jù)在玉環(huán)電廠工程中對補給水、廢水現(xiàn)場總線應(yīng)用的情況的了解，實際現(xiàn)場控制電纜可減少60%，電纜橋架減少50%。雖然采用現(xiàn)場總線控制方式，系統(tǒng)將運用大量光纖，但目前光纖的價格已十分低廉，與常規(guī)控制電纜的相差無幾。
　　
　　三、系統(tǒng)配置方案
　　
　　整個機組控制系統(tǒng)按照工藝過程劃分為多個子系統(tǒng)。根據(jù)上述技術(shù)分析，我們給出機組控制的參考配置方案。
　　
　　鍋爐啟動系統(tǒng)、鍋爐汽水/本體系統(tǒng)、鍋爐煙/風系統(tǒng)、燃油/制粉系統(tǒng)、凝結(jié)水系統(tǒng)、加熱器疏水系統(tǒng)、汽機抽真空系統(tǒng)、汽機潤滑油/EH油系統(tǒng)等，均考慮采用現(xiàn)場總線技術(shù)。其中對于工藝系統(tǒng)中的單回路（單沖量）調(diào)節(jié)，如汽機潤滑油溫度調(diào)節(jié)、輔助蒸汽溫度/壓力調(diào)節(jié)、汽機軸封壓力/溫度調(diào)節(jié)等可放在現(xiàn)場執(zhí)行機構(gòu)的閥門定位器中實現(xiàn)（也可仍在DCS控制器中控制）。鑒于爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)（FSSS）、汽機數(shù)字電液控制系統(tǒng)（DEH）、汽機本體緊急跳閘系統(tǒng)（ETS）對機組安全運行至關(guān)重要，而且汽機DEH（包括ETS）與汽機本體控制和保護相關(guān)性大、回路處理速度要求高，F(xiàn)SSS、DEH和ETS還是推薦采用成熟的常規(guī)控制方式。
　　
　　機組廠用電動機和廠用電監(jiān)控系統(tǒng)雖然采用現(xiàn)場總線（CAN、LONWORKS、Modbus等標準），大多數(shù)并非采用FF、Profibus等現(xiàn)場總線。該系統(tǒng)可通過與機組DCS的通信接口相互傳輸信號。出于機組安全考慮，所有機組電動機及主廠房內(nèi)重要電源開關(guān)的分/合指令信號、狀態(tài)反饋信號還是通過硬接線方式進入DCS,其它信號通過通信接口接入機組DCS。條件允許的情況下，也可對廠用電動及考慮采用具有Profibus-DP接口的智能馬達控制器（類似西門子公司的SIMOCODE產(chǎn)品）。
　　
　　機組SOE要求有l(wèi)ms的分辨率，目前設(shè)計中接入SOE的多為主、輔機的跳閘接點信號和電氣開關(guān)量，主、輔機跳閘首出原因由控制器邏輯判斷。為保證SOE的分辨率，建議仍采用常規(guī)DI卡或SOE卡。
　　
　　方案中變送器均采用現(xiàn)場總線型智能變送器接入DCS，以便在機組DCS中利用現(xiàn)場總線設(shè)備診斷和管理軟件，實現(xiàn)設(shè)備管理和故障診斷。
　　
　　方案中電動執(zhí)行機構(gòu)均考慮采用具有現(xiàn)場總線接口的設(shè)備，氣動調(diào)節(jié)閥執(zhí)行機構(gòu)采用帶現(xiàn)場總線接口的智能定位器。由于主廠房內(nèi)電磁閥控制的二位式氣動閥門布置較為分散，如采用帶總線接口的閥島進行控制不太合適，故還是推薦采用常規(guī)I/0方式接入DCS。由于目前國產(chǎn)現(xiàn)場總線電動執(zhí)行機構(gòu)尚未有成熟的應(yīng)用業(yè)績，而進口現(xiàn)場總線電動執(zhí)行機構(gòu)與國產(chǎn)電動執(zhí)行機構(gòu)的差價較大。為從根本上降低工程造價，方案中國產(chǎn)電動執(zhí)行機構(gòu)還是采用常規(guī)I/0方式接入DCS。
　　
　　采用現(xiàn)場總線技術(shù)之后，對于現(xiàn)場相對集中的溫度測點，考慮采用現(xiàn)場總線型智能變送單元（如EMERSON的848T型8通道溫度變送器）或沿用目前常規(guī)的遠程I/0方式接入DCS。由于目前帶總線接口的智能溫度變送器價格仍較貴，如在工程中對全部溫度測點采用總線方式接入將會增加較大工程投資。且對溫度信號而言，采用總線方式接入增加的信息內(nèi)容也不明顯。因此對于現(xiàn)場分散的溫度測點還是考慮采用常規(guī)方式接入控制系統(tǒng)。圖1所示是典型的1O00MW火電超超臨界機組現(xiàn)場設(shè)備層采用現(xiàn)場總線技術(shù)的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。　　
　　四、結(jié)束語
　　
　　火電廠現(xiàn)場控制應(yīng)用和當前狀況表明，應(yīng)用現(xiàn)場總線技術(shù)將帶來全廠管控數(shù)字化和全生命周期的設(shè)計、安裝、調(diào)試、運行維護成本節(jié)省等有利因素，由此引起的投資增加是應(yīng)該可以接受的，可在機組分散控制系統(tǒng)現(xiàn)場設(shè)備層面逐步推廣采用現(xiàn)場總線技術(shù)。