现场总线技术在百万火电机组中的应用

曹乃琰

（国电集团有限公司宁夏分公司，银川750002）

1 引言

国内首个在百万火电机组控制系统中应用现场总线技术的是华能金陵电厂，在这之后的10年，随着技术的日新月异，到国电宁夏方家庄电厂2台一百万火电机组工程已成功实现了全厂现场总线技术与国产DCS的成功组合，全厂现场总线测点与常规的硬接线I/O测点占比经测算已达到了70%以上，希冀通过本文的阐述，能对其他类似火电厂工程在前期策划、初步设计、设备选型、过程施工管理和安装调试等方面有所帮助。

2 现场总线工程应用过程

国电宁夏方家庄电厂2×1000MW超超临界火电机组1#机组于2018年9月整套启动，2#机组于2019年4月整套启动，7月份通过168h试运。2台超超临界百万机组现场总线控制系统选用的是西门子公司Profibus总线协议，DCS控制系统选用的是国电智深控制技术有限公司的EDPF-NT-Plus 3.3系列，首次搭载了国电智深公司的PB通讯卡，通过PB卡的协议转换成功实现了DCS与FCS的结合。上述组合方案提供了对现场智能仪表和控制执行机构的全局意义上的控制，自项目带电调试实施以来，FCS和DCS两个系统的运行均十分稳定，未发生一般及以上通讯问题，大大提升了火电厂控制系统数字化的水平，节约了工程造价。

2.1 现场总线技术应用原则

主控网应用FCS原则：（1）对锅炉、汽机本身的运行安全有重大影响的系统，仍采用传统的DCS硬接线和I/O设备；（2）从现场直接采集的DAS信号全部采用FCS的仪表、设备；IDAS信号采用Profibus-DP接口的远程智能前端采集通讯至DCS的方式；（3）SOE 采用常规 DCS 采集方式；（4）FSSS 中磨煤机系统执行机构设备和信号采用FCS（FSSS保护信号除外）；（5）汽机数字电液控制系统(DEH)，采用常规控制方式。

辅控网络应用FCS原则：（1）水网主要包括：锅炉补给水系统、凝结水精处理系统、雨水泵房系统、工业废水处理系统和其他系统等，水网通过交换机光纤接口连接，与灰网和输煤系统组成全厂辅控网；（2）灰网除空压机以外全部采用FCS控制方式；（3）运煤控制系统主要包括输煤及煤水系统，其中，包含从煤场到各级转运站、碎煤机室最终到煤仓间的各级控制，目前输煤系统接入总线有两种方式，电力线载波和分布式I/O（就地I/O模块采集数据，与DPU通过Profibus-DP协议通讯控制）；（4）脱硫、脱硝系统采用现场总线技术；（5）公共氨区采用常规DCS控制方式。

2.2 网段设计原则

冗余设置的现场仪表应接入不同网段,工艺上并列运行或冗余配置的设备，其相关驱动装置应连接在不同的网段上。控制阀门和其旁路阀门应连接到不同的现场总线网段；控制逻辑相关的仪表和控制对象原则上挂接在同一总线网段上；同一工艺系统的电动机和电动执行机构原则上一般连接在同一DP总线上。

对于Profibus总线，现场总线模件可以设定不同的总线速率以适应不同的处理器应用功能。除了现场总线固有的总线速率限制，现场总线网段超出一个建筑物的情况下总线传输速率应不小于500kbps。

对于Profibus-DP总线，每个网段上挂接的现场总线设备数量应不超过10个，每个Profibus主站下挂接的DP从站设备数量不可超过16个，且所有Profibus网段中不能装设中继器,如需扩展应通过增加DP主站实现。

对于所有Profibus-PA总线网段，应用于控制时，每个网段挂接的现场总线设备数量不得超过6个，且同一网段上挂接的阀门数量不超过2个；当用于非控制目的时，每个网段挂接的现场总线设备数量不得超过12个。每个DP/PA LINK（占用总线地址，速率最高12MB/s）下带的Pacoupler不占用总线地址，但降速率运行）数量不超过3个。

为了发挥现场总线技术的本质性优越性，应配置性能优良的现场总线仪表和设备诊断、维护、管理软件。软件应能够对现场总线各层网络节点、网桥设备、各支路（或网段）的仪表、设备进行诊断、监视、参数设定和调整、校验等。同时向用户开放可用于二次开发的数据结构、工具、功能接口等。

3 工程设计及实施过程中可能遇到的问题及解决办法

3.1 网段设计

DCS厂家为节省卡件及光缆、通讯电缆的用量，在设计中通过中继器扩充网段的带载能力，会造成同一网段挂接了多个系统的大量关键设备，一旦网络中出现断点，会影响多个系统的正常运行。

解决方法：在招标文件、技术协议中，明确要求其网段设计要按照技术要求中的设计原则进行设计，现场总线网段的设计应可靠、每个网段上挂接的设备数量不能超过16台，每个通讯主站只能接两个主干网络，若需要扩充网段，必须采用增加通讯主站的方式，网络中尽量少的采用中继器来扩充网络的带载能力。

3.2 光缆、通讯电缆敷设与熔接

采用现场总线技术后，现场的大部分控制电缆被光缆及通讯电缆所替代，敷设普通电缆与光缆的技术要求也不同，现场施工中施工人员不能很好地区分控制电缆和光缆，可能会出现光缆安装弯曲半径过小，光纤折断，熔接光缆时，只熔接连接网段的1芯或者2芯，备用芯不进行熔接；通讯电缆（DP/PA电缆）在敷设过程中与动力电缆敷设在同一槽盒内，当大功率设备启动时，会造成强烈的干扰，影响正常通讯。

解决办法：在电缆敷设前对施工人员进行技术交底，敷设时不得随意弯折光缆，光缆长度与实际需求一致，光缆两端留少量余量，中间不得有接头，每条光缆长度不宜超过1000m。本工程现场总线采用4芯光缆，最小安装弯曲半径不小于5.08cm，最大安装应力不应超过45kg。光纤熔接时，4芯光缆必须全部熔接，两芯作为备用；Profibus电缆最小弯曲半径75mm；多个弯曲，半径≥150mm。若弯曲半径小于此数据，则将对Profibus电缆造成损坏并改变其电气特性。

3.3 智能设备与D CS不兼容

根据国内部分电厂FCS实施出现的问题来看，智能设备与DCS系统兼容性也是工程能否顺利实施的关键问题之一。例如，某厂在设备到货前，未进行DCS兼容性测试，导致到厂的设备不能与DCS正常通讯，由于智能设备大多为进口设备，采购周期较长，因此，延误工期3～4个月。

解决办法：在设备招标采购时，要求设备厂家所供的智能设备在供货前必须将同批次设备样品送至DCS厂家进行兼容性测试，由DCS厂家出具兼容性测试报告，凡不兼容的设备，由供货厂商整批次免费更换，并承担工程建设的相应经济责任。

4 结语

现场总线控制技术是未来发展的趋势，这一点不容置疑，但现场总线控制技术目前不是非常成熟，取代DCS控制系统尚需时日。未来随着现场总线技术的迅速发展，不仅会降低企业的初期投资，其更深层次的开发应用对于将来的维护管理也会带来很可观的经济收益。