現場總線在發電廠機組控制應用研究

　　現場總線控制技術作為一門新興技術，已廣泛、成功地應用在石化、化工、冶金、醫藥、市政工程、樓宇、建材等多個行業。與其形成鮮明對照的是現場總線技術在電廠過程控制中的實質性實施卻始終不多，究其原因主要有以下幾點[2]：

　　① 從2002年下半年開始，電力供應缺口導致大量電廠項目工程建設的主要精力放在如何在最短時間內完成項目設計任務，常規技術方案自然成為首選;

　　② 工程技術人員對現場總線技術優勢的理解僅局限于節省電纜、功能分散、設備信息數字化，缺乏應用的積極性;

　　③ 電廠過程控制回路具有相關度高、控制功能復雜、安全性和穩定性要求高等特點，要求對現場總線技術的切實掌握和實踐驗證;

　　④ 現場總線儀控設備比常規儀控設備價格高，總線型設備的選擇范圍還相對較小，也在一定程度上阻礙了現場總線技術在電廠過程控制中的大量應用。隨著認識的提高和技術的發展，這樣的局面近期已有所改變。如在華能玉環電廠補給水、廢水系統中成功實現了現場總線技術的全面應用，化水控制系統在較短時間內完成了安裝、調試，并很快投入運行，由此說明了現場總線在電廠輔助生產控制系統中應用是完全可行的。

　　1 國內外現場總線火電廠應用現狀

　　山東萊城電廠擴建工程3#、4#機組采用西門子TELEPERM-XP分散控制系統，400V及以下的電動機在開關柜中配套西門子公司的SIMOCODE電動機控制保護設備，通過ProfibuS現場總線與TELEPERM-XP相連接。目前電廠已投入運行，現場總線系統運行基本穩定。江陰夏港電廠5、6#機組(2×330MW)采用Fox-BORO公司的FA分散控制系統，380V開關柜采用西門子公司的SIMOCODE電動機保護控制設備，通過Profibus-DP與FA分散控制系統相連接。6kV馬達采用WDZ400系列國產智能裝置，重要信號通過硬接線與分散控制系統相連，其它信號通過Modbus總線與FA分散控制系統連接。浙江國華寧海發電廠(4×600MW )控制系統采用西門子TELEPERM-XP分散控制系統。現場總線控制系統的控制范圍為閉式水系統34個現場總線電動門(現場總線電動門配AUMA公司的AUMATIC電動執行器)，現場總線標準為Profibus-DP，采用冗余總線接口與TELEPEM-XP連接。

　　華能玉環電廠(4×1000MW)在鍋爐補給水系統、廢水系統中完全采用Profibus現場總線技術通信的方式，將氣動門電磁閥、氣動調節閥、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備連在一起。所有的底層設備都具有數字通信接口，從控制室到現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場設備的狀態信息都通過現場總線進行傳輸。目前已成功投入運行[3]。

　　上世紀90年代末，現場總線控制系統就已經在國外的電廠中得到應用，如SMAR公司的systern302就曾先后在美國的 Seattle Steam、Mohave Generation Plant、Duke power Oconee Nuclear Power Plant、墨西哥的Mazatlan、Guaymas、巴西的CESE等6個電廠中的15臺鍋爐上得到的應用。其中最大的鍋爐容量為600t/h, 最大的單元機組容量為158MW，這些現場總線控制系統除了完成一般的數據采集功能之外，還實現了燃燒控制、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停控制、聯鎖保護和報警等功能。

　　德國Niederaussem電廠較全面地使用了現場總線。該廠采用了Profibus-DP和HART兩種現場總線。整個系統包括900臺馬達、400個電磁閥、1000個閥門定位器和電動執行機構。這些智能設備均通過Profibus-DP與DPU相連。通過采用Profibus 現場總線系統，真正實現了全廠監控，提供更加完善有效的設備診斷功能，實現現場設備的遠程編程和維護，實現了全廠數據的集中箕理，使設備的狀態檢修成為可能，提供更多的設備信息使操作和維護得到優化。

　　2 現場總線火電廠控制關鍵問題技術分析

　　通過多年來現場總線在多個行業的成功應用以及在電廠輔助生產系統的實施經驗積累，特別是 Nieder - aussemK 機組及上海賽科項目中現場總線技術的全面成功運用[4]，為我們在國內火電機組控制上推廣現場總線技術應用提供了有力的支持。推行現場總線在機組控制中的應用，應重點考慮以下幾個方面的問題。

　　2.1 可靠性和可用性

　　電廠發電機組連續安全穩定運行是至關重要的。控制系統的可靠性是保證機組可用率的重要因素。為了提高系統的可靠性，現場總線技術(FF和Profibus)已經采用了多項措施，常用的有分散和冗余二項。

　　① 分散方面。對FCS系統而言，主要通過網絡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場，設計中通過上層網絡的區域劃分和下層網絡的風險管理等，做到一個回路的故障不影響到另一個回路。在工程設計中，建議主要控制策略還是采用常規DCS應用方式，按工藝系統分散在不同的控制器內實現，功能分散能夠滿足要求。火電廠機組控制中存在大量控制回路之間的相互聯鎖、信號交換，當不同檢測控制設備處在不同網絡分段時，如何確保它們之間聯鎖、交換信號的實時可靠性將是一個需要關注的問題。

　　② 冗余方面。現場總線系統通過主站網絡冗余、變送器冗余、總線電源冗余、鏈路設備冗余、控制器冗余、冗余分離等實現。其中鏈路設備、電源、主站網絡和操作員站冗余是現場總線系統常用的冗余措施。在工程設計中可以對所有具有冗余總線接口的電動執行機構、馬達驅動控制裝置等設備考慮采用冗余總線連接;控制系統中所有總線電源也應該冗余配置。目前FF的Hl和Profibus-DP已實現了網段介質冗余，但由于Prfibus-PA設備通常沒有冗余接口，PA網段還沒有實現冗余。對此，在工程設計中可通過將冗余配置的變送器等總線設備分散在不同網絡分段中來提高系統的可靠[5-6]。

　　通過診斷可以提高系統的可用性。如冗余的備用設備狀況和切換狀況，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備組中故障部分，使其準備好在下次故障發生時能正常投入。

　　另外，為提高系統的可靠性，整個現場范圍內的通信光纜應至少有50%的冗余量。同時為了在一路通信光纜發生損壞情況下不影響通信的正常進行，應使用兩種光纜路徑敷設。因為互聯到現場總線的計算機或控制器可以方便地被其它計算機監控，因此，現場總線技術的電廠應用是可靠的。

　　2.2 實時性

　　在火電廠機組控制運用現場總線控制技術，現場總線的實時性是一個需要關注的內容。我們對一些潛在供貨商的控制系統進行了了解。其中，Profibus總線的數據為：一個典型的通過Profibus-PA總線連接的智能儀表的響應時間為10ms;一個典型的通過 Profibus-PA總線連接的執行機構的響應時間為15ms;一個Profibus-DP從站的響應時間<0.3m;Profibus總線系統中一條DP分支的查詢循環周期是2ms;一條PA分支的查詢循環周期是80ms。

　　在DCS技術規范中對現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達到每秒掃描8次，數字量輸入信號應達到每秒掃描20次。由此可見，Profibus總線和FF總線完全能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100ms-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(50ms左右)要求。因此，系統中為安全或快速響應而設置的開關量信號，我們還是考慮采用常規DCS的FO模塊來處理。

　　2.3 故障影響性

　　現場總線控制系統的網絡設計至關重要，不僅要根據系統I/O點的規模，而且要根據設備的地理分布、功能的相關性等因素。設計各層網絡的覆蓋范圍，支路的數量，支路及分支的長度、各分支的設備數量等，這些設計對系統的性能、硬件配置等都有重要影響。因此，在工程應用中各工藝子系統應根據工藝相關性和現場布置位置情況進行網絡分段設計。進行網絡分段設計時應遵循以下原則：每個網段上掛接的現場總線數量不超過6個;冗余設置的現場儀表應接入不同網段;工藝上并列運行或冗余配置的設備其相關驅動裝置應連接在不同的網段上。控制系統應根據工藝流程合理配置總線數量和掛接的現場設備，確保任何一條總線故障時，只產生工藝系統的局部故障，不會引起機組的危急狀態，造成整個工藝系統停運，并將這一影響限制到最小。

　　鑒于目前現場總線在機組控制中的應用還處在起步階段，可能在具體工程實施中還會碰到一些意想不到的情況。為最大程度地降低現場總線的工程應用風險，確保機組安全順利投產，推薦對機組安全運行至關重要的保護系統仍采用常規 DCS 方式實現。

　　2.4 其它設計及安裝考慮

　　要使現場總線回路能夠正常運行，總線回路的正確設計和組態非常重要。根據現場總線系統工程指南要求和其它工程使用經驗，需要考慮如下幾個方面：現場總線網段的設計應考慮網段總的電流負載、電纜型號、總線干線長度、總線支線長度、電壓降和現場設備數量、總線的拓撲結構形式等。總線網段上可掛的設備最大數量受到設備之間的通信量、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，在設計和組態時應盡量減少設備在總線上的通信量。具體應注意以下幾點：

　　對于簡單的單回路調節應用，盡量將PID控制模塊放在現場閥門的智能執行機構中，這樣可減少DCS控制與現場閥門執行機構之間的通信量。