燃气-蒸汽联合循环机组现场总线技术设计与实施

张 鹏 ，付闯闯 ，王明达

（1.中国电建集团河北省电力勘测设计研究院有限公司，河北石家庄 050031；2.河北省电力勘测设计工程技术研究中心，河北 石家庄 050031）

0 引言

现场总线技术是连接智能现场设备和自动化系统的全数字、双向、多站的通信手段，主要解决工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信以及这些现场控制设备和高级控制系统之间信息传递的问题[1]。现场总线技术在国内外流程工业、交通、石化、楼宇等行业的自动化系统中有成功的应用，但在电力行业应用较晚。

21世纪是数字化时代，随着计算机技术、通信技术和控制技术的跨越式发展，电力企业充分意识到数字化、信息化对电厂监控和管理的重要作用。电力企业生产信息化主要分为3层：上层为厂级管理监控信息层，中层为生产级实时监控层，下层为现场设备层。上层通过信息管理系统，中层通过分散控制系统和可编程控制系统，已经实现了监控层的数字化[2]。但由于火电厂工艺系统的复杂性，各工艺单元间的强关联性，以及生产环境的多变性，造成现场设备层无法真正实现数字化，导致火电厂数字化在数据采集的源头存在短板。本文将通过现场总线技术在燃气-蒸汽联合循环机组的具体实施案例，从方案设计与实施角度，详细介绍燃机电厂各工艺系统现场总线配置方案，真正实现现场设备层的数字化，为构建信息化、数字化电厂提供数据支撑。

1 现场总线技术实施案例分析

1.1 项目概况

某燃机电厂配置2×200 MW级燃气-蒸汽双轴联合循环供热机组。机组采用1台燃气轮机发电机组+1台余热锅炉+1台汽轮发电机组的多轴形式，燃气轮机发电机组和汽轮发电机组不同轴布置。

1.2 现场总线的应用范围

主厂房和辅助车间控制采用1套设备层应用现场总线的分散控制系统DCS（distributed control system）完成控制。燃机控制系统、燃机保护系统、汽轮机数字电液控制系统、汽轮机危急遮断保护系统、顺序事件记录等对机组的安全运行至关重要，回路处理速度要求高，本工程对上述系统仍采用成熟的常规控制技术。此外，考虑到机组运行安全，机组高压电动机及重要电源开关的合/分闸指令信号、状态反馈信号仍然采用常规的硬接线方式接入DCS系统，其他信号通过现场总线通信接口接入DCS系统。仪表及控制类设备，包括压力、差压、液位、电动执行机构、气动定位器、电磁阀阀岛以及电气类的380 V带智能控制保护的断路器、380 V框架断路器、变频器，采用现场总线设备，温度、分析仪表仍采用常规仪表。为便于设备选型和提高现场总线网段中现场总线设备的响应速度，本燃机电厂混合采用现场总线外围设备Profibus DP（process fieldbus decentralized periphery）和基金会现场总线FF（foundation fieldbus）这两种现场总线技术[3]，对于开关型和调节型阀门的电动控制装置、电动机、阀岛及变频装置等，采用Profibus DP冗余接口，挂接在Profibus DP总线网段上；对于变送器、气动调节阀等设备采用FF H1接口类型。

1.2.1 主厂房余热锅炉和汽机部分

主厂房余热锅炉和汽机部分采用现场总线技术的系统有余热锅炉高压给水控制系统、余热锅炉低压给水控制系统、余热锅炉除氧控制系统、余热锅炉疏排水控制系统、辅助蒸汽系统、真空泵组系统、循环水及开式水系统、闭式水系统、凝结水系统、凝结水精处理系统等。其中，高压汽包水位调节、低压汽包水位调节、减温水控制、烟道烟温监测、主蒸汽及旁路系统、凝汽器真空、汽轮机工业抽汽系统、汽水取样、化学加药等采用常规控制方式。主厂房余热锅炉、汽轮发电机（不含燃气轮机及发电机部分）总的监视、控制点数约为3 200点。主厂房控制系统常规IO清单如表1所示，主厂房控制系统总线设备清单如表2所示，主厂房控制系统FF总线配置清单如表3所示，主厂房控制系统Profibus总线配置清单如表4所示。

表1 主厂房控制系统常规IO清单点

表2 主厂房控制系统总线设备清单个

辅助车间及公用系统包括化学补给水系统、净水处理系统、循环水加药、空压机房、天然气调压站、循环水泵房、机力冷却塔等，其中化学补给水及净水处理系统采用现场总线控制系统。公用控制系统常规IO清单如表5所示，公用控制系统总线设备清单如表6所示，公用控制系统FF总线配置清单如表7所示，公用控制系统Profibus总线配置清单如表8所示。

表3 主厂房控制系统FF总线配置清单

表4 主厂房控制系统Profibus总线配置清单

表5 公用控制系统常规IO清单点

表6 公用控制系统总线设备清单个

1.2.3 现场总线控制系统网络配置

网络配置的硬件主要包括网络柜、控制柜、IO通信柜、仪表接线盒以及总线电缆。对于FF现场总线和Profibus现场总线，上层网络结构是相同的，区别仅仅在于控制柜内的总线卡件、通信模块和就地侧的配置方案。网络柜和控制柜布置在电子设备间内，网络柜中布置冗余核心交换机，控制柜中布置冗余电源模块、冗余控制器FCP270、冗余通信模块。

表7 公用控制系统FF总线配置清单

表8 公用控制系统Profibus总线配置清单

余热锅炉部分FF现场总线配置按照就近且靠近总线设备相对集中的原则布置，IO通信柜布置在现场，就地侧冗余通信模块FBM228通过冗余光纤实现与控制柜中控制器数据通信。FF总线接线盒通过树形结构点对点接入FF总线设备。

余热锅炉部分Profibus现场总线配置：IO通信柜仍然布置在现场，就地侧冗余通信模块FBM222通过冗余光纤实现与控制柜中控制器数据通信。Profibus DP设备通过总线电缆串行接入到总线通信模块FBM222。

2 现场总线的设计和施工总结

2.1 现场总线设计总结 [4-5]

a）系统冗余度考虑。对于重要的工艺系统或互为备用的工艺设备，网段划分应采用双冗余网络（即A/B双网段）。

b）充分考虑系统通信速率。保证控制器的扫描周期与现场总线的宏周期（对FF H1总线）或现场设备的轮询刷新周期（对Profibus PA总线）之间的合理匹配。

c）合理规划系统现场总线网段划分。根据工艺流程，将全厂控制系统划分为若干总线网段，同一控制系统或控制回路的仪表和控制对象应接入同一总线网段内，冗余配置的总线仪表或总线设备应分别划分到同一系统的A/B网段。

通过图5、图6可以看出，新型扩孔钻头在钻头稳定性上有较大的改进：导向钻井模式下钻头的平均横向不平衡力系数(定义为瞬时时刻钻头横向力与轴向力比值)为0.085 6，如图5所示；复合钻井模式下钻头的平均横向不平衡力系数为0.093 1，如图6所示。常规扩孔钻头的平均横向不平衡力系数大于0.2[2，6-7] ，该系数的降低说明新型扩孔钻头的钻进稳定性增强，且钻头领眼段切削齿的偏磨现象将大大减少，钻头使用寿命得到较大幅度的提高；同时，钻头横向不平衡力系数的降低还有助于提高扩孔井壁质量。

d）按照通信速率的要求和现场距离要求，合理确定每个网段上挂接的总线设备数量。对于FF H1总线网段，用于控制目的时，每个网段挂接的现场总线设备数量不得超过6个；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该标准规定的最大数量12个。对于Profibus DP总线，每个网段现场总线设备数量不应超过该网段上规定最大数量的30%～40%。

e）应考虑电磁的干扰问题，对于距离较远的现场总线设备，应考虑使用光缆或中继器。

2.2 现场总线施工总结

现场总线技术对施工安装要求比较高，施工单位除了按照GB 50093—2013《自动化仪表工程施工及质量验收规范》和DL 5190.4—2012《电力建设施工技术规范第4部分：热工仪表及控制装置》执行外，还应严格执行现场总线控制系统厂家提供的安装作业说明书。

a）总线电缆的敷设和接头连接。电缆铺设时不要绷得过紧，否则会引入应力；确保电缆在电缆槽盒内与动力电缆分离。

b）网段线路调试。建立总线设备与DCS侧总线卡件的通信，通过现场总线监视器挂接到总线网段上，逐次按压现场总线监视器上的“模式”进行不同的检测，现场总线监视器将在显示屏上显示数值及测试结果正常或异常。

c）总线电缆在电缆竖井中敷设时，应与其他动力电缆或控制电缆分隔开，避免产生电磁干扰。

d）总线电缆在现场敷设时，不应与其他电缆共用电缆槽盒，应单独敷设在专用电缆槽盒内，避免电磁干扰。

3 现场总线技术实施中存在的问题和建议

3.1 现场总线技术在实施中存在的问题 [6]

a）施工安装和现场调试技术要求高。采用现场总线系统，现场安装和调试工作量降低，但对施工单位的技术要求明显提高。如现场总线仪表接口接线、通信电缆的分支连接、总线电缆敷设、光纤的熔接等，有些需要使用专业设备和工具，有些需要进行专门的培训和技术指导。

b）现场总线产品选型范围少、国产化水平低。目前，现场总线仪表主要是进口品牌，国产品牌较少，在技术水平和性能方面与国际水平差距较大。国产电动执行机构总线设备和带智能控制及保护的断路器基本满足了电厂的控制要求，从实施的效果看，总体性能不错。

c）协调工作困难。工艺设备为成套配供控制装置和仪表仪器，但由于厂家设计人员对现场总线技术认识度较低，参与性不强，影响了整体设计水平，加之国内工程进度紧迫，增加了协调工作的困难，不利于全厂现场总线设备的规划和使用。

3.2 现场总线技术实施的建议

a）开展多方位技术交流。设计院、业主、施工单位应加强技术交流和储备，努力学习现场总线技术的有关知识，增强现场总线的实际应用能力，并及时总结现场发生的问题，改进现场总线设计问题和施工安装问题。

b）性能综合评判。项目初期应综合分析和确定项目现场总线技术应用的原则和范围，明确哪类仪表和设备采用现场总线技术，尽早明确项目现场总线实施方案，为项目的设计、设备采购和施工打好基础。

c）加强与DCS厂家的交流和协调。设计方案应综合考虑网段划分和现场实际布置位置，设计方、施工方和DCS厂家三方应共同对现场总线配置方案进行评审，紧密配合，相互协调。

d）严把设备质量关，注重通信测试工作。采用现场总线的仪表和控制设备必须在设备供货前由供货商送至控制系统DCS厂家进行测试，并出具测试报告，避免在现场施工调试过程中发生设备通信故障，使现场总线设备无法接入DCS系统。

4 结束语

本项目燃气-蒸汽联合循环机组采用现场总线技术，机组投运后运行安全、可靠。本案例的成功实施为同等类型的工程设计提供了一定的设计依据和参考，同时也为数字化电厂的应用和实施提供了借鉴。项目各方只有充分认识现场总线技术的优点，在项目实施过程中不断完善和细化技术方案，才能保证现场总线技术的正确实施，真正发挥现场总线技术的信息化、数字化优势，为数字化电厂的建设打好基础。