現場總線方案與技術分析

概 述

現場總線（field bus），按其國際電工委員會IEC61158的定義為：“安裝在制造或過程區域的現場裝置與控制室內的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”；由現場總線和現場智能設備組成的控制系統稱為現場總線控制系統通稱為FCS（Field bus Control System）。

1 方案設想

根據對現場總線技術的應用情況，本工程660MW超臨界機組火力發電廠現場總線的設計方案初步考慮如下：

1.1 智能變送器采用HART現場總線連接

目前發電廠所配的智能變送器（如壓力、差壓變送器），基本是帶有HART通訊功能的智能變送器，HART現場總線是1986年美國羅斯蒙特公司首先研制開發出來的一種現場通訊協議，它在過程控制儀表普遍采用的4～20mA標準信號的基礎上疊加了數字信號。這個數字信號是利用頻移鍵控技術（Frequency Shift Keying）將數字信號變換為音頻信號，協議規定信號的頻率為1200bit/s。這個音頻信號正弦波的平均值為零，所以在現場模擬信號中不增加直流部分，因此兩根線上可同時傳送互不影響的模擬和數字信號。

目前大多數電廠只是利用了帶有HART通訊功能的智能變送器的模擬量信號，而對數字量的信號卻無實際應用。但國內也有一些電廠已應用了帶HART通訊功能的智能變送器的數字量信號，如華能威海發電廠二期工程（2×300MW）機組，把所有現場智能變送器（每臺機組約200臺）的HART信號送入HART多路轉換器，接入羅斯蒙特的設備管理系統（AMS），揚州二電廠將現場智能變送器（每臺機組約500臺）的HART信號送入OVATION分散控制系統,可在控制室的計算機上就能監視、管理和調整運行的設備。

據有關資料介紹，采用智能變送器HART信號及AMS系統在提高工作效率、增強機組安全經濟性方面大有益處。采用傳統方法在檢修或日常維護工作中，要對檢驗的壓力、差壓變送器進行解列/投運、停電/送電、拆線/接線、拆/裝等工作，檢驗一臺變送器需要使用中、高級檢修工1.5個工作日。采用HART信號及 AMS，變送器檢驗工作全在電腦中完成，檢驗一臺變送器只需約15分鐘，大大提高了工作效率。采用HART信號或AMS，可充分利用智能變送器的功能，在計算機上可監測到變送器安裝環境的環境溫度，根據變送器檢測的環境溫度，決定是否采用保溫措施，防止測量管路凍結或凍壞變送器。在現場變送器的故障報警方面，采用HART信號或AMS能夠幫助迅速查明故障原因，縮短故障排除時間。

本工程可采用智能變送器的HART信號構置設備管理系統，以提高工作效率，減少設備維護費用的支出，并提高測量系統的準確、可靠性。

1.2 電動門采用現場總線

在德國Niederaussem電廠中，現場總線電動門用于對安全特性無特殊要求的自動控制任務（如汽水循環、煙氣系統和機組協調），對于對安全特性有特殊要求的自動控制任務（如鍋爐保護和燃燒器管理等）及用于汽輪發電機的閉環控制設計（如DEH等）不采用現場總線。

本工程考慮進一步擴大現場總線電動門的范圍。不僅是電動關斷門采用現場總線，電動調節門也可采用現場總線。采用的系統范圍也可進一步擴大，可以考慮參考德國Niederaussem電廠現場總線電動門的設置范圍，即除了對安全特性有特殊要求的自動控制任務及用于汽輪發電機的閉環控制設計外，其它電動門均采用現場總線電動門。現場總線電動門的總線網絡可采用冗余通訊網絡，以確保控制網絡的可靠性。

1.3 電動機采用現場總線

由于設備廠家在這方面也沒有成熟的經驗，在系統調試及設備單體調試中遇到了一些困難，主要是SIMOCODE存在損壞現象，這主要是由于現場環境不良及維護不善造成。另外，也出現過通訊中斷情況，故障發生后，通過采取了SIMOCODE與DCS系統通訊的抗干擾隔離措施，加裝PROFIBUS有源抗干擾模件，增加適量的接口設備如（Y型切換器、光電轉換器等）改進措施，改進后類似故障未再出現。江陰夏港電廠400V及以下電機均采用現場總線方式控制，通過現場總線與分散控制系統連接，對于6kV電機，啟、停指令信號及電機已啟、已停信號可通過硬接線信號進入分散控制系統，其它信號通過總線方式進入分散控制系統。兩臺機組目前已投入運行，采用現場總線控制運行情況穩定可靠。

從電廠電動機采用現場總線控制情況來看，電動機采用現場總線控制在電廠實際運行中已證明是可靠的，而且也已積累了一定的經驗。在本工程中可根據電動機的電壓情況進行分別對待：400V及以下電機采用現場總線方式控制，所有信號都通過現場總線與分散控制系統連接，對于6kV電機，啟、停指令信號及電機已啟、已停信號可通過硬接線信號進入分散控制系統，其它信號可通過總線方式進入分散控制系統。

1.4 輔助車間控制系統

目前現場總線技術在國內燃煤電廠輔助車間系統尚未有大范圍應用的業績，正在工程建設中的燃煤電廠輔助車間系統采用現場總線技術的有：浙江華能玉環電廠（2×1000MW），在鍋爐補給水處理系統、廢水處理系統中采用現場總線技術。由于新建電廠輔助車間系統如輸煤系統、干灰輸送系統、電除塵系統、凝結水精處理系統、化學加藥系統、汽水取樣系統、循環水加氯系統、污水處理系統等往往采用分島招標形式，分島招標中工藝設備與控制系統及儀表常又打捆供貨，造成控制系統及儀表由多個供貨商提供；另一方面，現場總線技術就目前而言還是較新的技術，各輔助系統工藝設備供貨商對現場總線儀表及控制系統還缺乏了解，業績較少，在這種情況下，如果由各輔助系統工藝設備供貨商提供現場總線設備及控制系統可能會對電廠輔助控制系統的質量和建設工期有所影響。因此，現場總線技術在全廠輔助車間系統上的應用，必須采取工藝設備單獨分島招標、控制系統集中招標的形式才有可能實現，根據單元機組現場總線方案設計原則，結合輔助車間工藝特點，全廠統一規劃技術要求，盡早安排，確保輔助控制系統的質量和建設工期滿足要求。對鍋爐補給水處理系統、廢水處理系統、凈水站等輔助車間系統可優先采用現場總線技術。

2 技術經濟分析

2.1 分散控制系統

采用現場總線方式后，對于分散控制系統（DCS）而言，I/O卡件可以減少，但通訊模件卻要大量增加。報價的基礎條件：

單元機組I/O點約為9400點，電動調門約75個，電動關斷門（含部分氣動關斷門）約240個，400V及以下電機約110個，6kV電動機約22個，每對通訊口帶電動門數量按不超過15、每個通訊口帶電動機數量按不超過10個。單元機組I/O點列表如下：

分散控制系統（DCS）廠商一：提供的報價采用現場總線方案比采用常規分散控制系統方案費用每臺機組約貴150萬元人民幣。

分散控制系統（DCS）廠商二：提供的報價采用現場總線方案比采用常規分散控制系統方案費用每臺機組約貴225萬元人民幣。

2.2 現場設備

1）電動門

進口電動門

當今新建工程項目中，系統設計的電動門大多數已要求采用智能機電一體化產品，在這種情況下，通過進一步明確現場設備應符合的總線標準，即可將設備接入現場總線系統，成本增加不大。平均每個進口現場總線電動門約比進口智能一體化電動門貴1萬元人民幣左右。